超硬材料刀具在高速切削領(lǐng)域的獨(dú)占優(yōu)勢

超硬材料刀具在高速切削領(lǐng)域獨(dú)占優(yōu)勢，其實(shí)際應(yīng)用與日俱增。在這類刀具中PCD（聚晶金剛石）刀具是高速切削鋁合金和非金屬材料的最佳選擇，而金剛石涂層刀具則不僅已經(jīng)實(shí)用化且增長勢頭很猛；PCBN(立方氮化硼聚晶產(chǎn)品)刀具適于以更高速度切削鑄鐵、淬硬鋼等材料，CBN(立方氮化硼)涂層刀具也有望在近期取得重大技術(shù)突破。

    為了使高速切削刀具有足夠的使用壽命和低的切削力，應(yīng)根據(jù)不同的工件材料選擇最佳的刀具幾何角度。與普通切削相比，高速切削刀具前角一般要小一些甚至是負(fù)前角，后角要稍大一點(diǎn)，且常采用修圓或倒角刀尖來增大刀前角，以防止刀尖處的熱磨損。由于進(jìn)行高速切削的旋轉(zhuǎn)刀具要在很高的轉(zhuǎn)速下工作，離心力問題非常突出，故要求其刀體結(jié)構(gòu)和刀片夾緊結(jié)構(gòu)應(yīng)十分可靠，同時(shí)需要在動(dòng)平衡儀上經(jīng)過嚴(yán)格的動(dòng)平衡，最好能進(jìn)一步安裝在機(jī)床上與主軸組件一起進(jìn)行動(dòng)平衡。

    在普通轉(zhuǎn)速下刀具與主軸間廣泛采用的7：24錐聯(lián)結(jié)，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于實(shí)心錐柄不能像主軸孔那樣受離心力作用發(fā)生“脹大”，兩者之間出現(xiàn)間隙會(huì)導(dǎo)致刀具在錐孔內(nèi)擺動(dòng)，從而引起刀具的軸向定位誤差和破壞結(jié)構(gòu)的動(dòng)平衡。為了克服這種聯(lián)結(jié)高速性能差的缺點(diǎn)，相繼開發(fā)出了一些適合高速切削的聯(lián)結(jié)方式，如：HSK 工具系統(tǒng)和Capto工具系統(tǒng)。

    下面詳細(xì)介紹刀具、刀柄及切削用量的選取。

    1 刀具材料

    要實(shí)現(xiàn)高速切削，刀具材料是關(guān)鍵。高速切削材料主要有硬質(zhì)合金、涂層刀具、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金剛石刀具。它們各有優(yōu)點(diǎn)，適合不同的工件材料和不同的切削速度范圍。必須注意的是刀具材料和工件材料副之間有一個(gè)適配性問題，即一種刀具材料與工件材料時(shí)性能良好，但加工另一種工件材料時(shí)卻不理想，換句話說，不存在一種萬能刀具材料可適用于所有工件材料的高速加工。

    高速切削刀具材料必須根據(jù)所加工的工件材料和加工性質(zhì)來選擇。一般而言，陶瓷刀具、涂層刀具及CBN刀具適合于加工鋼鐵等黑色金屬的高速加工；PCD刀具適合于對鋁、鎂、銅等有色金屬高速加工。表中列出了上述刀具材料所適合加工的一些工件材料。

 

    陶瓷刀具已應(yīng)用于加工各種鑄鐵、鋼件、熱噴涂噴焊材料、鎳基高溫合金等。

    金剛石刀具適合于加工非金屬材料、有色金屬及其合金。由于金剛石的熱穩(wěn)定性差，切削溫度達(dá)到800℃時(shí)，就會(huì)失去其硬度。因?yàn)榻饎偸�和鐵有很強(qiáng)的化學(xué)親和力，在高溫下鐵原子容易與碳原子相互作用使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，刀具極容易損壞，因此金剛石刀具不適合于加工鋼鐵類材料，在切削有色金屬時(shí)，PCD刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十甚至幾百倍。

    立方碳化硼刀具既能勝任淬硬鋼、軸承鋼、高速鋼、冷硬鑄鐵的粗、精車，又能勝任高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金及其他難加工材料的高速切削。CBN刀具是實(shí)現(xiàn)以車代磨的最佳刀具之一。

    2 刀具

    以下介紹在加工中心上加工殼體常用刀具。

    1、銑刀

    在面銑時(shí)，由于銑刀和工件之間的關(guān)系，尺寸和位置是重要的因素。在選擇刀具時(shí)，工件的寬度決定銑刀的直徑。對于加工小件而言，一般刀具直徑比工件大30%是比較理想的，但是機(jī)床功率和穩(wěn)定性在許多情況下起決定作用。面銑常常需要幾次走刀才能完成。

    在優(yōu)化銑削效果時(shí)，銑刀的刀片是另一個(gè)重要因素。在任何一次銑削時(shí)如果同時(shí)參加切削的刀片數(shù)多于一個(gè)是優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)參加切削的刀片數(shù)太多就是缺點(diǎn)。在切削時(shí)每一個(gè)切削刃不可能同時(shí)切削，所要求的功率和參加切削的切削刃多少有關(guān)。就切屑形成過程，切削刃負(fù)載以及加工結(jié)果來說，銑刀相對于工件的位置起到了重要作用。在面銑時(shí)，用一把比切削寬度大約大30%的銑刀并且將銑刀位置在接近于工件的中心，那么切屑厚度變化不大。在切入切出的切屑厚度比在中心切削時(shí)的切削厚度稍稍薄一些。

    為了確保使用足夠高的平均切屑厚度/每齒進(jìn)給量，必須正確地確定適合于該工序的銑刀刀齒數(shù)。銑刀的齒距是有效切削刃之間的距離。可根據(jù)這個(gè)值將銑刀分為3個(gè)類型--密齒銑刀、疏齒銑刀、特密齒銑刀。

    和銑削的切屑厚度有關(guān)的還有面銑刀的主偏角。主偏角是刀片主切削刃和工件表面之間的夾角，主要有45度、90度角和圓形刀片。切削力的方向變化隨著主偏角的不同將發(fā)生很大的變化：主偏角為90度的銑刀主要產(chǎn)生徑向力，作用在進(jìn)給方向，這意味著被加工表面將不承受過多的壓力，對于銑削結(jié)構(gòu)較弱的工件是比較可靠。

    主偏角為45度的銑刀其徑向切削力和軸向大致是相等的，所以產(chǎn)生的壓力比較均衡，對機(jī)床功率的要求也比較低，特別適合于銑削產(chǎn)生崩碎切屑的短屑材料工件。

    圓形刀片的銑刀意味著主偏角從0度到90度連續(xù)變化，這主要取決于切削深度。這種刀片切削刃強(qiáng)度非常高，由于沿長切削刃方向產(chǎn)生的切屑比較薄，所以適合大的進(jìn)給量。沿刀片徑向切削力的方向在不斷改變，而且在加工過程中所產(chǎn)生的壓力將取決于切削深度�，F(xiàn)代刀片幾何槽形的研制使圓形刀片具有平穩(wěn)的切削效應(yīng)、對機(jī)床功率需求較低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。今天，它已不再是一種有效的粗銑刀，在面銑和立銑中都有廣泛的應(yīng)用。

    相對于工件的進(jìn)給方向和銑刀的旋轉(zhuǎn)方向有兩種方式。第一種是順銑，銑刀的旋轉(zhuǎn)方向和切削的進(jìn)給方向是相同的，在開始切削時(shí)銑刀就咬住工件并切下最后的切屑。第二種是逆銑，銑刀的旋轉(zhuǎn)方向和切削的進(jìn)給方向是相反的，銑刀在開始切削之前必須在工件上滑移一段，以切削厚度為零開始，到切削結(jié)束時(shí)切削厚度達(dá)到最大。

    在三面刃銑刀、某些立銑或面銑時(shí)，切削力有不同方向。面銑時(shí)，銑刀正好在工件的外側(cè)，切削力的方向更應(yīng)特別注意。順銑時(shí)，切削力將工件壓向工作臺(tái)，逆銑時(shí)切削力使工件離開工作臺(tái)。

    由于順銑的切削效果最好，通常首選順銑，只有當(dāng)機(jī)床存在螺紋間隙問題或者有順銑解決不了的問題時(shí)，才考慮逆銑。

    在理想狀況下，銑刀直徑應(yīng)比工件寬度大，銑刀軸心線應(yīng)該始終和工件中心線稍微離開一些距離。當(dāng)?shù)毒哒龑η邢髦行姆胖脮r(shí)，極易產(chǎn)生毛刺。切削刃進(jìn)入切削和退出切削時(shí)徑向切削力的方向?qū)⒉粩嘧兓�。機(jī)床主軸就可能振動(dòng)并損壞，刀片可能碎裂而加工表面將十分粗糙。銑刀稍微偏離中心，切削力方向?qū)⒉辉俨▌?dòng)——銑刀將會(huì)獲得一種預(yù)載荷。我們可以把中心銑削比做在馬路中心開車。

    銑刀刀片每一次進(jìn)入切削時(shí)，切削刃都要承受沖擊載荷，載荷大小取決于切屑的橫截面、工件材料和切削類型。切入切出時(shí)，切削刃和工件之間是否能正確咬合是一個(gè)重要方向。

 

    在圖a中，銑刀軸心線完全位于工件寬度外側(cè)而且在切入時(shí)的沖擊力是由刀片最外側(cè)的刀尖承受的，這將意味著最初的沖擊載荷由刀具最敏感的部位承受。銑刀最后也是以刀尖離開工件，也就是說刀片從開始切削到離開，切削力一直作用在最外側(cè)的刀尖上，直到?jīng)_擊力卸荷為止。圖b中，銑刀的中心線正好位于工件邊緣線上，當(dāng)切屑厚度達(dá)到最大時(shí)刀片脫離切削，在切入切出時(shí)沖擊載荷達(dá)到最大。圖c中銑刀軸心線位于工件寬度之內(nèi)，切入時(shí)的最初沖擊載荷沿切削刃由距離最敏感刀尖較遠(yuǎn)的部位承受，而且在退刀時(shí)刀片比較平穩(wěn)的退出切削。

    對于每一個(gè)刀片來說，當(dāng)要退出切削時(shí)切削刃離開工件的方式是重要的。接近退刀時(shí)剩余的材料可能使刀片間隙多少有所減少。當(dāng)切屑脫離工件時(shí)沿刀片前刀面將產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)拉伸力并且在工件上常常產(chǎn)生毛刺。這個(gè)拉伸力在危險(xiǎn)情況下危及切屑刃安全。

    當(dāng)銑刀軸心線和工件邊緣線重合或接近工件的邊緣線時(shí)（圖b），情況將很嚴(yán)重。達(dá)到較好銑削的總結(jié)：

    ①查機(jī)床的功率和剛度，以保證所需要的銑刀直徑能夠在機(jī)床上使用。

    ②主軸上刀具的懸伸盡可能達(dá)到最短。圖銑刀軸線與工件位置對沖擊載荷的影響

    ③采用適合于該工序的正確的銑刀齒距以確保在切削時(shí)沒有太多的刀片同時(shí)和工件嚙合而引起振動(dòng)，另一方面在銑削狹窄工件或銑削型腔時(shí)要確保有足夠的刀片和工件嚙合。

    ④確保采用每刀片的進(jìn)給量以便在切屑足夠厚時(shí)能獲得正確的切削效果從而減小刀具磨損。采用正前角槽形的可轉(zhuǎn)位刀片，從而獲得平穩(wěn)的切削效果以及最低的功率。

    ⑤選用適合于工件寬度的銑刀直徑。

    ⑥選用正確的主偏角。

    ⑦正確的放置銑刀。

    ⑧僅僅在必要時(shí)使用切削液。

    ⑨遵循刀具保養(yǎng)及維修的規(guī)則并且監(jiān)控刀具磨損。

    2、鉆頭

    鉆頭是孔加工刀具中應(yīng)用最廣的刀具，尤其是鉆削ф30mm以下的孔時(shí)，鉆頭從結(jié)構(gòu)上分為整體式和可轉(zhuǎn)位刀片鉆頭，由于汽車工業(yè)追求高的生產(chǎn)效率越來越多的臺(tái)肩和倒角復(fù)合鉆的應(yīng)用也越來越廣泛。

    許多工件上都需要鉆削一個(gè)孔或數(shù)個(gè)孔，而且今天這些孔大多數(shù)都是在數(shù)控機(jī)床和加工中心上加工。從原理上講，有許多不同類型的孔，在這些孔之間最普遍的差異是配合間隙。這些孔包括螺紋孔、有極好配合要求的孔、管道孔以及為去除重量而加工出的孔等。這些孔是通孔或者是盲孔，對切削刀具和方法有不同的要求。

    在鉆削過程中，為了以有效的方法達(dá)到滿意的效果，需要考慮4個(gè)主要因素。

    ①直徑和孔深的比值

    ②被加工孔需要的精度和表面粗糙度

    ③工件材料類型、質(zhì)量和硬度

    ④機(jī)床，尤其是加工條件和主軸轉(zhuǎn)速

    這些因素將影響鉆頭類型的選擇和應(yīng)用。在所有的加工過程中，工件、機(jī)床和工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性是最重要的。在考慮什么類型的鉆頭適用于加工工序時(shí)，鉆削工藝起著某些制約作用。最小的可轉(zhuǎn)位刀片直徑為12.7毫米，

    3、鏜刀

    鏜刀按結(jié)構(gòu)分為整體式、裝夾式和可調(diào)式，可調(diào)式又分為微調(diào)式和差動(dòng)式。在汽車變速器殼體加工中常用的主要是單刃微調(diào)式鏜刀和雙刃粗鏜刀。

    粗鏜刀利用軸向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，使兩刃高度完全一致，取得理想的平衡狀態(tài)，防止振動(dòng)。進(jìn)給螺絲是精鏜頭的命脈，在一些廠家采用配對生產(chǎn)法，將螺絲與螺母間的齒隙限制在最小，獲得最高的可靠性。在鏜背面的孔時(shí)，往往需要將工件反裝，或回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，這樣不僅浪費(fèi)時(shí)間，而且很難保證同軸度，在日本BIG公司生產(chǎn)的 EWN精鏜頭只需將刀片反裝即可進(jìn)行反鏜加工，即保證精度有提高生產(chǎn)效率。對于有高精度要求的孔要求刀桿有高的動(dòng)平衡效果，在BIG公司生產(chǎn)的高速小孔精鏜頭移動(dòng)平衡環(huán)，內(nèi)藏的平衡塊既會(huì)移動(dòng)，根據(jù)說明書中的相關(guān)數(shù)據(jù)，將平衡環(huán)轉(zhuǎn)到相應(yīng)的位置既可使鏜頭處于平衡狀態(tài)。

    4、攻絲

    在加工中心上有兩種攻螺紋方式，高精度自動(dòng)倒轉(zhuǎn)攻螺紋器，最高轉(zhuǎn)速達(dá)6000r/min，不需任何補(bǔ)償作用的剛性攻。這兩種攻螺紋的方式各有優(yōu)劣，因此依照加工要求而選擇，在大量生產(chǎn)中，因追求高效率，自動(dòng)倒轉(zhuǎn)攻螺紋器將有利于生產(chǎn)，但它機(jī)構(gòu)復(fù)雜、附件繁多、維修不易、價(jià)格昂貴。目前，隨著CNC加工中心使用數(shù)量的增加，剛性攻絲將日漸普及。

    使用剛性攻螺紋時(shí)，由于加工中心的數(shù)控系統(tǒng)控制軸向進(jìn)給，故絲錐本身不需負(fù)擔(dān)控制任務(wù)，剛性攻螺紋時(shí)，絲錐的旋轉(zhuǎn)速度與機(jī)械主軸軸向進(jìn)給為100%同步，絲錐可夾持在固定刀柄中，不需任何浮動(dòng)功能。

    攻絲所用刀柄一般為彈性夾緊式。

    5、復(fù)合刀具

    為了保持高效率，我們必須使“在切削”時(shí)間最大化，使沒有花在實(shí)際切削方式下的相關(guān)時(shí)間最小化。在刀具方面，如何使在切削時(shí)間最短，那就是復(fù)合刀具，一把刀具的工作過程為換刀—刀具或工作臺(tái)的快速移動(dòng)—切削速度移動(dòng)—快速退回?fù)Q刀點(diǎn)，如果將兩把刀具復(fù)合，則可節(jié)省一把刀具的換刀時(shí)間、快速移動(dòng)時(shí)間和切削開始前3-5毫米的安全距離。主要的復(fù)合刀具有鉆孔倒角復(fù)合刀具、粗鏜與倒角復(fù)合鏜刀。但是刀具是否復(fù)合必須經(jīng)過計(jì)算或試驗(yàn)，以加工時(shí)間最短為標(biāo)準(zhǔn)。