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    现代数控机床切削工作对刀具的要求解析
    2017-06-15

    排列三012路走势图正规 www.fnnj.net 随着数控机床和加工中心等高效设备应用的日渐普及,在航空航天、汽车、高速列车、风电、电子、能源、模具等装备制造业的空前发展推动下,切削加工已迈入了一个以高速、高效和环保为标志的高速加工发展的新时期—现代切削技术阶段。

        高速切削、干切削和硬切削作为当前切削技术的重要发展趋向,其重要地位和角色日益凸显。对这些先进切削技术的应用,不仅令加工效率成倍提高,亦着实推动了产品开发和工艺创新的进程。例如,精密模具硬质材料的型腔,采用高转速、小进给量和小吃深加工,既可获得很高的表面质量,又能够省却磨削、EDM和手工抛光或减少相应工序的时间,从而缩短生产工艺流程,提高生产率。

        过去一些企业制作复杂模具时,基本上都需要3~4个月才能交付使用,而现在采用高速切削加工後,半个月便可完成。据调查,一般的工模具,有60%的机加工量可用高速加工工艺来实现。

        高速加工时,不但要求刀具可靠性高、切削性能好、能稳定地断屑和卷屑、还要能达成高精度,并能实现快换或自动更换等。因此,对刀具材料、刀具结构、以及刀具的装夹都提出了更高要求。

        对刀具材料的要求

       高速加工刀具最突出的要求是,既要有高的硬度和高温硬度,又要有足够的断裂韧性。为此,须选用细晶粒硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、聚晶金刚石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)等刀具材料—它们各有特点,适应的工件材料和切削速度范围也都不同。例如,高速加工铝、镁、铜等有色金属件,主要采用PCD和CVD金刚石膜涂层刀具。高速加工铸件、淬硬钢(50~67HRC)和冷硬铸铁主要用陶瓷刀具和PCBN刀具。

       上海大众汽车有限公司采用Seco刀具(上海)公司生产的立方氮化硼CBN300刀片面铣刀,在柔性生产线上高速铣削发动机缸体平面(铸件),切削速度高达1600m/min,进给速度5000mm/min。用PCD刀具加工铝合金的切削速度一般为3000-4000m/min,最高更可达7500m/min。而用陶瓷和PCBN刀具加工淬硬钢和冷硬铸铁时的切削速度已达200m/min。

        1.硬质合金已迈入细晶粒超细晶粒阶段

        涂层硬质合金刀具(如TiN、TiC、TiCN、TiAlN等)虽其加工工件材料范围广,但抗氧化温度一般不高,所以通常只宜在400-500m/min的切削速度范围内加工钢铁件。对於Inconel718高温镍基合金可使用陶瓷和PCBN刀具。据报道,加拿大学者用SiC晶须增韧陶瓷铣削Inconel718合金,推荐最佳的切削条件为:切削速度700m/min,吃深为1-2mm,每齿进给量为0.1-0.18mm/z。

        目前,硬质合金已进入细晶粒(1-0.5μm)和超细晶粒(<0.5μm)的发展阶段,过去细晶粒多用於K类(WC+Co)硬质合金,近几年来P类(WC+TiC+Co)和M类(WC+TiC+TaC或NbC+Co)硬质合金也向晶粒细化方向发展。

        以往,为提高硬质合金的韧性,通常是增加钴(Co)的含量,由此带来的硬度降低如今可以通过细化晶粒得到补偿,并使硬质合金的抗弯强度提高到4.3GPa,已达到并超过普通高速钢(HSS)的抗弯强度,改变了人们普遍认为P类硬质合金适於切钢、而K类硬质合金只适於加工铸铁和铝等有色金属的选材格局。

        采用WC基的超细晶粒K类硬质合金,同样可加工各种钢料。细晶粒硬质合金的另一个优点是刀具刃口锋利,尤其适於高速切削粘而韧的工件材料。以日本不二越公司开发的AQUA麻花钻为例,其用细晶粒硬质合金制造,并涂覆耐热、耐摩擦的润滑涂层,在高速湿式加工结构钢和合金钢(SCM)时,切削速度200m/min,进给速度1600mm/min,加工效率提高了2.5倍,刀具寿命提高2倍;干式钻孔时,切削速度150m/min,进给速度1200mm/min。

       2.涂层提升到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段

       现如今,涂层已进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段,新开发的TiCN、TiAlN多元超薄、超多层涂层(有的超薄膜涂层数可多达2000层,每层厚约1nm)与TiC、TiN、Al2O3等涂层的复合,加上新型抗塑性变形的基体,在改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、提高涂层的耐磨性方面有了重大进展,全面提高了硬质合金的性能。

        涂层刀具已成为现代切削刀具的标志,在刀具中的使用比例达到60%。涂层硬质合金刀具的产品现已呈现品牌化、多样化和通用化的趋向。例如,德国施耐尔(Schnell)公司用纳米技术推出的一种超长寿命LL涂层立铣刀,用其加工零件硬度超过70HRC淬硬模具钢材时,刀具寿命可延长2-3倍。

        瑞典Sandvik公司新推出的3种涂层刀片(GC4225、GC4240、GC1030)具有较广的通用性,GC4225(突破一号)作为GC4025(P25)牌号的升级产品,用其加工汽车曲轴钢锻件时,在相同切削条件下的刀具寿命为每个切削刃可加工41个零件,而GC4025每个切削刃能加工的零件数目为14个。
        山高(Seco)Jabro全新推出的整体硬质合金通用加工铣刀Solid2系列刀具不仅采用了新材质,更导入新的涂层,可适用的加工温度由普通刀具的800摄氏度提高到了现有的1100摄氏度,显着提高了加工效率和刀具寿命。同时,Solid2系列均采用了刃口钝化处理和径向全周铲背处理技术,使得刀具的涂层与材质结合更加完美,刀具的可重磨次数也大幅提高。

        美国Kennametal公司推出的H7刀片系TiAlN涂层,专为高速铣削合金钢、高合金钢和不锈钢而设计。而德国Guhring公司推出的商品名为“Fire”的孔加工刀具涂层,则是一种通用性的复合涂层—融汇有TiN、TiCN和TiAlN三种涂层,兼具这三种涂层材料的优点,既适用於干切削和硬切削,也适合普通切削。

        特别值得强调的是,近几年发展起来的在硬质合金表面涂覆金刚石的技术,使硬质合金不仅在黑色金属领域,而且在有色金属领域中的切削效率获得了全面提高。由此可知,硬质合金今後仍将是制作高速加工刀具的主要基体材料。

       目前,美国、瑞典和日本都相继推出了金刚石涂层的丝锥、钻头、立铣刀和带断屑槽可转位刀片(如Sandvik公司的CD1810和美国Kennametal公司的KCD25牌号)等产品,用於有色金属和非金属材料的高速精密加工。而另一种适於加工钢铁材料的CBN涂层也已开发成功,并正走向工业试用阶段。 
     

        对刀具几何参数和断屑槽的要求 
     
        1.几何参数

        高速切削和干切削时,刀具的主要失效原因是月牙洼磨损和刀尖处的热磨损。这是由於刀具与切屑、以及刀具与工件接触区界面上温度较高所引起的。因此,高速加工比普通切削加工时的刀具前角要取得稍大一些,以降低切削区温度,并在刃口上作出负倒棱。

        为防止刀尖处热磨损,主副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖,以增大刀尖角,加大刀尖附近刃区切削刃的长度和刀头材料的体积,以提高刀具刚性和减少切削刃破损的概率。

        美国Carboloy公司推出的一种适於干切削用的ME-13新型硬质合金刀片,其具有大前角(达34°)、加强刃并有一个带筋的前刀面,显着减少了切屑与刀片前刀面之间的接触面积,使产生热量被切屑带走。据称,这种刀片工作时的温度比传统刀片要低400℃,能显着减小切削力并使刀具寿命提高一倍以上。该公司用大前角的涂层硬质合金齿冠立铣刀高速铣削硬度高达55HRC模具钢时,切削速度120m/min,进给速度7.6m/min,轴向吃深0.51mm,径向吃深0.25mm,采用干式切削,刀具使用寿命则长达1.5h。

        国外还开发了带正前角的螺旋形切削刃铣削刀片,使刀具有更合理的几何参数,刀片沿切削刃几乎有恒定不变的前角,背前角或侧前角可由负变正或由小变大,切削更加轻快平稳,使可转位面铣刀、立铣刀和槽铣刀的切削性能提高到一个新的水平,刀具寿命可提高50%-250%,切削效率提高30%-40%。

        美国一家公司采用这种新型刀片制作的立铣刀干铣削17-4PH不锈钢的周边,切削用量为:铣削速度304m/min,进给速度1270mm/min,每齿进给量为0.14mm/z,20S去除余量36cm3。

        2.断屑槽型

        为能稳定地断屑和卷屑,刀片上须作出合适的断屑槽型。目前,可转位刀片上三维曲面断屑槽型的设计和制造技术已较为成熟,针对不同的工件材料和不同的切削用量,业已开发出相应的通用断屑槽型系列。

        如瑞典Sandvik公司推出的R、M和F等槽型系列(钢材粗加工、半精加工和精加工相应采用PR、PM和PF的槽型,切不锈钢时用MR、MM和MF的槽型,切铸件和有色金属用KR、KM和KF的槽型),以及以色列Iscar公司以“霸王刀”为典型的槽型设计都独树一帜。

        这些刀片上断屑槽的断屑范围宽,适应性好。它们都具有空间切削刃和曲面前刀面,切削刃上的法前角可调整为零度或负值,而工作前角为合适的正值,所以切削力小,刃口强度高,抗高速时的磨损能力强,预示着高速加工刀具刃形结构发展的方向。

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