淬硬鋼的高速切削加工

1 前言高速加工大幅度提高了生產(chǎn)率和加工精度，顯著地降低了制造費(fèi)用，簡化了零件制造工藝流程，促進(jìn)了生產(chǎn)模式的變革。在切削鋁合金等輕金屬材料時，高速加工已經(jīng)取得了非常明顯的效果，而對淬硬鋼等難加工材料仍存在許多困難。加工鋁合金的切削速度超過臨界值時，切削力隨切削速度提高而顯著下降；但在加工淬硬鋼時切削力沒有明顯的臨界值，至多是隨切削速度提高，切削力的增加速度減緩。此外，加工淬硬鋼時刀具很容易磨損， 這限制了切削速度不能夠太高。雖然高速加工淬硬鋼不象加工鋁合金那樣可使加工成本顯著降低，但其切削效率和加工質(zhì)量卻比傳統(tǒng)加工（如電火花和手工拋光加工）有了很大的改進(jìn)，這對增強(qiáng)企業(yè)的競爭力無疑是非常重要的。加工淬硬鋼要求切削刀具有很高的硬度和韌性，能夠承受很大的沖擊載荷；另由于切削過程中刀刃切削部分的溫度很高，必須保證涂層在高溫下能與基體牢固地結(jié)合，不致脫落或氧化變質(zhì)。目前，可用于淬硬鋼高速加工的刀具材料有涂層硬質(zhì)合金、超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、陶瓷刀具、CBN、PCBN等。
　　我國陶瓷刀具在高速加工中的應(yīng)用尚處于研發(fā)階段，而且由于陶瓷屬于脆性材料，多用于車削等連續(xù)加工的場合。立方氮化硼硬度很高，而且具有很強(qiáng)的沖擊韌性，但其價格昂貴，不完全適用于生產(chǎn)現(xiàn)場。常用的硬質(zhì)合金刀具基體有WC基、TiC（N）基（金屬陶瓷） 等。與WC基硬質(zhì)合金相比，TiC（N）基具有較好的高溫硬度、刀刃強(qiáng)度高、摩擦系數(shù)小，增加氮的含量可以提高硬度和抗彎強(qiáng)度，因此特別適合于淬硬鋼的加工。此外，可通過細(xì)化晶粒甚至使用納米晶粒硬質(zhì)合金大幅度地提高硬度和韌性，但這些硬質(zhì)合金價格昂貴，還難于推廣應(yīng)用。
　　硬質(zhì)合金涂層刀具使用壽命不及CBN刀具， 但是硬度、韌性都很好，而且價格適中，所以在工廠中得到了較為廣泛的應(yīng)用。涂層刀具是通過5CV和PVD方法在硬質(zhì)合金和高速鋼基體上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物等材料以提高刀具的切削性能。涂層的功能是使刀具和所切削的材料分隔開來，起到減小磨損、減少粘結(jié)和隔熱的作用，以延長刀具的使用壽命。涂層材料視其性能可分為硬涂層（TiN、TiCN、TiAlN、TiAlCN等） 和軟涂層（MoS2、WS2等）。硬涂層具有較高的硬度，軟涂層有很小的摩擦系數(shù)。加工淬硬鋼宜采用硬涂層，其中采用PVD工藝的TiAlN刀具的高速切削性能優(yōu)異，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用較多。采用超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金基體和TiAlN涂層的刀具是目前比較經(jīng)濟(jì)可行的刀具。
　　本文通過正交實驗，分析了加工切削用量和刀具涂層對硬質(zhì)合金刀具高速加工淬硬鋼時的刀具磨損和破損以及表面粗造度的影響；分析了刀具材料、刀具幾何角度和尺寸、切削用量、走刀方式、加工策略優(yōu)選等問題。
　　2 實驗切削實驗在立式加工中心YCM-V85A上進(jìn)行（最高轉(zhuǎn)速8000r/min）， 使用TR240表面粗糙度儀測量表面粗糙度， 用XTD20顯微攝影系統(tǒng)觀察刀具磨損。刀具為STANA整體硬質(zhì)合金TiAlCN涂層平底立銑刀和未涂層立銑刀，直徑有6mm和8mm兩種，改變軸向切深ap， 徑向切深ae進(jìn)行實驗。工件是45號鋼經(jīng)整體淬火， 硬度達(dá)60HRC，部分工件由于材質(zhì)不均，存在硬質(zhì)點(diǎn)。高速切削淬硬鋼時通常不需要冷卻液，采用主軸中心孔噴壓縮冷空氣的方法可有效地進(jìn)行冷卻，實驗采用干切削方式進(jìn)行直線銑槽加工，總加工長度1.5m。
　　3 層刀具加工淬硬鋼的切削性能（1）刀具結(jié)構(gòu)形式硬質(zhì)合金銑刀按刀具結(jié)構(gòu)的形式可分為平底銑刀、球頭銑刀和可轉(zhuǎn)位銑刀等。平底銑刀的刀尖最容易破損，刀具很容易失效。實際應(yīng)用中，在同等條件下球頭銑刀的使用壽命要比平底銑刀長，主要原因是球頭銑刀刀尖沒有象平底銑刀刀尖那樣薄弱，并有利于切削刃上載荷的均勻分布。但是，球頭銑刀的制造比平底銑刀更困難。可轉(zhuǎn)位銑刀的刀片可以根據(jù)加工條件設(shè)計成各種有利于延長刀具壽命的形式，容易實現(xiàn)批量生產(chǎn)，并且可以輪流使用各刀刃來進(jìn)行切削加工；但是要制作這種銑刀，刀具直徑一般要大于8mm，不能用于一些很小的型腔的加工。淬硬零件的粗加工應(yīng)盡可能使用可轉(zhuǎn)位銑刀，精加工選擇整體式球頭銑刀或平底銑刀。
　　（2）刀具磨損及破損實驗結(jié)果表明，整體硬質(zhì)合金涂層平底立銑刀高速加工淬硬鋼時，刀具的失效形式上主要有刀尖破損、非正常破損、切削刃疲勞磨損、涂層燒傷與脫落等。其中刀尖破損最為常見，這是因為刀尖處剛性差，而加工過程中，往往是刀尖先接觸工件。破損以后刀尖附近的涂層被破壞，加快了刀具失效的速度。由于刀尖破損失效在加工淬硬鋼時尤為突出，因此應(yīng)該選擇刀尖剛性較好的刀具結(jié)構(gòu)，如采用底刃與側(cè)刃有圓弧過渡的立銑刀。由于工件在淬火后硬度大大提高，若淬火后工件材質(zhì)不均、有裂紋，將使它的可加工性能大大降低。當(dāng)加工到淬火后出現(xiàn)的局部硬質(zhì)點(diǎn)位置時，切削力會突然變大，容易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象。
　　實驗結(jié)果表明，由于涂層的隔熱作用，涂層刀具要比普通刀具有更好的耐高溫性能。在實驗過程中，當(dāng)?shù)毒咔邢鞯接操|(zhì)點(diǎn)時溫度突然升高，飛出的切屑呈現(xiàn)劇烈火花，切削完成后刀刃依然鋒利，說明實驗用的整體硬質(zhì)合金涂層刀具切削性能良好，利用涂層刀具可以對淬硬鋼進(jìn)行干式高速加工，而且可以獲得較好的表面質(zhì)量（Ra%lt;0.5?m）；而未涂層的硬質(zhì)合立銑刀的加工表面質(zhì)量很差，并且刀具被嚴(yán)重?zé)齻��?
　　影響刀具磨損和破損的主要因素還包括刀具材料、幾何角度和直徑，切削用量和走刀方式等。
　�。�3）刀具角度影響立銑刀切削性能的角度主要有前角、后角、刃傾角（螺旋角）。由于加工淬硬鋼時刀具失效的主要形式為刀尖破損，因此，應(yīng)當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)牡毒呓嵌纫蕴岣叩都獾目箾_擊強(qiáng)度， 如采用較小的前角和后角。某文獻(xiàn)采用TiAlN涂層刀具加工硬度為55HRC以上的淬硬鋼，用不同前角（+15°，+5°，-5°，-15°，）和螺旋角（30°，45°，60°）的刀具切削60HRC的材料，發(fā)現(xiàn)前角為-15°和螺旋角為60°的刀具磨損最小，表明大的螺旋角和負(fù)前角可以減小刀具磨損。
　　對于可轉(zhuǎn)位銑刀， 不同的刀片形狀有不同的刀尖強(qiáng)度，一般刀尖角越大，刀尖強(qiáng)度越大，反之亦然。圓刀片（R型）刀尖角最大，35°菱形刀片（V型）刀尖角最小。加工淬硬鋼時應(yīng)選用刀尖角較大的刀片，由于刀尖角越大切削力越大，要求機(jī)床具有良好的剛性和較大的功率。
　　直徑相同的銑刀，齒數(shù)越多，刀桿的剛性越好，并且可以采用的進(jìn)給速度越大，因此切削效率越高；但是兩條切削刃之間的容屑空間小，排屑性變差。雙齒銑刀適合采用較大的切削深度加工材質(zhì)較軟的工件，而多齒銑刀則適合用小切削深度加工高硬度（如淬硬鋼）材料。
　　（4）刀具直徑刀具直徑越大，刀具的成本也越大。大直徑刀具容易給切削刃提供更大的支撐面，剛性好，因此大直徑刀具比小直徑耐磨。對于兩種涂層立銑刀，在相同的切削參數(shù)和加工長度條件下，？6mm的銑刀刀尖的破損要比？8mm的嚴(yán)重，？8mm的刀具比？6mm的更加耐磨，兩者的加工表面質(zhì)量相差不大。在用小直徑銑刀加工淬硬鋼時，要考慮整個刀桿能承受的最大載荷，因此，用小直徑銑刀時切削深度和進(jìn)給速度一般都很小。由于加工過程的不穩(wěn)定因素（如機(jī)床主軸的不穩(wěn)定性和切削過程中載荷的變化等），使用小直徑銑刀時常常出現(xiàn)斷刀現(xiàn)象。表1 試驗水平 水平 主軸 切削深度ap（mm） 進(jìn)給f（mm/min）轉(zhuǎn)速（r/min） Vc（m/min）1 3000 56 0.02 2502 4000 75 0.03 3003 5000 94 0.04 3504 6000 113 0.05 400刀具：？6mm四刃TiAlCN涂層平底立銑刀，45號鋼淬火60HRC。
　�。�5）切削用量通過對正交實驗結(jié)果的分析，研究了切削用量對工件表面質(zhì)量的影響，如表1所示。表明，在所選的各種試驗水平中，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為6000r/min（Vc=110m/min）， 進(jìn)給f=400mm/min，ac=0.05mm時工件的表面質(zhì)量最好；進(jìn)一步提高這三個參數(shù)還可以降低表面粗糙度，但是此時刀具壽命可能會很低，需作進(jìn)一步研究、試驗。三個因素中，切削速度變化引起Ra的變化范圍的最大，即它對粗糙度的影響最大，其次是進(jìn)給量，而切削深度的影響最小。
　　下面分別討論各種切削用量對加工過程的影響和實際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題：
　　切削速度切削速度是影響刀具壽命的主要原因之一。在傳統(tǒng)的切削加工中，總是先選好切削深度和進(jìn)給速度，再根據(jù)刀具耐用度選擇合適切削速度，就是因為提高切削速度會使刀具壽命大大下降。在高速加工中，當(dāng)切削速度的提高到一定值時，可以使被加工部位先“軟化”再切除，從而使切削力降低或使它的提升減緩，在一定程度上改善了切削條件。確定適當(dāng)?shù)那邢魉俣葘Ω咚偌庸し浅Ｖ匾�，但由于加工淬硬鋼沒有明顯的“臨界速度”， 而且用不同的機(jī)床和刀具加工不同的材料時其值相差很大，目前還沒有完善的高速加工工藝參數(shù)表可供參考，所以工藝人員應(yīng)勇于嘗試并根據(jù)刀具的實際使用情況以優(yōu)選切削速度。日本安田公司采用YASDA YBM-640V進(jìn)行切削試驗獲得了切削速度與刀具壽命的關(guān)系曲線。試驗表明切削硬度為50HRC的材料，Vc=150～200m/min時，刀具壽命較長。
　　進(jìn)給速度高速加工的進(jìn)給速度對刀具壽命、加工效率和加工精度都有著很大的影響。在很高的切削速度下進(jìn)給速度也必須達(dá)到一定水平，不允許有明顯的滯后。過低的進(jìn)給速度不但切削效率低，甚至?xí)�使工件表面和刀具燒傷。然而，�?dāng)進(jìn)給速度太高時，加工表面質(zhì)量會降低，切削力提高，刀具容易磨損甚至出現(xiàn)斷刀現(xiàn)象。
　　切削深度切削深度是提高效率的重要因素。對于提高切削效率，粗加工和精加工的要求不同，粗加工表現(xiàn)為單位時間內(nèi)去除切屑的體積，而精加工為刀具在單位時間內(nèi)切削面積。高速加工提倡的是以較小的切削深度切削同時用很高的進(jìn)給速度提高切削效率，這在精加工時非常適用。但是對粗加工，有時從增大切削深度（尤其是軸向切削深度）來提高效率會更加明顯，而且增加切削深度可以減少進(jìn)刀次數(shù)，對刀具有一定的好處。YASDA機(jī)床的切削試驗表明增大徑向切深可延長刀具壽命。
　　選擇切削用量時，應(yīng)兼顧加工效率和刀具壽命，不能一味地提高切削速度和進(jìn)給速度。如果切削過程刀具磨損很快，或者加工精度達(dá)不到要求，再快的切削速度也沒有用。良好的切削方法應(yīng)對各種因素的影響進(jìn)行綜合考慮。如日本的福井雅彥教授提出的“Fukui Climbing”切削法，這種方法主要用于深腔的粗加工，切削速度不是很高，主要利用平底銑刀的側(cè)刃來銑削，切削過程采用較大的軸向切削深度和較小的徑向切削深度，這種切削方法減少刀尖與工件的接觸時間，充分利用了側(cè)刃的銑削功能， 從而降低刀具因刀尖破損而報廢損失，提高了切削效率。
　�。�6）走刀方式走刀路徑不合適是引起刀具非正常破損的主要原因。在高速加工淬硬鋼時必須使切削過程盡量平穩(wěn)，走刀方向突然改變和載荷的突然增加都可能使刀具破損。良好的走刀路徑可有效地延長刀具的使用壽命和提高加工效率。余擺線式走刀和螺旋走刀是兩種較優(yōu)的高速銑走刀方法。余擺線式走刀主要用于加工溝槽類型腔，采用直徑小于槽寬的銑刀沿余擺線走刀可避免刀具以全刀寬切入工件，有效地減小了加工淬硬鋼的切削力及刀具與工件的接觸面， 延長刀具壽命； 螺旋走刀是一種連續(xù)的走刀方式，除了可以提供更為平穩(wěn)的刀具路徑外，還避免了在環(huán)切中的環(huán)間移刀和等高加工時的層間移刀，大大地減少了切入切出和走拐角時加減速的次數(shù)，故高速加工淬硬鋼時應(yīng)盡量采用螺旋走刀。受CNC機(jī)床加工工藝條件的限制，一些特殊型面的加工很難由CNC機(jī)床完成，如窄槽和幾個平面相交出現(xiàn)尖角（銳角）的地方，刀具切削刃難以到達(dá)，另外窄槽加工也存在難點(diǎn)。對這些型面應(yīng)在零件設(shè)計時盡量避免，必須采用的時候可用電火花加工和線切割來完成。 
　　4 結(jié)論涂層刀具是目前高速加工淬硬鋼比較經(jīng)濟(jì)可行的刀具，高速加工淬硬鋼時刀具的主要失效形式為刀尖破損，應(yīng)當(dāng)選擇適當(dāng)?shù)牡毒呓嵌�，如大的螺旋角、較小的前角和后角以及刀尖（刀刃）的剛性較好的涂層刀具。切削速度變化對粗糙度的影響最大，其次是進(jìn)給量，切削深度的影響最小。高速加工淬硬鋼的切削用量因工件和刀具而異，應(yīng)兼顧加工效率和刀具壽命。在選擇高速加工淬硬鋼走刀方式時應(yīng)盡量使切削過程平穩(wěn)，盡量采用螺旋走刀。