高速切削加工中的刀具技術(shù)

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：2165

高速切削(HSC)加工中，切削線速度高達(dá)普通切削線速度的5～10倍，使機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速常在20000～30000r/min 以上，進(jìn)給速度隨之上升至15～50m/min或更高，并要求進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)加速度、CNC系統(tǒng)的控制速度與功能乃至CAD/CAM系統(tǒng)的速度與功能都相應(yīng)提高增強(qiáng)。
機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)值提高近一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)工藝裝備中運(yùn)動(dòng)部件的物理力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)提出了不同尋常的高要求。本文以下集中討論由此而引起的刀具技術(shù)的革新與發(fā)展。

1 刀具系統(tǒng)的機(jī)械故障與預(yù)防保護(hù)措施


機(jī)械零部件的旋轉(zhuǎn)離心慣性力隨著轉(zhuǎn)速升高以二次方規(guī)律增大，造成生產(chǎn)實(shí)踐中高速切削刀具系統(tǒng)發(fā)生特殊的、不同尋常的機(jī)械故障，主要有以下幾種形式：

















    圖1 刀柄無(wú)法定位和傳遞動(dòng)力

    圖2 刀體(刀盤)爆裂破損

    圖3 刀片緊固裝置發(fā)生位移或破損

    圖4 SK系列刀柄與HSK系列刀柄結(jié)構(gòu)形狀

  1. 如果主軸頭部壁厚差別較大，當(dāng)離心慣性力大幅度增大后，薄壁處剛度低徑向擴(kuò)張量顯著增大，使刀柄徑向晃動(dòng)、無(wú)法定位，同時(shí)可能發(fā)生軸向錯(cuò)位移動(dòng)而深入主軸，如圖1所示。

  2. 如果刀體(刀盤)結(jié)構(gòu)有明顯薄弱之處，在很大的離心慣性力作用下會(huì)發(fā)生爆裂，如圖2所示。

  3. 在離心慣性力作用下，刀片和緊固楔塊可能發(fā)生徑向位移而增大旋轉(zhuǎn)半徑，或者刀片緊固螺釘被剪斷，如圖3 所示。這是高速切削刀具容易發(fā)生的主要機(jī)械故障。


可見(jiàn)，要預(yù)防和避免以上機(jī)械故障，首先要盡可能減小離心慣性力，尤其是不平衡離心慣性力。在此條件下，再進(jìn)一步增強(qiáng)刀具與夾緊裝置的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。離心慣性力分別與旋轉(zhuǎn)質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)半徑的大小成正比，因此對(duì)刀具與夾緊裝置的基本要求是不平衡質(zhì)量小，在工作旋轉(zhuǎn)時(shí)的實(shí)際同軸度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全可靠，保證在高轉(zhuǎn)速下能夠正常工作。HSC 加工中需要采取以下具體措施：

  1. 在制造過(guò)程中，刀具與刀柄夾緊裝置經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的靜、動(dòng)平衡，各自的不平衡質(zhì)量大小必需降低到低于DIN/ISO 1940標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值：

  2. 采用不平衡質(zhì)量小、夾緊力大的液壓彈力夾頭刀柄、熱壓裝配刀柄以及與刀具一體的刀柄：

  3. 必要時(shí)采用全套在線、實(shí)時(shí)可調(diào)動(dòng)平衡刀柄及附件裝置，但其價(jià)格昂貴：

  4. 刀具實(shí)際工作的轉(zhuǎn)速，不超過(guò)刀具與刀柄夾緊裝置制造廠家注明的允許最高轉(zhuǎn)速，必要時(shí)可選用直徑較小的刀具與刀柄夾緊裝置來(lái)提高允許最高轉(zhuǎn)速：

  5. 采用新型的HSK 系列短錐空心刀柄或更先進(jìn)的空心桿刀柄，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的ISO(SK)刀柄，以提高刀具軸向和徑向定位精度、軸向剛度，并具有過(guò)載保護(hù)作用，如圖4所示：

  6. 采取其它有利于提高刀具與夾緊裝置的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施，例如用力鎖緊機(jī)構(gòu)來(lái)增強(qiáng)或代替形狀鎖緊機(jī)構(gòu)：

  7. 安裝防護(hù)罩和防彈玻璃，保護(hù)機(jī)床操作人員不受刀具與夾緊裝置破裂碎片的傷害。


2 刀具材料


高速切削常用的刀片材料，有涂層硬質(zhì)合金、陶瓷、立方氮化硼和金剛石。
碳化鎢(WC)為基的涂層硬質(zhì)合金分為P、M、K 三大類，可用于高速切削各種黑色和有色金屬以及非金屬材料，并且價(jià)格實(shí)惠，應(yīng)用最普遍。主要局限是切削速度不能太高，刀具耐用度較低。
其中涂層材料，主要分為鈦的化合物(TiC，TiN，TiCN，TiAlN，TiNAlOX)和鋁的化合物(Al2O3，AiON)兩大類。實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，可以將兩類涂層材料或者不同的鈦化合物搭配起來(lái)構(gòu)成2層或3層涂層，由內(nèi)向外各層分別具有抗摩擦、防擴(kuò)散、潤(rùn)滑等作用，能夠顯著增強(qiáng)硬質(zhì)合金刀具的切削能力并延長(zhǎng)壽命。如果在TiN或TiAlN硬涂層外覆蓋上二硫化鉬(MoS2)軟涂層，并注意主切削刃不要被覆蓋，可以提高刀具耐用度1至2倍。國(guó)外正在研究釔、釩類新的涂層材料。經(jīng)過(guò)不斷研究改進(jìn)，金剛石薄膜涂層刀片已經(jīng)越來(lái)越多地進(jìn)入市場(chǎng)，并且正在開發(fā)立方氮化硼薄膜涂層刀片。
TiCN基質(zhì)刀片又稱為金屬陶瓷，是一種先進(jìn)的硬質(zhì)合金材料，能夠承受比WC硬質(zhì)合金較高的切削溫度，在高速切削下的耐高溫和耐磨性好、壽命長(zhǎng)，工件加工表面光潔。它化學(xué)穩(wěn)定性高，抗氧化抗擴(kuò)散，幾乎沒(méi)有生成積屑瘤和發(fā)生切屑粘接的危險(xiǎn)，包括切削軟而粘性的材料時(shí)。國(guó)外最近開發(fā)出以純鈷作粘結(jié)劑的金屬陶瓷刀具，可用于加工高速鋼。根據(jù)粗略估計(jì)，金屬陶瓷在日、美等國(guó)的應(yīng)用占全部刀具材料總量的20%以上。它的局限在于性脆，韌性、強(qiáng)度、耐沖擊性均不如WC硬質(zhì)合金，且導(dǎo)熱能力不強(qiáng)，主要用于鋼和鑄鐵小切削深度和小進(jìn)給量的高速精加工。
HSC線速度及轉(zhuǎn)速高，刀具尺寸向小型化發(fā)展。這時(shí)，小直徑棒銑刀、鉆頭的刀刃和刀桿如果采用相同的硬質(zhì)合金材料整體制造，既方便又可以提高刀具的強(qiáng)度和剛度，缺點(diǎn)是成本較高。立方氮化硼(CBN)是一種性能優(yōu)良的人工合成刀具材料，但和金剛石一樣，刀片價(jià)格昂貴，只有用于高速硬切削淬硬鋼時(shí)才能夠顯示出其經(jīng)濟(jì)性。此外，氧化物陶瓷、金屬陶瓷以及某些涂層硬質(zhì)合金刀具材料也可用于硬切削淬硬鋼工件。
另一種超硬刀片材料金剛石(PCD)，適合于高速切削(2500～5000m/min)有色金屬尤其是含硅鋁合金，以及非金屬的復(fù)合地板面料。添加硅元素可以改善鋁合金的澆鑄性能或提高地板的耐磨性，但它對(duì)刀片有很強(qiáng)的磨蝕作用，只有非常耐磨的金剛石特別是單晶金剛石刀片例外。無(wú)論金屬陶瓷、陶瓷、CBN還是PCD，都比WC硬質(zhì)合金脆得多，因此用這些材料制成的刀片不能夠經(jīng)受太大壓力，需要通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加強(qiáng)支撐、合理地分散壓力。

3 緩解刀具壽命下降的工藝措施


隨著切削速度和進(jìn)給速度大幅度提高，HSC加工中刀具的壽命普遍降低，需要從以下各方面采取措施，盡可能減少刀具壽命的降低。

  1. 根據(jù)工件材料選用合適的刀具材料。針對(duì)不同工件材料進(jìn)行的切削試驗(yàn)結(jié)果表明，選用不同刀具材料后其使用壽命差別很大，甚至超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)。本文上節(jié)一般介紹了HSC加工常用的刀具材料及其應(yīng)用范圍。問(wèn)題是工件材料和刀具材料的品種、牌號(hào)、生產(chǎn)廠家均浩繁龐雜，要從中篩選出最優(yōu)的具體組合，只能通過(guò)試驗(yàn)和長(zhǎng)期積累使用經(jīng)驗(yàn)。

  2. 根據(jù)工件材料優(yōu)化刀具幾何參數(shù)。通過(guò)試驗(yàn)切削發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)增大刀刃的后角、盡可能縮短刀具的懸伸長(zhǎng)度以及HSC加工鑄鐵件時(shí)適當(dāng)增大刃口圓弧半徑，都可以提高刀具的相對(duì)壽命。

  3. 根據(jù)工件材料優(yōu)化切削參數(shù)，包括切削速度vc，每齒進(jìn)給量fz和徑向切深。圖5試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著工件-刀具材料組合的變化，以刀具相對(duì)壽命最長(zhǎng)為目標(biāo)的vc、fz和刀具徑向切深最佳數(shù)值也發(fā)生變化，并且它們之間存在一定的牽連關(guān)系。









    圖5 切削參數(shù)對(duì)刀具壽命的影響


  4. 優(yōu)化切削幾何關(guān)系，合理選取球頭銑刀軸線相對(duì)于工件表面法線的傾角bf。圖6球頭銑刀軸線在進(jìn)給平面中沿進(jìn)給方向向前傾斜一定角度實(shí)行拽切(牽拉銑削)時(shí)，刀具的相對(duì)壽命最高，而且可以大大降低已加工表面粗糙度。









    圖6 球頭銑刀軸線傾斜方向


  5. 選取有利的走刀路線。例如圖7中半圓柱曲面，可以采用幾種不同的走刀路線加工出來(lái)。經(jīng)過(guò)試切，選取拽切和順銑結(jié)合的走刀路線時(shí)刀具相對(duì)壽命最高，已加工表面粗糙度也較低，但空刀路程比拽、鉆和順、逆交替銑削的走刀路線長(zhǎng)得多。









    圖7 銑削曲面走刀路線


  6. 采用最小量冷卻潤(rùn)滑。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，切削加工中用于冷卻潤(rùn)滑的開支甚至可能超過(guò)用于刀具的開支。出于節(jié)約和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的考慮，歐美工業(yè)國(guó)家正在大力研究推廣干切削加工技術(shù)，即最小量(<100ml/h)冷卻潤(rùn)滑。例如用TiAlN 涂層整體硬質(zhì)合金鉆頭在X90CrMoV18高合金模具鋼上以1123r/min 的高轉(zhuǎn)速鉆孔，采用最小量冷卻潤(rùn)滑后刀具壽命比完全不用冷卻潤(rùn)滑提高近7倍，進(jìn)一步采取優(yōu)化刀具基質(zhì)材料的措施后刀具壽命提高15倍多，最后加上優(yōu)化刀具幾何參數(shù)和在TiAlN硬涂層上覆蓋MoS2軟涂層兩項(xiàng)措施，刀具壽命總共提高近32倍。


4 激光刀具檢測(cè)系統(tǒng)


在新近引進(jìn)的一臺(tái)5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控高速銑削立式加工中心上，配備了一套激光刀具檢測(cè)系統(tǒng)，能夠在線以非接觸方式測(cè)量刀具的長(zhǎng)度和直徑，檢測(cè)刀具的破損和磨損情況，能夠進(jìn)行溫度補(bǔ)償，能夠?qū)蝹�(gè)切削刃實(shí)行控制，或者對(duì)多個(gè)直線或圓弧切削刃進(jìn)行刀具形狀控制。它的檢測(cè)范圍包括能夠在機(jī)床上安裝使用的所有刀具，即直徑≤125mm，長(zhǎng)度≤300mm，重量≤8kg。系統(tǒng)能夠檢測(cè)的刀具最小直徑為0.03mm，重復(fù)測(cè)量精度可以達(dá)到±1µm。
該激光刀具檢測(cè)系統(tǒng)的硬件簡(jiǎn)單而不顯眼。緊靠機(jī)床正面觀察操作位置左方安放激光發(fā)生器，沿機(jī)床Y軸向后到底的對(duì)面安放檢波器，分別用氣動(dòng)遮板和吹凈裝置來(lái)保護(hù)光學(xué)元件免受冷卻潤(rùn)滑劑和切屑污染。檢測(cè)系統(tǒng)還要求機(jī)床必須配備油霧吸收凈化裝置。系統(tǒng)的硬件通過(guò)纜線及管道連接到機(jī)床CNC控制系統(tǒng)。激光束是波長(zhǎng)為0.67µm 的紅色可見(jiàn)光，輸出功率小于1W。當(dāng)機(jī)床主軸帶著刀具沿X軸向左移動(dòng)到遮擋住70%的激光束時(shí)，檢測(cè)系統(tǒng)便發(fā)信號(hào)給機(jī)床CNC 控制系統(tǒng)，由后者起動(dòng)常駐軟件把光束與刀具接觸點(diǎn)的坐標(biāo)同控制系統(tǒng)刀具數(shù)據(jù)表中的已知值進(jìn)行比較。系統(tǒng)通用的CNC 接口，可以同F(xiàn)anuc、SIEMENS Sinumerik、HEIDENHEIN iTNC 530 等多種主流數(shù)控系統(tǒng)連接。系統(tǒng)具備宏編程功能，可用G 或M 代碼來(lái)指令運(yùn)行大多數(shù)例行的檢測(cè)程序。刀具檢測(cè)位置距離換刀位置很近，便于檢測(cè)后必要時(shí)及時(shí)換刀。
在系統(tǒng)用于檢測(cè)之前，必須按三根坐標(biāo)軸逐一進(jìn)行校準(zhǔn)標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)，先把三個(gè)圓柱形參考銷的已知尺寸作為已知的長(zhǎng)度、高度和半徑尺寸輸入到機(jī)床控制系統(tǒng)的校準(zhǔn)表中，然后分別把參考銷安裝到機(jī)床主軸上，每次用激光束來(lái)測(cè)定一個(gè)空間尺寸。把實(shí)測(cè)的三個(gè)空間尺寸分別同已知的三個(gè)尺寸進(jìn)行比較，二者之間的偏差即是三根軸的偏置量。把這些數(shù)值存放在刀具表中，就可以精確檢測(cè)任何刀具。
該激光刀具檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)精度、效率和自動(dòng)化程度高，檢測(cè)范圍大，功能多，已經(jīng)越來(lái)越多地替代傳統(tǒng)的機(jī)械式對(duì)刀儀。

5 結(jié)束語(yǔ)


高速切削加工涉及材料、驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)、機(jī)床與刀具、控制和數(shù)控、信息、測(cè)試監(jiān)控、工藝、冷卻潤(rùn)滑等眾多領(lǐng)域，是一項(xiàng)綜合技術(shù)或者說(shuō)系統(tǒng)工程。當(dāng)機(jī)床設(shè)備安裝調(diào)試完畢進(jìn)入長(zhǎng)期使用后，刀具將逐漸占據(jù)舉足輕重的地位，從硬件方面作為易損消耗品時(shí)時(shí)不斷地決定或制約高速切削加工的質(zhì)量、效率、成本，需要始終加以關(guān)注研究而不能夠“一勞永逸”。本文表明，高速切削刀具涉及材料、機(jī)械設(shè)計(jì)和制造、工藝、檢測(cè)等多項(xiàng)技術(shù)，同樣表現(xiàn)出綜合性、系統(tǒng)性。

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