分析高速切削加工刀具技術(shù)的選擇

　　高速加工的定義

　　高速加工，就是采用超硬材料的刀具，通過(guò)極大地提高切削速度和進(jìn)給速度，來(lái)提高材料切除率、加工精度和加工表面質(zhì)量的一種現(xiàn)代加工技術(shù)，即以較快的生產(chǎn)節(jié)拍對(duì)零件進(jìn)行加工。高速加工的一個(gè)生產(chǎn)節(jié)拍一般包括：零件送進(jìn)→定位夾緊→刀具快進(jìn)→刀具工進(jìn)→刀具快退→工具松開(kāi)、卸下零件→質(zhì)量檢測(cè)等七個(gè)基本生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

　　在高速加工中，高速主要體現(xiàn)在刀具快進(jìn)、工進(jìn)及快退 3 個(gè)環(huán)節(jié)上。

　　一般主軸轉(zhuǎn)速≥ 8 000r/min，最高可達(dá)到：10 000 r/min~150 000 r/min ； 進(jìn)給速度超過(guò) 40 m/min，為普通切削的 5 倍 ~10 倍；轉(zhuǎn)速特征值達(dá)到 0.5~200×106，換刀時(shí)間：3s~5s，最快可以達(dá)到 0.7s~1.5s。高速加工切削速度隨加工方法不同有所不同，也隨加工材料不同而不同。例如 ：車(chē)削： 700m/min~7000m/min, 銑削：300m/min~6 000m/min，鋁合金：1 000m/min~7 000m/min，鑄鐵：800m/min~3 000m/min。

　　高速切削加工刀具技術(shù)的選擇

　　刀具作為高速切削加工技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵因素，它對(duì)產(chǎn)品加工效率、生產(chǎn)成本、加工質(zhì)量等都具有直接的影響。在生產(chǎn)加工過(guò)程中，刀具不僅要承受高切削力、高溫、振動(dòng)、沖擊等載荷，而且還應(yīng)具有良好的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，即具有高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨性、抗氧化能力強(qiáng)和抗沖擊能力強(qiáng)等特性。

　　此外，與傳統(tǒng)切削加工相比 ，由于高速切削速度高 ，導(dǎo)致前刀面摩擦力增大，使刀具接觸面溫度增高，要求刀具具有高熔點(diǎn)、高耐熱性、抗熱沖擊性能、高溫力學(xué)性能等。同時(shí) ，為了保證高速切削的加工要求，在刀具材料選定后，應(yīng)選擇合理的刀具裝夾結(jié)構(gòu)、刀具幾何參數(shù)，同時(shí)考慮刀具的安全性。

　　刀具材料選擇

　　根據(jù)高速切削刀具的作業(yè)強(qiáng)度，其刀具材料應(yīng)具備以下幾個(gè)性能：

　　1）高硬度和高韌性，能夠承受刀具高速回轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的沖擊和振動(dòng)，不發(fā)生崩刃和斷裂現(xiàn)象 ；

　　2）高耐熱性，能夠承受刀具高速作業(yè)過(guò)程的高溫，并具有較強(qiáng)的抗氧化能力。

　　3）高耐磨性，保證刀具在高速切削中，不易形成鋸齒形和厚度變化的斷續(xù)切屑，有效防止刀具的動(dòng)平衡性破壞，而導(dǎo)致刀具加速磨損。

　　除了以上性能之外，還要求刀具材料必須具備抗熱沖擊性、抗斷裂和塑性變形的能力。目前高速刀具材料主要以涂層硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、非金屬陶瓷、CBN 為主。其中采用TiC 為基體的金屬陶瓷化學(xué)穩(wěn)定性比較好，且具有耐氧化性、耐磨性和抗粘結(jié)性，適合模具鋼加工；以 SiN 陶瓷、Ti 基陶瓷、TiCN 涂層為材料的高速硬質(zhì)刀具適合加工高強(qiáng)度鑄鐵件及精鍛結(jié)構(gòu)鋼件；采用聚晶金剛石（PCD）、超細(xì)硬質(zhì)合金刀具適合加工鑄鋁合金件；采用高粉末 Co 冶金表面涂覆的高速鋼整體拉刀、滾刀適用于加工各種精鍛鋼件、鑄鐵件；金屬陶瓷硬度和抗斷裂性與硬質(zhì)合金基本相當(dāng)，但導(dǎo)熱系數(shù)卻不及硬質(zhì)合金的 1/10，且具有優(yōu)異的抗粘結(jié)性、耐氧化性和耐磨性，比較適合于模具鋼加工。

　　涂層硬質(zhì)合金由于耐磨性好，且能很好的保持刃口形狀 ，使零件有高的精度和表面加工質(zhì)量，如聚晶金剛石或金剛石涂層刀具常用于加工有色金屬或非金屬材料。  

　　刀具裝夾結(jié)構(gòu)的選擇

　　高速切削加工在對(duì)切削刀具的剛性和高機(jī)械性能具有很高要求的同時(shí)，對(duì)刀具的裝夾力與裝夾精度也有比較高的要求。刀具系統(tǒng)中，裝夾刀柄與刀具組成了一個(gè)完整的刀具體。在刀具高速旋轉(zhuǎn)加工過(guò)程中 ，由于離心力及震動(dòng)的影響 ，刀具系統(tǒng)可能導(dǎo)致振動(dòng)或傾斜 ，使加工精度降低，刀具磨損加劇 ，降低機(jī)床使用壽命。這就要求刀具系統(tǒng)有高的幾何精度、裝夾剛度和裝夾定位精度。而普通切削加工中大多采用 7:24 錐度單面夾持刀柄系統(tǒng)，這類(lèi)常規(guī)刀柄在高速切削時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)剛性不夠、重復(fù)定位精度不穩(wěn)定、不利于快速換刀等現(xiàn)象。

　　為了提高剛性和裝夾精度，目前國(guó)外普遍采用 1:10 錐度的 HSK 空心刀柄，它主要依靠空心薄壁的徑向膨脹量保持與主軸內(nèi)錐孔變形來(lái)實(shí)現(xiàn)夾緊 ，采用小錐面的夾緊力提高接口承載能力及良好的定位作用，具有換刀快、重復(fù)定位精度高等優(yōu)點(diǎn)。如山特維克可樂(lè)滿公司的刀柄系統(tǒng)。

　　刀具幾何參數(shù)選擇

　　刀具材料選定后 ，刀具幾何參數(shù)的選擇會(huì)直接影響到刀具壽命及切削速度 ，一般來(lái)說(shuō)應(yīng)選擇高強(qiáng)度的刀片。對(duì)圓刀片和球頭銑刀 ，注意有效直徑的概念。與普通切削不同 ，高速切削時(shí)刀具的前角應(yīng)小 10°，后角應(yīng)大 5°~8°。由于后角在高速切削時(shí)的進(jìn)給速度高 ，為了減少刀具與工件之間的摩擦 ，后角選擇 120°以上 ；為了減少切屑流出阻力和降低刀具的磨損 ，刀具前角選擇 120°左右；刃傾角影響切屑的方向和切削力的大小，一般刃傾角選擇為 150°~100°，這樣以減小切削時(shí)刀具的磨損，提高刀具的使用壽命。