高速切削工艺技术
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我国在20世纪90年代开始重视高速切削技术的研究,一批高等院校在难加工材料高速切削、先进陶瓷刀具、高速切削机床、直线电机、高速车铣等技术领域开展了大量研究。到90年代后期,许多企业开始引进国外高速切削机床,在生产中进行了高速切削技术的实际应用。

1.高速切削关键技术与应用

(1) 高速切削的关键技术 根据1992年国际生产工程研究会(CIRP)年会主题报告的定义,高速切削指切削速度超过传统切削速度5-10倍的切削加工。因此,根据加工材料的不同和加工方式的不同,高速切削的切削速度范围也不同。高速切削包括高速铣削,高速车削,高速钻孔,高速车铣等,但绝大部分应用是高速铣削。目前,加工铝合金已达到 2,000-7,500m/min;铸铁为900-5,000m/min;钢为 600-3,000m/min;耐热镍基合金达500m/min;钛合金达150-1,000m/min;纤维增强塑料为 2,000-9,000m/min。
实现高速切削,必须考虑下列关键技术:
  1. 高速切削机床 具有高主轴转速、高动态的进给驱动,大的功率,主轴和床身良好的刚性,优良的吸振特性和隔热性能,快速的CNC控制性能,可靠的安全防护等等。
  2. 高速切削刀具 具有良好的耐磨性和高的强度韧性的先进刀具材料,优良的刀具涂层技术,合理的几何结构参数,高度动平衡的刀具系统,安全可靠的夹紧方式,高同心度的刀刃精度质量等等。
  3. 高速切削工艺 优化的高速加工参数,合适高速切削的加工走刀方式,专门的CAD/CAM编程策略,充分冷却润滑并具有环保特性的冷却方式等等。
由此可见,高速切削是一项综合技术,企业在购置合适的高速切削机床后,必须根据产品的材料和结构特点,选择合适的切削刀具,采用最佳的切削工艺,以达到理想的高速加工效果。
(2)高速切削技术的应用领域 高速切削的先进性表现在其适用领域内,可以应对激烈的市场竞争对效率和成本越来越高的要求;可以满足越来越高的加工质量要求和越来越复杂的三维曲面形状精密加工要求;提供了解决硬材料、薄壁件加工问题的新方案。
高速切削的应用越来越广泛,如:飞机的蜂窝结构件必须采用高速铣削技术才能保证加工质量,梁、框、壁板等零件加工余量特别大,高速铣削可提高生产率,发动机的叶片采用高速铣削可解决材料难加工问题,等等;绝大部分模具均适用高速铣削技术,如锻模、压铸模、注塑与吹塑模等,锻模腔体较浅,刀具寿命较长;压铸模尺寸适中,生产率较高,注塑与吹塑模一般尺寸较小,比较经济。加工模具的石墨电极和铜电极也非常适用高速铣削;高速铣削也适用于模具的快速原型制造;电子产品中的薄壁结构加工尤其需要高速加工。汽车发动机零件也是高速铣削的应用领域。此外,高速铣削也可用于原型制造。表1按其技术优点列出了高速铣削的一些应用范围。
表1 高速铣削应用范围
技术优点应用领域事例
高去除率轻合金、钢和铸铁航空航天产品、工具、模具制造
高表面质量精密加工、特殊工件光学零件、精细零件、旋转压缩机
小切削力薄壁件航空航天工业、汽车工业、家用设备
高激振频率避共振频率加工精密机械和光学工业
切屑散热热敏感工件精密机械、镁合金加工

2.高速切削刀具

(1)高速切削刀具材料 高速切削刀具材料主要有硬质合金、涂层刀具、金属陶瓷、陶瓷、立方氮化硼(CBN)和金刚石刀具。高速铣削中最常用的刀具材料是硬质合金、涂层刀具和金属陶瓷。硬质合金高速铣刀通常采用细晶粒或超细晶粒硬质合金(晶粒尺寸0.2-1µm)。涂层刀具在高速铣削中占很大比例,基体以硬质合金为主,通常采用多层复合涂层,如:TiCN+Al2O3+TiN,TiCN+Al2O3,TiCN+Al2O3+HfN,TiN+Al2O3,TiCN,TiB2,TiAlN/TiN和TiAlN等。金属陶瓷主要有高耐磨性的TiC基金属陶瓷(TiC+Ni/Mo),高韧性 TiC基金属陶瓷(TiC+TaC+WC+Co),增强型 TiCN基金属陶瓷(TiCN+bC),相比硬质合金改善了刀具的高温性能,适合高速加工合金钢和铸铁。高速车削中陶瓷刀具也是良好的刀具材料,Al2O3基陶瓷刀具硬度较高,适合高速车削钢件;Si3N4基陶瓷刀具强度和韧性较高,适合高速车削铸铁;Al2O3+Si3N4(Sialon)复合陶瓷刀具有高的强度和韧性,以及抗热冲击的能力,适合高速切削铸铁和镍基高温合金。必须注意的是刀具材料与工件材料副之间有一个适配性问题,即一种刀具材料加工某种工件材料时性能良好,但加工另一种工件材料时却不理想,换句话说,不存在一种万能刀具材料可适于所有工件材料的高速加工。这也是高速切削技术复杂性的一个方面。
(2)高速铣削刀具结构 高速铣削刀具分为整体式和机夹式两类。小直径铣刀一般采用整体式,大直径铣刀采用机夹式。高转速机床对刀具直径有一定限制,整体式高速铣刀在出厂时经过动平衡检验,比较常用,而机夹式需要在每次装夹刀片后进行动平衡。机床在转速比较低、能提供较大扭矩时可采用机夹式铣刀。
铣刀节距定义为相邻两个刀齿间的周向距离。短节距意味着较多的刀齿和中等的容屑空间,允许高的金属去除率。一般用于铸铁铣削和中等负荷铣削钢件,通常作为高速铣刀首选。大节距铣刀齿数较少,容屑空间大,常用于钢的粗加工和精加工,以及容易发生振动的场合。超密节距的容屑空间小,可承受非常高的进给速度,适合铸铁断续表面加工,铸铁的粗加工和钢件的小切深加工。

图1 HSK热膨胀刀杆
当机床最高转速超过 15,000r/min时,必须采用HSK高速铣刀刀杆(图1),或其他类似的短柄刀杆。HSK刀杆为过定位结构,提供与机床标准联结,在机床拉力作用下,保证刀杯短锥和端面与机床紧密配合。
(3)刀具夹紧方式 刀杆夹紧刀具的方式主要有侧固式、弹性夹紧式、液压夹紧式和热装式等。侧固式难以保证刀具动平衡,在高速铣削时不宜采用。热装式刀杆夹头(图1)的刀孔与刀柄为过盈配合,须采用专用热膨胀装置装卸刀具,一般使用感应加热或热空气加热刀杆,使刀孔直径膨胀,装卸刀具,冷却后孔径收缩将刀柄紧紧夹住,加工过程中在温度梯度的作用下,刀具会越夹越紧。表2列出了弹性夹紧式、液压夹紧式和热装式刀杆比较,可见热装式是最佳的高速铣削刀杆结构形式。
表2 三种刀杆夹紧结构比较
  弹簧夹头液压夹头热装夹头
径向跳动最好情况≤10µm≈5µm≈4µm
刚性良好中等优秀
动平衡良好优秀
操作精度一般,精度与操作人员有关较好,精度一致性好,但结构易损坏
成本正常较贵刀杆简单,但初期投资热膨胀装置费用较大
综合适用高速加工低速段精度较高时应用同心度,动平衡和使用简便型最好,适用更高转速的高速切削
(4)刀具动平衡 当主轴转速超过12,000r/min后,必须考虑刀具动平衡问题,过大的动不平衡引起刀具轴线的偏摆将直接影响加工表面质量、刀具寿命和机床精度。如二齿刀具若达不到G2.5(动平衡标准),由于两个刀齿在直径方向上尺寸的偏离,表面粗糙度将会随着转速的提高而增大,在加工表面留下类似于振纹的痕迹,这种振纹的间距刚好等于刀具的每转进给量。因此在选择刀具时,首先应选用经过动平衡的高质量刀杆与刀具,应尽量选用短而轻刀具,定期检查刀具与刀杆的疲劳裂纹和变形征兆。
刀具动平衡分机外动平衡和机上动平衡两种。机外动平衡需专用机外动平衡机,由动力装置提供旋转运动,测量出动不平衡的质量和相位,再通过调整平衡环或在特定位置去掉部分材料,使刀具系统达到动平衡标准的要求。机上动平行机则用机床主轴提供旋转运动,其余与机外动平衡机相同。每种规格的高速机床都会按标准规定动不平衡量,选购整体刀具时必须要求达到动平衡标准,机夹刀具必须经过动平衡后才能适用。
(5)刀具安全性 高转速情况下会产生很大的离心力,造成两种危险,一是普通弹簧夹头夹紧力会下降,二是大直径刀具可能会破坏,同时,飞溅的切屑和崩刃具有很高的动能,很可能会造成人身伤害。因此,工艺系统必须有高标准的防护措施。根据试验,不同直径的刀具对应一个破坏转速,因此,在一定的转速范围,使用刀具的最大直径受到安全性的限制,如图2所示。

图2 高速旋转刀具安全操作标准(DIN 6589-1)

3.高速切削加工方式和加工参数

(1)高速铣削方式 高速切削的加工方式有许多特点,原则上多采用分层环切加工,顺铣加工刀具寿命较长,而往复铣方式刀具寿命最低。直接垂直向下进刀极易出现崩刃现象,不宜采用。斜线轨迹进刀方式是逐渐加大轴向切深运动到设定的轴向切深值,铣削力是逐渐加大的,因此对刀具和主轴的冲击比垂直下刀小,可明显减少下刀崩刃的现象。螺旋式轨迹进刀方式从工件上面开始,螺旋向下切入。由于采用的连续加工的方式,可以比较容易的保证加工精度。而且,由于没有速度突变,可以用较高的速度进行加工。螺旋进刀最适合型腔高速加工的需要。
(2)高速铣削用量 高速铣削加工用量的确定主要考虑加工效率、加工表面质量、刀具磨损以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料时,加工用量会有很大差异,目前尚无完整的加工数据。通常,随着切削速度的提高,加工效率提高,刀具磨损加剧,除较高的每齿进给量外,加工表面粗糙度随切削速度提高而降低。对于刀具寿命,每齿进给量和轴向切深均存在最佳值,而且最佳值的范围相对较窄。高速铣削参数一般的选择原则是高的切削速度,中等的每齿进给量fz,较小的轴向切深ap,适当大的径向切深ae。如加工48-58HRC淬硬钢时,粗加工选v=100m/min, ap=6%-8%D, ae=35%-40%D,fz=0.05-0.1mm/z,半精加工选v=150-200m/min,ap=3%-4%D,ae=20%-40%D,fz=0.05-0.15mm/z,精加工选v=200-250m/min, ap=0.1-1.2mm, ae=0.1-0.2mm,fz=0.02~0.2mm/z。
铣刀实际参与切削部分的直径称有效直径,铣刀实际参与切削部分的最大线速度称有效切削速度。(参见图3)。采用球头铣刀加工时,如果轴向铣削深度小于刀具半径,则有效直径将小于铣刀名义直径,有效速度也将小于名义速度,当采用圆弧铣刀浅切深时也会出现上述情况。在优化加工参数时应按有效直径和有效铣削速度选择:

图3 铣刀的有效直径计算
deff=2(d•ap-ap²)1/2b=0
deff=d•sin[b±arecos(d-ap)]
d
b≠0
veff=2pn(d•ap-ap²)1/2
1000
b=0
veff=pndsin[b±arecos(d-ap)]
1000d
b≠0
式中deff——铣刀有效直径
veff——有效切削速度
d——球头刀具直径
ap——刀具轴向切削深度
b——刀具倾角
向前倾b角可延长刀具寿命,一般倾斜15°可提高有效速度,改善刀刃加工条件。

4.高速切削冷却润滑技术

在高速铣削时由于金属去除率和切削热的增加,切削介质必须具备将切屑快速冲离工件、降低切削热和增加切削界面润滑的能力。常规的切削液及加注方式很难进入加工区域,反而会加大铣刀刃在切入切出过程的温度变化,产生热疲劳,降低刀具寿命和可靠性。现代刀具材料,如硬质合金、涂层刀具、陶瓷和金属陶瓷、CBN等具有较高的红硬性,如果不能解决热疲劳问题,可不使用切削液。
在一些特殊情况下要求湿切削时,传统的湿式冷却如乳化液和油类切削液,必须具备较高的压力和流速才能达到高速切削的要求。但是所产生的污染问题等也更严重,同时也增加了加工成本,目前正逐渐被微量油雾冷却、水雾冷却和高压气体冷却等方式所代替。
微量油雾冷却一方面可以减小“刀具─切屑─工件”之间的摩擦,另一方面细小的油雾粒子在接触到刀具表面时快速气化的换热效果较冷却液热传导的换热效果方式能带走更多的热量,目前已成为高速切削首选的冷却介质。
氮气油雾冷却介质在钛合金的高速铣削中取得了很好的效果。氮气油雾冷却介质除具有空气油雾的冷却润滑作用外,还具有抗氧化磨损等作用,在300m/min的铣削速度时,相比较空气油雾冷却,刀具耐用度提高60%,铣削力可降低20%-30%。

5.高速铁削数控编程

高速铣削数控编程的特殊要点包括:
  1. 尽可能减少程序块,提高程序处理速度。
  2. 尽可能减少速度的急剧变化,可在程序段中可加入一些圆弧过渡段。
  3. 尽可能减少铣削负荷的变化,使加工余量尽量控制均匀。
  4. 多采用分层铣削。
  5. 原则上均采用顺铣方式。
  6. 切入和切出尽量采用切向进刀。刀具进入材料尽可能采用连续的螺旋和圆弧轨迹进行铣削,以保证恒定的切削条件。
  7. 粗加工不是简单的去除材料,要注意保证本工序和后续工序加工余量均匀。
  8. 充分利用数控系统提供的仿真验证的功能。零件在加工前必须经过仿真,验证
    • 刀位数据的正确性。
    • 刀具各部位是否与零件发生干涉。
    • 刀具与夹具附件是否发生碰撞,确保产品质量和操作安全。

6.结论

高速切削是一项先进的、正在发展的综合技术,在航空航天业、模具制造业、汽车制造业等多个领域取得了巨大的社会经济效益。要充分发挥高速切削技术的优势,除必须具备高速加工机床外,还必须综合应用高速切削刀具技术、高速切削工艺技术,高速切削CAD/CAM技术以及冷却润滑技术。
本文作者:南京航空航天大学机电学院 何 宁 李 亮
原载:《机械工人》2003年第9期
上载于:2004-3-11 20:14:20

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