難加工材料的切削加工方法

摘要：難加工材料的界定及具體品種，隨時(shí)代及專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域而各有不同，例如，宇航產(chǎn)業(yè)常用的超耐熱合金、鈦合金及含有碳纖維的復(fù)合材料等，都是該領(lǐng)域的難加工材料。宇航業(yè)的工程技術(shù)人員開(kāi)展了加工技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)工作，已經(jīng)研究出適合該領(lǐng)域使用的切削工具和加工方法。為了滿足這些要求，則所用材料必須具有高硬度、高韌性和高耐磨...

關(guān)鍵詞：難加工；材料；切削

難加工材料的界定及具體品種，隨時(shí)代及專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域而各有不同，例如，宇航產(chǎn)業(yè)常用的超耐熱合金、鈦合金及含有碳纖維的復(fù)合材料等，都 該領(lǐng)域的難加工材料。宇航業(yè)的工程技術(shù) 員開(kāi)展了加工技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)工作，已經(jīng)研究出適合該領(lǐng)域使用的切削工具和加工方法。近年來(lái)，機(jī)械制品多功能、高功能化的發(fā)展勢(shì)頭十分強(qiáng)勁，要求零件必須實(shí)現(xiàn)小型化、微細(xì)化。為了滿足 些要求，則所用材料必須具有高硬度、高韌性和高耐磨性，而具有這些特性的材料其加工難度也特別大，因此又出現(xiàn)了新的難加工材料。難加工材料就是這樣隨著時(shí)代的發(fā)展及專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的不同而出現(xiàn)，其特有的加工技術(shù)也隨著時(shí)代及各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的研究開(kāi)發(fā)而不斷向前發(fā)展。

另一方面，隨著信息化社會(huì)的到來(lái)，難加工材料切削技術(shù)信息也可通過(guò)因特網(wǎng)互相交流，因此，今后有關(guān)難加工材料切削加工的數(shù)據(jù)等信息將會(huì)更加充實(shí)，加工效率也必然會(huì)進(jìn)一步提高，本文以難加工材料的切削加工為核心，介紹該技術(shù)近年來(lái)的發(fā)展動(dòng)向。

切削領(lǐng)域中的難加工材料

在切削加工中，通常出現(xiàn)的刀具磨損包括如下兩種形態(tài)：(1)由于機(jī)械作用而出現(xiàn)的磨損，如崩刃或磨粒磨損等；(2)由于熱及化學(xué)作用而出現(xiàn)的磨損，如粘結(jié)、擴(kuò)散、腐蝕等磨損，以及由切削刃軟化、溶融而產(chǎn)生的破斷、熱疲勞、熱龜裂等。

切削難加工材料時(shí)，在很短時(shí)間內(nèi)即出現(xiàn)上述刀具磨損，這是由于被加工材料中存在較多促使刀具磨損的因素。例如，多數(shù)難加工材料均具有熱傳導(dǎo)率較低的特點(diǎn)，切削時(shí)產(chǎn)生的熱量很難擴(kuò)散，致使刀具刃尖溫度很高，切削刃受熱影響極為明顯。這種影響的結(jié)果會(huì)使刀具材料中的粘結(jié)劑在高溫下粘結(jié)強(qiáng)度下降，WC(碳化鎢)等粒子易于分離出去，從而加速了刀具磨損。另外，難加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高溫條件下產(chǎn)生反應(yīng)，出現(xiàn)成分析出、脫落，或生成其他化合物，這將加速形成崩刃等刀具磨損現(xiàn)象。

在切削高硬度、高韌性被加工材料時(shí)，切削刃的溫度很高，也會(huì)出現(xiàn)與切削難加工材料時(shí)類(lèi)似的刀具磨損。如切削高硬度鋼時(shí)，與切削一般鋼材相比，切削力更大，刀具剛性不足將會(huì)引起崩刃等現(xiàn)象，使刀具壽命不穩(wěn)定，而且會(huì)縮短刀具壽命，尤其是加工生成短切屑的工件材料時(shí)，會(huì)在切削刃附近產(chǎn)生月牙洼磨損，往往在短時(shí)間內(nèi)即出現(xiàn)刀具破損。

在切削超耐熱合金時(shí)，由于材料的高溫硬度很高，切削時(shí)的應(yīng)力大量集中在刃尖處，這將導(dǎo)致切削刃產(chǎn)生塑性變形；同時(shí)，由于加工硬化而引起的邊界磨損也比較嚴(yán)重。

由于這些特點(diǎn)，所以要求用戶在切削難加工材料時(shí)，必須慎重選擇刀具品種和切削條件，以獲得理想的加工

效果。

難加工材料在切削加工中應(yīng)注意的問(wèn)題

切削加工大致分為車(chē)削、銑削及以中心齒為主的切削(鉆頭、立銑刀的端面切削等)，這些切削加工的切削熱對(duì)刃尖的影響也各不相同。車(chē)削是一種連續(xù)切削，刃尖承受的切削力無(wú)明顯變化，切削熱連續(xù)作用于切削刃上；銑削則是一種間斷切削，切削力是斷續(xù)作用于刃尖，切削時(shí)將發(fā)生振動(dòng)，刃尖所受的熱影響，是切削時(shí)的加熱和非切削時(shí)的冷卻交替進(jìn)行，總的受熱量比車(chē)削時(shí)少。

銑削時(shí)的切削熱是一種斷續(xù)加熱現(xiàn)象，刀齒在非切削時(shí)即被冷卻，這將有利于刀具壽命的延 。日本理化研究所對(duì)車(chē)削和銑削的刀具壽命作了對(duì)比試驗(yàn)，銑削所用刀具為球頭立銑刀，車(chē)削為一般車(chē)刀，兩者在相同的被加工材料和切削條件(由于切削方式不同，切削深度、進(jìn)給量、切削速度等只能做到大體一致)及同一環(huán)境條件下進(jìn)行切削對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，銑削加工對(duì)延長(zhǎng)刀具壽命更為有利。

利用帶有中心刃(即切削速度=0m/min的部位)的鉆頭、球頭立銑刀等刀具進(jìn)行切削時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)靠近中心刃處工具壽命低下的情況，但仍比車(chē)削加工時(shí)強(qiáng)。在切削難加工材料時(shí)，切削刃受熱影響較大，常常會(huì)降低刀具壽命，切削方式如為銑削，則刀具壽命會(huì)相對(duì)長(zhǎng)一些。但難加工材料不能自始至終全部采用銑削加工，中間總會(huì)有需要進(jìn)行車(chē)削或鉆削加工的時(shí)候，因此，應(yīng)針對(duì)不同切削方式，采取相應(yīng)的技術(shù)措施，提高加工效率

切削難加工材料用的刀具材料

CBN的高溫硬度是現(xiàn)有刀具材料中最高的，最適合用于難加工材料的切削加工。新型涂層硬質(zhì)合金是以超細(xì)晶粒合金作基體，選用高溫硬度良好的涂層材料加以涂層處理，這種材料具有優(yōu)異的耐磨性，也是可用于難加工材料切削的優(yōu)良刀具材料之一。

難加工材料中的鈦、鈦合金由于化學(xué)活性高，熱傳導(dǎo)率低，可選用金剛石刀具進(jìn)行切削加工。CBN燒結(jié)體刀具適用于高硬度鋼及鑄鐵等材料的切削加工，CBN成分含量越高，刀具壽命也越長(zhǎng)，切削用量也可相應(yīng)提高。據(jù)報(bào)道，目前已開(kāi)發(fā)出不使用粘結(jié)劑的CBN燒結(jié)體。

金剛石燒結(jié)體刀具適用于鋁合金、純銅等材料的切削加工。金剛石刀具刃口鋒利，熱傳導(dǎo)率高，刃尖滯留的熱量較少，可將積屑瘤等粘附物的發(fā)生控制在最低限度之內(nèi)。在切削純鈦和鈦合金時(shí)，選用單晶金剛石刀具切削比較穩(wěn)定，可延長(zhǎng)刀具壽命。

涂層硬質(zhì)合金刀具幾乎適用于各種難加工材料的切削加工，但涂層的性能(單一涂層和復(fù)合涂層)差異很大，因此，應(yīng)根據(jù)不同的加工對(duì)象，選用適宜的涂層刀具材料。據(jù)報(bào)道，最近已開(kāi)發(fā)出金剛石涂層硬質(zhì)合金和LC(Diamond Like Carbon)涂層硬質(zhì)合金，使涂層刀具的應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，并已可用于高速切削加工領(lǐng)域。

切削難加工材料的刀具形狀

在切削難加工材料時(shí)，刀具形狀的最佳化可充分發(fā)揮刀具材料的性能。選擇與難加工材料特點(diǎn)相適應(yīng)的前角、后角、切入角等刀具幾何形狀和對(duì)刃尖進(jìn)行適當(dāng)處理，對(duì)提高切削精度和延長(zhǎng)刀具壽命有很大的影響，因此，在刀具形狀方面決不能掉以輕心。但是，隨著高速銑削技術(shù)的推廣應(yīng)用，近來(lái)已逐漸采用小切深以減輕刀齒負(fù)荷，采用逆銑并提高進(jìn)給速度，因此，對(duì)切削刃形狀的設(shè)計(jì)思路也有所改變。

對(duì)難加工材料進(jìn)行鉆削加工時(shí)，增大鉆尖角，進(jìn)行十字形修磨，是降低扭矩和切削熱的有效途徑，它可將切削與切削面的接觸面積控制在最小范圍之內(nèi)，這對(duì)延長(zhǎng)刀具壽命和提高切削條件十分有利。鉆頭在鉆孔加工時(shí)，切削熱極易滯留在切削刃附近，而且排屑也很困難，在切削難加工材料時(shí)，這些問(wèn)題更為突出，必須給以足夠的關(guān)注。

為了便于排屑，通常在鉆頭切削刃后側(cè)設(shè)有冷卻液噴出口，可供給充足的水溶性冷卻液或霧狀冷卻劑等，使排屑變得更為順暢，這種方式對(duì)切削刃的冷卻效果也很理想。近年來(lái)，已開(kāi)發(fā)出一些潤(rùn)滑性能良好的涂層物質(zhì)，這些物質(zhì)涂鍍?cè)阢@頭表面后，用其加工3～5D的淺孔時(shí)，可采用干式鉆削方式。

孔的精加工歷來(lái)采用鏜削方式，不過(guò)近來(lái)已逐漸由傳統(tǒng)的連續(xù)切削方式改變?yōu)椴捎玫雀呔€切削這類(lèi)間斷切削方式，這種方式對(duì)提高排屑性能和延長(zhǎng)工具壽命均更為有利。因此，這種間斷切削用的鏜削刀具設(shè)計(jì)出來(lái)后，立即被應(yīng)用于汽車(chē)零件的CNC切削加工。在螺紋孔加工方面，目前也采用螺旋切削插補(bǔ)方式，切螺紋用的立銑刀已大量投放市場(chǎng)。

如上所述，這種由原來(lái)連續(xù)切削向間斷切削的轉(zhuǎn)換，是隨著對(duì)CNC切削理解的加深而進(jìn)行的，這是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程。采用此種切削方式切削難加工材料時(shí)，可保持切削的平穩(wěn)性，且有利于延長(zhǎng)工具壽命。

難加工材料的切削條件

難加工材料的切削條件歷來(lái)都設(shè)定得比較低，隨著刀具性能的提高，高速高精度CNC機(jī)床的出現(xiàn)，以及高速銑削方式的引進(jìn)等，目前，難加工材料的切削已進(jìn)入高速加工、刀具長(zhǎng)壽命化的時(shí)期。

現(xiàn)在，采用小切深以減輕刀具切削刃負(fù)荷，從而可提高切削速度和進(jìn)給速度的加工方式，已成為切削難加工材料的最佳方式。當(dāng)然，選擇適應(yīng)難加工材料特有性能的刀具材料和刀具幾何形狀也極為重要，而且應(yīng)力求刀具切削軌跡的最佳化。例如，鉆削不銹鋼等材料時(shí)，由于材料熱傳導(dǎo)率很低，因此，必須防止切削熱大量滯留在切削刃上，為此應(yīng)盡可能采用間斷切削，以避免切削刃和切削面摩擦生熱，這將有助于延長(zhǎng)工具壽命和保證切削的穩(wěn)定。用球頭立銑刀對(duì)難加工材料進(jìn)行粗加工時(shí)，工具形狀和夾具應(yīng)很好配合，這樣可提高刀具切削部分的振擺精度和夾持剛性，以便在高速回轉(zhuǎn)條件下，保證將每齒進(jìn)給量提高到最大限度，同時(shí)也可延長(zhǎng)工具壽命。

結(jié)束語(yǔ)

如前所述，難加工材料的最佳切削方法是不斷發(fā)展的，新的難加工材料不斷出現(xiàn)，對(duì)新材料的加工總是不斷困擾著工程技術(shù)人員。最近，新型加工中心、切削工具、夾具及CNC切削等技術(shù)發(fā)展非常迅速，而且在切削加工之外，CNC磨削、CNC電加工等技術(shù)也得到空前的發(fā)展，難加工材料的加工技術(shù)選擇范圍已大為擴(kuò)展。

當(dāng)然，有關(guān)難加工材料加工信息的收集與對(duì)該技術(shù)的深入理解，還不能盡如人意，正因?yàn)槿绱?，而?duì)難加工材料的不斷涌現(xiàn)，人們總是感到加工技術(shù)有些力不從心。

例如，前述車(chē)削加工由連續(xù)切削向間斷切削轉(zhuǎn)換，便有利于延長(zhǎng)工具壽命，新型涂層硬質(zhì)合金刀具的使用，使難加工材料切削技術(shù)水平得到進(jìn)一步提高。在難加工材料的切削加工中應(yīng)特別重視工具壽命的穩(wěn)定，不僅工件材料要和刀具性能妥善配伍，而且對(duì)加工尺寸、加工表面粗糙度、形狀精度等的要求也極嚴(yán)格，因此，不僅應(yīng)特別注意刀具選用，對(duì)工件的夾持方式等相關(guān)技術(shù)也不能掉以輕心。

今后，難加工材料零件的加工將采取CAD/CAM、CNC切削加工等計(jì)算機(jī)控制的生產(chǎn)方式，因此，數(shù)據(jù)庫(kù)的建構(gòu)、工具設(shè)計(jì)與制作等工具管理系統(tǒng)的完善，都極為重要。難加工材料切削加工中，適用的刀具、夾具、工序安排、工具軌跡的確定等有關(guān)切削條件的數(shù)據(jù)，均應(yīng)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)加以積累，使零件生產(chǎn)方式沿著以IT化為基礎(chǔ)的方向發(fā)展，這樣，難加工材料的切削加工技術(shù)才能較快地步入一個(gè)新的階段。