超硬材料刀具在高速切削領域的獨占優(yōu)勢

超硬材料刀具在高速切削領域獨占優(yōu)勢，其實際應用與日俱增。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實用化且增長勢頭很猛；PCBN(立方氮化硼聚晶產品)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，應根據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前角，后角要稍大一點，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。由于進行高速切削的旋轉刀具要在很高的轉速下工作，離心力問題非常突出，故要求其刀體結構和刀片夾緊結構應十分可靠，同時需要在動平衡儀上經過嚴格的動平衡，最好能進一步安裝在機床上與主軸組件一起進行動平衡。

    在普通轉速下刀具與主軸間廣泛采用的7：24錐聯結，當高速旋轉時，由于實心錐柄不能像主軸孔那樣受離心力作用發(fā)生“脹大”，兩者之間出現間隙會導致刀具在錐孔內擺動，從而引起刀具的軸向定位誤差和破壞結構的動平衡。為了克服這種聯結高速性能差的缺點，相繼開發(fā)出了一些適合高速切削的聯結方式，如：HSK 工具系統(tǒng)和Capto工具系統(tǒng)。

    下面詳細介紹刀具、刀柄及切削用量的選取。

    1 刀具材料

    要實現高速切削，刀具材料是關鍵。高速切削材料主要有硬質合金、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，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適配性問題，即一種刀具材料與工件材料時性能良好，但加工另一種工件材料時卻不理想，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所加工的工件材料和加工性質來選擇。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，切削溫度達到800℃時，就會失去其硬度。因為金剛石和鐵有很強的化學親和力，在高溫下鐵原子容易與碳原子相互作用使其轉化為石墨結構，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，PCD刀具的壽命是硬質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、硬質合金及其他難加工材料的高速切削。CBN刀具是實現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，由于銑刀和工件之間的關系，尺寸和位置是重要的因素。在選擇刀具時，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，銑刀的刀片是另一個重要因素。在任何一次銑削時如果同時參加切削的刀片數多于一個是優(yōu)點，但同時參加切削的刀片數太多就是缺點。在切削時每一個切削刃不可能同時切削，所要求的功率和參加切削的切削刃多少有關。就切屑形成過程，切削刃負載以及加工結果來說，銑刀相對于工件的位置起到了重要作用。在面銑時，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/每齒進給量，必須正確地確定適合于該工序的銑刀刀齒數。銑刀的齒距是有效切削刃之間的距離�？筛鶕�這個值將銑刀分為3個類型--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度的銑刀主要產生徑向力，作用在進給方向，這意味著被加工表面將不承受過多的壓力，對于銑削結構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，所以產生的壓力比較均衡，對機床功率的要求也比較低，特別適合于銑削產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。這種刀片切削刃強度非常高，由于沿長切削刃方向產生的切屑比較薄，所以適合大的進給量。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生的壓力將取決于切削深度。現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、對機床功率需求較低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。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用。

    相對于工件的進給方向和銑刀的旋轉方向有兩種方式。第一種是順銑，銑刀的旋轉方向和切削的進給方向是相同的，在開始切削時銑刀就咬住工件并切下最后的切屑。第二種是逆銑，銑刀的旋轉方向和切削的進給方向是相反的，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，到切削結束時切削厚度達到最大。

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

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

    在理想狀況下，銑刀直徑應比工件寬度大，銑刀軸心線應該始終和工件中心線稍微離開一些距離。當刀具正對切削中心放置時，極易產生毛刺。切削刃進入切削和退出切削時徑向切削力的方向將不斷變化。機床主軸就可能振動并損壞，刀片可能碎裂而加工表面將十分粗糙。銑刀稍微偏離中心，切削力方向將不再波動——銑刀將會獲得一種預載荷。我們可以把中心銑削比做在馬路中心開車。

    銑刀刀片每一次進入切削時，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，切削刃和工件之間是否能正確咬合是一個重要方向。

 

    在圖a中，銑刀軸心線完全位于工件寬度外側而且在切入時的沖擊力是由刀片最外側的刀尖承受的，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的刀尖上，直到沖擊力卸荷為止。圖b中，銑刀的中心線正好位于工件邊緣線上，當切屑厚度達到最大時刀片脫離切削，在切入切出時沖擊載荷達到最大。圖c中銑刀軸心線位于工件寬度之內，切入時的最初沖擊載荷沿切削刃由距離最敏感刀尖較遠的部位承受，而且在退刀時刀片比較平穩(wěn)的退出切削。

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

    當銑刀軸心線和工件邊緣線重合或接近工件的邊緣線時（圖b），情況將很嚴重。達到較好銑削的總結：

    ①查機床的功率和剛度，以保證所需要的銑刀直徑能夠在機床上使用。

    ②主軸上刀具的懸伸盡可能達到最短。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沒有太多的刀片同時和工件嚙合而引起振動，另一方面在銑削狹窄工件或銑削型腔時要確保有足夠的刀片和工件嚙合。

    ④確保采用每刀片的進給量以便在切屑足夠厚時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用最廣的刀具，尤其是鉆削ф30mm以下的孔時，鉆頭從結構上分為整體式和可轉位刀片鉆頭，由于汽車工業(yè)追求高的生產效率越來越多的臺肩和倒角復合鉆的應用也越來越廣泛。

    許多工件上都需要鉆削一個孔或數個孔，而且今天這些孔大多數都是在數控機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到滿意的效果，需要考慮4個主要因素。

    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、質量和硬度

    ④機床，尤其是加工條件和主軸轉速

    這些因素將影響鉆頭類型的選擇和應用。在所有的加工過程中，工件、機床和工藝系統(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，鉆削工藝起著某些制約作用。最小的可轉位刀片直徑為12.7毫米，

    3、鏜刀

    鏜刀按結構分為整體式、裝夾式和可調式，可調式又分為微調式和差動式。在汽車變速器殼體加工中常用的主要是單刃微調式鏜刀和雙刃粗鏜刀。

    粗鏜刀利用軸向調節(jié)機構，使兩刃高度完全一致，取得理想的平衡狀態(tài)，防止振動。進給螺絲是精鏜頭的命脈，在一些廠家采用配對生產法，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，往往需要將工件反裝，或回轉工作臺，這樣不僅浪費時間，而且很難保證同軸度，在日本BIG公司生產的 EWN精鏜頭只需將刀片反裝即可進行反鏜加工，即保證精度有提高生產效率。對于有高精度要求的孔要求刀桿有高的動平衡效果，在BIG公司生產的高速小孔精鏜頭移動平衡環(huán)，內藏的平衡塊既會移動，根據說明書中的相關數據，將平衡環(huán)轉到相應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，高精度自動倒轉攻螺紋器，最高轉速達6000r/min，不需任何補償作用的剛性攻。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，在大量生產中，因追求高效率，自動倒轉攻螺紋器將有利于生產，但它機構復雜、附件繁多、維修不易、價格昂貴。目前，隨著CNC加工中心使用數量的增加，剛性攻絲將日漸普及。

    使用剛性攻螺紋時，由于加工中心的數控系統(tǒng)控制軸向進給，故絲錐本身不需負擔控制任務，剛性攻螺紋時，絲錐的旋轉速度與機械主軸軸向進給為100%同步，絲錐可夾持在固定刀柄中，不需任何浮動功能。

    攻絲所用刀柄一般為彈性夾緊式。

    5、復合刀具

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