高速加工刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化

   摘要：以幾種典型模具材料的高速加工為例，介紹了德國(guó)Darmstadt 工業(yè)大學(xué)PTW研究所對(duì)高速加工刀具工藝參數(shù)優(yōu)化的研究成果。

1 引言

高速加工作為一種先進(jìn)的切削技術(shù)，自二十世紀(jì)八十年代以來得到了日益廣泛的應(yīng)用。高速加工采用遠(yuǎn)高于常規(guī)加工的切削速度和進(jìn)給速度，不僅可提高加工效率，縮短加工工時(shí)，同時(shí)還可獲得很高的加工精度。隨著高速加工主軸技術(shù)的發(fā)展，與其配套的新型刀具不斷出現(xiàn)，對(duì)高速加工用刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化研究也不斷深入。目前，德國(guó)、美國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)高速加工技術(shù)的研究和應(yīng)用處于世界領(lǐng)先地位，特別是德國(guó)對(duì)高速加工的研究起步較早，成果較多。早在1984 年，德國(guó)國(guó)家研究技術(shù)部(DFG)就出資700 萬馬克資助德國(guó)Darmstadt 工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)和機(jī)床研究所(PTW，Institute of Productionand Engineering and Machine Tools)與41 家公司進(jìn)行了為期4 年的合作，全面開展對(duì)高速加工切削機(jī)理、高速加工工藝、高速加工用機(jī)床與刀具的研究。由于政府的高度重視和大力資助，研究工作取得了豐碩成果。德國(guó)不少公司很快掌握了高速加工技術(shù)，并不斷支持和推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的深入研究與發(fā)展。

本文對(duì)德國(guó)PTW研究所近年來在高速加工刀具工藝參數(shù)優(yōu)化方面的最新研究成果作一介紹，希望能為國(guó)內(nèi)的高速加工研究及應(yīng)用提供有益的參考。

2 高速加工的特點(diǎn)

高速加工(High Speed Cutting，簡(jiǎn)稱HSC)通常是指在高于常規(guī)加工速度5～10倍的條件下進(jìn)行的切削加工。在高速加工中，必須根據(jù)不同的加工材料、加工方式、加工工藝、刀具參數(shù)并考慮刀具使用壽命和加工表面質(zhì)量來選擇切削速度。表1為加工不同工件材料時(shí)HSC 銑削與常規(guī)加工的切削速度比較。表2 為采用不同加工方式切削合金鋼時(shí)HSC 與常規(guī)加工的切削速度比較。

表1 加工不同材料時(shí)HSC銑削與常規(guī)加工的切削速度比較

被加工材料	常規(guī)切削速度 (m/min)	HSC切削速度 (m/min)
纖維增強(qiáng)塑料	～800	1200～9000
輕金屬	～800	200～5000
銅合金	～400	1200～45000
鑄鐵	～300	1000～3000
普通工具鋼	～250	700～2000
鈦合金	～80	200～1000
鎳基合金	～20	100～300

表2 加工合金鋼時(shí)HSC 與常規(guī)加工的切削速度比較

加工方式	常規(guī)切削速度 (m/min)	HSC切削速度 (m/min)
鉆削	～100	～200
拉削	～40	～80
精鏜	～10	～300

3 高速加工刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化

高速加工的實(shí)現(xiàn)與刀具材料、刀具幾何形狀、被加工材料及加工參數(shù)等密切相關(guān)。下面以應(yīng)用廣泛的模具材料如鋁合金、工具鋼和鑄鐵的高速加工為例，介紹德國(guó)PTW研究所近年來對(duì)高速加工刀具工藝參數(shù)優(yōu)化研究的成果。

3.1 高速加工鋁合金的刀具工藝參數(shù)優(yōu)化

1) 刀具材料

加工鋁合金時(shí)，可供選擇的刀具材料有硬質(zhì)合金、陶瓷、金屬陶瓷、聚晶金剛石等。硬質(zhì)合金是高速切削鋁材的主要刀具材料。實(shí)際加工中通常使用無涂層的硬質(zhì)合金刀具，這是因?yàn)檩^厚的涂層會(huì)導(dǎo)致刀尖圓弧鈍化，而較薄的涂層則會(huì)在加工時(shí)迅速磨損，均難以起到延長(zhǎng)刀具壽命的作用。由于P系列和M系列硬質(zhì)合金中含有TiC成分，而TiC與鋁的親和性好，不利于切削，因此在粗加工時(shí)宜選用K系列硬質(zhì)合金刀具。陶瓷材料材質(zhì)較輕，常用于大型刀具；陶瓷刀具亦可用于鋁材的高速切削，但Al2O3陶瓷刀具因脆性較大而不常使用。多晶金剛石刀具的使用壽命在相同切削條件下可比硬質(zhì)合金刀具顯著延長(zhǎng)，但昂貴的價(jià)格使其難以得到廣泛使用；在加工Si含量較高的Al-Si合金時(shí)，由于硬質(zhì)合金刀具磨損很快，使用聚晶金剛石刀具則較為經(jīng)濟(jì)。近年來，綜合了聚晶金剛石和硬質(zhì)合金兩者優(yōu)點(diǎn)的CVD 聚晶金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具已得到越來越廣泛的應(yīng)用。

2) 刀具幾何參數(shù)

刀具幾何形狀的選擇取決于鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度和Si成分含量。研究表明，刀具前角和刀尖鈍圓半徑是影響鋁合金加工質(zhì)量的主要因素。刀具后角的選取會(huì)影響刀具剛度，增大后角有利于提高刀具壽命，但會(huì)降低刀刃剛度。為此可采用雙倒棱后角，在增大后角的同時(shí)保證刀具剛度。此外，刀尖圓弧半徑的選擇應(yīng)適當(dāng)，圓弧半徑過大或過小都會(huì)降低刀具使用壽命。整體刀具的螺旋角優(yōu)化值為20°～25°。表3 列出了加工不同鋁合金材料時(shí)刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)值。

表3 加工鋁合金材料的刀具幾何參數(shù)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)值

工件材料	抗拉強(qiáng)度 或Si含量	刀具材料	后角	前角	刃傾角	刀尖圓弧半徑 (mm)
鋁塑合金	Rm<300N/mm2	硬質(zhì)合金	13°～18°	10°～15°	≥25°	0.005～0.01
鋁塑合金	Rm>300N/mm2	硬質(zhì)合金	12°～15°	12°～18°	≥20°	0.005～0.01
鋁鑄鐵合金	Si含量<12%	硬質(zhì)合金	12°	15°	0°	0.01～0.02
鋁鑄鐵合金	Si含量>12%	聚晶金剛石	12°	0°	0°	0.01～0.02

3) 加工工藝參數(shù)

研究表明，適合高速加工鋁合金材料的加工工藝優(yōu)化參數(shù)為：切削速度：≥4000m/min；每齒進(jìn)給量：0.005～0.5mm；進(jìn)給速度：加工Al-Si合金(Si<12%)和鋁銅合金時(shí)vf=1～12m/min，加工Al-Si合金(Si>12%)時(shí)vf=1～8m/min；切削率：加工Al-Si合金( Si< 12%)和鋁銅合金時(shí)為50～90cm3/mm·kW，加工Al-Si合金(Si> 12%)時(shí)為40～70cm3/mm·kW。加工Al-Si合金時(shí)應(yīng)使用冷卻液(10%～15%乳化液，20～40巴)或微量冷卻潤(rùn)滑技術(shù)(MVL，MinimumVolume Lubrication)，合理的冷卻潤(rùn)滑可使刀具壽命提高50%。

4) 加工表面質(zhì)量

影響工件表面加工質(zhì)量的主要因素有：①刀具徑向跳動(dòng)。②刀具磨損：當(dāng)VB>0.2mm時(shí)，加工表面質(zhì)量明顯降低，因此精加工時(shí)必須將刀具磨損量控制在VB<0.2mm 以內(nèi)。③刀具工藝參數(shù)。④冷卻方法：使用刀尖圓弧半徑小于1µm 的人造金剛石刀具并輔以冷卻潤(rùn)滑，可獲得良好的加工表面質(zhì)量(表面粗糙度可達(dá)Ra0.1µm)；采用P系列和K系列超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金刀具(刀尖圓弧半徑2～3µm)加工時(shí)，表面粗糙度分別可達(dá)Ra0.3～0.4µm 和Ra0.4～0.6µm；使用金屬陶瓷刀具得到的加工表面質(zhì)量介于使用硬質(zhì)合金刀具和金剛石刀具之間。⑤與常規(guī)加工類似，高速加工時(shí)進(jìn)給速度對(duì)表面加工質(zhì)量影響較大，但切削速度對(duì)表面加工質(zhì)量影響甚微。
3.2 高速加工工具鋼的刀具工藝參數(shù)優(yōu)化

工具鋼種類繁多，下列優(yōu)化工藝參數(shù)適用于除奧氏體鋼及淬硬鋼外的工具鋼高速加工。

1) 刀具材料

高速加工工具鋼時(shí)，原則上應(yīng)選用熱強(qiáng)度高的P20/30系列涂層硬質(zhì)合金刀具，其加工性能優(yōu)于僅含WC-Co 成分的K 系列硬質(zhì)合金刀具。該刀具采用TiN-PVD涂層，可獲得較長(zhǎng)的使用壽命。

金屬陶瓷刀具因不含WC 成分，擴(kuò)散性較小，亦可獲得較長(zhǎng)的使用壽命，但由于脆性較大，只適于切深和進(jìn)給量較小的精加工時(shí)使用。

氮系陶瓷刀具一般在切削速度大于1600m/in時(shí)使用，且進(jìn)給量應(yīng)控制在硬質(zhì)合金刀具的50%，同時(shí)應(yīng)嚴(yán)格選擇vc、fz、ap、ae等切削參數(shù)值，以避免因刀刃破損降低刀具使用壽命。

加工淬火鋼時(shí)推薦使用CBN刀具，其性能價(jià)格比較合理，加工時(shí)通常應(yīng)選取較小的進(jìn)給量(與使用陶瓷刀具接近)。

2) 刀具幾何參數(shù)

高速加工工具鋼時(shí)最重要的刀具參數(shù)是后角和刀尖圓弧半徑，刀具前角對(duì)加工性能影響不顯著(通常取為0°)。因高速加工時(shí)單位切削力減小，刀具后角可取16°～20°(大于20°后刀具穩(wěn)定性將明顯降低)。對(duì)于硬質(zhì)合金刀具和金屬陶瓷刀具，在進(jìn)給量較小時(shí)(如fz=0.2～0.3mm)可選用鋒利的刃型；在進(jìn)給量較大時(shí)采用倒棱(如0.2×20°)則可改善刀刃保持性；使用陶瓷刀具和CBN刀具時(shí)亦應(yīng)采用刀刃保護(hù)棱。

3) 加工工藝參數(shù)

在200～400m/min切削速度下切削鋼材時(shí)，會(huì)形成較多積屑瘤，嚴(yán)重影響刀具使用壽命。當(dāng)切削速度提高到600m/min以上時(shí)，因排屑速度提高減少了積屑瘤形成的接觸時(shí)間，可使加工條件得以改善。此外，當(dāng)切削速度低于600m/min時(shí)，產(chǎn)生的切削高溫會(huì)加速刀具中的碳化物向被加工材料中擴(kuò)散，從而破壞刀具材料的晶格結(jié)構(gòu)。因此，切削速度600m/min時(shí)的切削溫度常作為切削性能改善的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。此外，刀具壽命與被加工材料性能密切相關(guān)，材料抗拉強(qiáng)度增大會(huì)降低刀具使用壽命。

對(duì)于整體硬質(zhì)合金刀具，每齒進(jìn)給量fz的選擇范圍為0.2～0.3mm。對(duì)于可更換刀片的刀具，目前還難以給出理想的fz優(yōu)化值，由于其fz值遠(yuǎn)大于整體硬質(zhì)合金刀具的fz值，且與其它參數(shù)(特別是ae值)密切相關(guān)，因此其可優(yōu)化范圍很小，這也給其它參數(shù)的優(yōu)化帶來困難。

采用陶瓷刀具和CBN刀具加工時(shí)，工藝參數(shù)的選取與此類似，但進(jìn)給量只能達(dá)到硬質(zhì)合金刀具的50%左右。

4) 加工表面質(zhì)量

當(dāng)切削速度vc=600～800m/min時(shí)，加工表面質(zhì)量最好。隨著切削速度的提高，表面粗糙度值最初變化不大，然后有所下降。表面粗糙度值隨著進(jìn)給量的增加而增大。高速加工鋼材時(shí)，使用冷卻液不僅不能提高加工表面質(zhì)量，反而會(huì)大大降低刀具使用壽命，因此對(duì)鋼材的高速加工一般宜采用干切削，其加工表面質(zhì)量可達(dá)Ra0.1µm。

3.3 高速加工鑄鐵的刀具工藝參數(shù)優(yōu)化

1) 刀具材料

可用于高速加工鑄鐵(灰鑄鐵、球墨鑄鐵)的刀具材料主要有硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、氮化硅陶瓷和CBN等。

對(duì)鑄鐵的高速切削可分為750～1250m/min和1250～4500m/min兩個(gè)速度范圍，但應(yīng)盡可能在較高切削速度范圍內(nèi)加工。在1250～4500m/min速度范圍內(nèi)切削鑄鐵時(shí)，最好使用Si3N4陶瓷刀具或CBN刀具。Si3N4陶瓷刀具的優(yōu)化切削速度為2000m/min，CBN刀具的優(yōu)化切削速度為3000～4500m/min。CBN刀具使用壽命較長(zhǎng)，但價(jià)格昂貴，應(yīng)視具體情況選擇。

若機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及刀具幾何參數(shù)不允許在高于1250m/min的速度下切削，則應(yīng)選用硬質(zhì)合金刀具和金屬陶瓷刀具。研究表明，涂層硬質(zhì)合金刀具與無涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命可相差10倍；金屬陶瓷刀具與無涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命可相差2～3 倍。因此，選用P 系列或K 系列涂層硬質(zhì)合金刀具可獲得較滿意的加工效果(推薦選用P20/30 系列帶TiC/ TiN 多層涂層的硬質(zhì)合金刀具)，刀具的具體選擇則應(yīng)根據(jù)加工材料和加工參數(shù)而定。

2) 刀具幾何參數(shù)

高速切削鑄鐵的刀具幾何參數(shù)與切削工具鋼時(shí)相似，但后角取值應(yīng)在12°左右。硬質(zhì)合金刀具、金屬陶瓷刀具和CBN刀具應(yīng)有10µm 左右的刀尖圓角半徑；陶瓷刀具通常應(yīng)帶有0.1×10°的刀刃保護(hù)棱。

3) 加工工藝參數(shù)

在750～1250m/min切削速度下，可采用硬質(zhì)合金刀具或金屬陶瓷刀具進(jìn)行加工，此時(shí)可選用較大的每齒進(jìn)給量(如fz=0.8mm)，因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)刀具壽命可隨進(jìn)給量的增大而提高；在1250～4500m/min切削速度下，可采用Si3N4陶瓷刀具或CBN刀具進(jìn)行加工，與前一種切削速度范圍相比，此時(shí)每齒進(jìn)給量應(yīng)減小50%左右，由于切削速度高，此時(shí)獲得的進(jìn)給速度仍比前一速度范圍高4～5 倍。

與鋼的高速切削類似，高速加工鑄鐵時(shí)也建議采用干式切削。

4) 加工表面質(zhì)量

一般情況下，加工表面質(zhì)量可隨切削速度及進(jìn)給速度的提高而改善。但在加工鑄鐵時(shí)應(yīng)注意，鑄鐵的縱向和橫向表面粗糙度相差較大，這主要是由加工時(shí)產(chǎn)生的鱗刺造成的(可在粗加工表面觀察到)。加工鑄鐵工件的最終表面粗糙度可達(dá)Ra0.2µm。

3.4 其它材料的高速加工

石墨、纖維增強(qiáng)塑料、鎂合金、銅合金、表面淬火和整體淬火鋼、高合金鋼、鈦合金、鎳基合金等材料也可通過高速切削進(jìn)行加工，但對(duì)這些材料的高速加工仍存在不少技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)有關(guān)切削機(jī)理的研究目前還在繼續(xù)進(jìn)行。

4 結(jié)語

由于高速加工過程及其機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜，目前仍缺少成熟、可靠的加工仿真技術(shù)，因此對(duì)高速加工刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化仍主要依賴于切削試驗(yàn)。由于切削試驗(yàn)條件與實(shí)際加工條件不完全一致，因此試驗(yàn)結(jié)果還需在加工實(shí)踐中進(jìn)一步校驗(yàn)修正。此外，德國(guó)與中國(guó)在使用的加工機(jī)床和刀具材料等方面存在較大差別，因此本文介紹的高速切削刀具工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果僅供國(guó)內(nèi)有關(guān)人員借鑒參考。

我國(guó)在二十世紀(jì)九十年代初期才開始對(duì)高速加工的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，與國(guó)外相比起步較晚，在模具制造領(lǐng)域差距更大。我們應(yīng)立足于我國(guó)的刀具、材料及技術(shù)條件，適當(dāng)借鑒國(guó)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)高速加工技術(shù)的研究及應(yīng)用，迅速提高我國(guó)高速加工技術(shù)水平。