高速切削刀具的分析研究

鮑錫琴， 高東強

(陜西科技大學(xué) 機電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

高速切削(High Speed Machining, HSM)加工作為制造業(yè)中最為重要的一項先進制造技術(shù)，已經(jīng)越來越受到人們的關(guān)注.隨著高速切削加工的應(yīng)用范圍擴大，高速切削在制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要是加工復(fù)雜曲面[1],其中高速銑削(也稱為硬銑削,Hard Milling, HM)可以把復(fù)雜形面加工得非常光滑.加工表面粗糙度值很小、淺腔大曲率半徑的零件完全可用高速銑削來代替電加工；對深腔小曲率半徑的零件可用高速銑削加工作為粗加工和半精加工，而電加工只作為精加工.這樣可大大節(jié)約電火花和拋光的時間以及有關(guān)材料的消耗，這對保護環(huán)境的貢獻是不言而喻的.同時，極大地縮短了加工周期,提高了加工效率，降低了加工成本.

1 高速切削加工相對傳統(tǒng)加工的優(yōu)勢

高速切削加工系統(tǒng)主要由可滿足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夾持系統(tǒng)、高速切削刀具、熱傳導(dǎo)等環(huán)節(jié)組成，避免了傳統(tǒng)加工時在刀具和工件接觸處產(chǎn)生大量熱的缺點，保證刀具在溫度不高的條件下工作，延長了刀具的使用壽命.在高速切削中95%～98% 的切削熱被切屑帶走，切削溫度增加緩慢，工件溫度低，基本可以保持冷態(tài)加工，工件安全可靠的高速切削CAM軟件系統(tǒng)等構(gòu)成.隨著科技進步，高速切削加工技術(shù)廣泛應(yīng)用，具有如下優(yōu)勢.

1.1 高速切削加工減少切削產(chǎn)生的熱量

因為高速切削加工是淺切削，同時進給速度很快，刀刃和工件的接觸長度和接觸時間非常短，減少了刀刃和工件的表面熱損傷，適用于加工易變形的零件.如圖1所示，A為高速切削加工時的熱傳導(dǎo)過程，B為傳統(tǒng)加工的熱傳導(dǎo)過程.

圖1 高速加工和傳統(tǒng)加工的熱傳導(dǎo)

圖2 高速切削薄壁零件

高速切削時的切削力小，有較高的穩(wěn)定性，可高質(zhì)量地加工出薄壁零件.采用如圖2所示的分層順銑加工方法，可高速切削出壁厚0.2mm、壁高20 mm的薄壁零件.此時，刀刃和工件的接觸時間非常短，避免了側(cè)壁的變形.

1.2 高速切削加工生產(chǎn)效率高

切削加工允許進給速度提高5～10倍，切削速度提高15%～20%, 可降低成本10%～15%, 而高速切削可降低制造成本20%～40%[2]，高速切削加工以高于常規(guī)切削10倍左右的切削速度對零件進行高速切削加工.用高速加工中心或高速銑床加工零件，可以在工件一次裝夾中完成型面的粗、精加工和其他部位的機械加工，即所謂“一次過”技術(shù)(One Pass Machining).高速切削可加工粗硬零件，許多零件一次裝夾可完成粗、半精和精加工等全部工序，對復(fù)雜型面加工也可直接達到零件表面質(zhì)量要求.因此，高速切削工藝往往可省卻電火花加工、手工磨修等工序，縮短工藝路線，進而大大提高加工生產(chǎn)率.

1.3 高速切削加工可獲得高質(zhì)量的加工表面

由于高速機床具備高剛性和高精度等性能，而高速機床主軸激振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過“機床-刀具-工件”系統(tǒng)的固有頻率范圍，同時由于切削力小，工件熱變形減少，刀具變形小，加工過程平穩(wěn)且工藝系統(tǒng)振動小，所以可以獲得良好的加工精度和表面質(zhì)量，加工表面質(zhì)量可以提高1～2級，可獲得相當(dāng)于磨削加工的表面粗糙度.

1.4 高速切削加工可簡化加工工序

此外，高強度和高硬度的加工也是高速切削的一大特點，目前，高速切削已可加工硬度達HRC60的零件[3]，因此，高速切削能夠加工經(jīng)熱處理硬化后的工件.常規(guī)銑削加工只能在淬火之前進行，淬火造成的變形必須要經(jīng)手工修整或采用電加工最終成形.用高速切削加工替代傳統(tǒng)切削的加工方法可以不會出現(xiàn)電加工所導(dǎo)致的表面硬化.另外，由于切削量減少，高速加工可使用更小直徑的刀具對更小的圓角半徑及零件細(xì)節(jié)進行加工，節(jié)省了部分機械加工或手工修整工序，從而縮短了生產(chǎn)周期，簡化了加工工藝和投資成本.

2 高速切削刀具參數(shù)的合理選擇

高速切削刀具是實現(xiàn)高速加工技術(shù)的關(guān)鍵，不合適的刀具會使復(fù)雜、昂貴的機床或加工系統(tǒng)形同虛設(shè),完全不起作用.由于高速切削的切削速度快,而高速加工線速度主要受刀具限制,因為在目前機床所能達到的高速范圍內(nèi),速度越高,刀具的磨損越快.因此,高速切削對刀具提出了更高的要求.

2.1 高速切削對刀具材料的要求

高速切削加工時切削溫度很高，高速切削刀具的失效主要取決于刀具材料的熱性能(包括刀具的熔點、耐熱性、抗氧化性、高溫力學(xué)性能、抗熱沖擊性能等).高速干切削、高速硬切削和高速切削黑色金屬時的最高切削速度主要受限于刀具材料的耐熱性.因此，高速切削加工除了要求刀具材料具備普通刀具材料的一些基本性能之外，還特別要求刀具材料具備高的耐熱性、抗熱沖擊性、良好的高溫力學(xué)性能以及高的可靠性.為了適應(yīng)高速切削加工技術(shù)的需要，保證優(yōu)質(zhì)、高效、低耗地完成高速切削加工任務(wù)，對高速切削刀具材料提出了如下要求[4]：

(1)高的可靠性.高速切削一般在數(shù)控機床或加工中心上進行，刀具應(yīng)具有很高的可靠性，要求刀具的壽命高、質(zhì)量一致性好，切削刃的重復(fù)精度高.如果刀具可靠性差，將會增加換刀時間，降低生產(chǎn)率，這將使高速切削加工失去意義.如果刀具可靠性差還將產(chǎn)生廢品，損壞機床與設(shè)備，甚至造成人員傷亡.因此，高速切削的刀具可靠性十分重要，解決刀具的可靠性問題，成為高速切削加工成功應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一.在選擇高速切削刀具時，除需要考慮刀具材料的可靠性以外，還應(yīng)考慮刀具的結(jié)構(gòu)和夾固的可靠性.需要對刀具進行最高轉(zhuǎn)速的試驗和動平衡試驗.

(2)高的耐熱性和抗熱沖擊性能.高速切削加工時切削溫度很高，因此，要求刀具材料的熔點高、氧化溫度高、耐熱性好、抗熱沖擊能力強.

(3)良好的高溫力學(xué)性能.要求刀具材料具有很高的高溫力學(xué)性能，如高溫強度、高溫硬度、高溫韌性等.

(4)刀具材料能適應(yīng)難加工材料和新型材料加工的需要.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對工程材料提出了愈來愈高的要求，各種高強度、高硬度、耐腐蝕和耐高溫的工程材料愈來愈多的被采用.它們大多屬于難加工材料，目前難加工材料己占工件的40%以上.因此，高速加工刀具應(yīng)能適應(yīng)難加工材料和新型材料加工的需要.盡管已出現(xiàn)不少新的刀具材料，但同時滿足上述要求的刀具材料是很難找到的.因此，在具有比較好的抗沖擊韌度的刀具材料的基體上，再加上高熱硬性和耐磨性鍍層的刀具技術(shù)發(fā)展很快.另外，還可以把金剛石等硬度很高的材料燒結(jié)在抗沖擊韌度好的硬質(zhì)合金或陶瓷材料的基體上，形成綜合切削性能非常好的高速加工刀具.

目前，高速切削刀具材料主要有以下幾類：金剛石刀具(PCD)、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具(PCBN)、硬質(zhì)合金刀具和涂層刀具等.每一種刀具材料都有其特定的加工范圍，只能適應(yīng)一定的工件材料或是切削速度范疇，因此，尋求刀具材料與工件材料及切削速度之間的最佳匹配關(guān)系是高速切削加工的重要技術(shù).通過大量的切削試驗及材料性能比較分析，對各類刀具材料所適應(yīng)的工件材料做了簡單歸類如表1所示.

表1 高速加工刀具與工件材料的匹配關(guān)系[5]

表中：●-優(yōu)，○-良，▲-一般，◇-不適合

2.2 高速切削對刀具結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的要求

除了刀具材料的選擇外，正確選擇刀具結(jié)構(gòu)、切削刃的幾何參數(shù)以及刀具的斷屑方式等對高速切削的效率、表面質(zhì)量、刀具壽命以及切削熱量的產(chǎn)生等都有很大影響，這些都是高速刀具技術(shù)中一個重要的組成部分.

在高速切削過程中，很關(guān)鍵的問題是要想辦法把切削熱盡可能多地傳給切屑，并利用高速切離的切屑把切削熱迅速帶走.合適的刀具幾何角度對順利進行高速切削具有非常重要的作用.選擇合適的刀具幾何角度的作用如下[6]：

(1)合適的刀具后角和合理的進給速度能產(chǎn)生足夠大的切屑厚度，以便帶走熱量，避免切削硬化.

(2)刀刃前角是影響刀具切削載荷的重要參數(shù)，應(yīng)合理選擇.

(3)切削載荷與刀具每切刃的進給量有關(guān).對于多片鑲嵌刀具，切削載荷作用在每一個刀片上；對于實體刀具，切削載荷作用在每個齒上.因此，進給量應(yīng)該在一個合理的數(shù)值之間來進行選擇.

(4)高速切削時，刀具的合理幾何參數(shù)依據(jù)加工材料的不同而不同，為獲得較佳的刀具幾何參數(shù)，還可以采用合適的刀體材料和安全的結(jié)構(gòu)，使用較短的切削刃，提高刀具的整體剮性；采用較大的刀尖角，合適的斷屑措施等.

2.3 加強高速切削刀具的安全性

高速切削刀具安全性涉及的主要對象是高速旋轉(zhuǎn)的銑刀和鏜刀，尤其是高速銑刀，因為高速銑削是目前高速切削應(yīng)用的主要工藝.加工實踐表明，普通銑刀的結(jié)構(gòu)和強度不能適應(yīng)高速切削的要求，因此高速銑刀安全性的研究更具有緊迫性和現(xiàn)實性.

高速切削刀具系統(tǒng)的平衡更為重要.引起高速切削刀具系統(tǒng)不平衡的主要因素有：刀具的平衡極限和殘余不平衡度、刀具結(jié)構(gòu)不平衡、刀柄不對稱、刀具及夾頭的安裝(如單刃鏜刀)不對稱等.高速切削刀具(主要是旋轉(zhuǎn)刀具)使用前除進行靜平衡外還必須進行動平衡，應(yīng)根據(jù)其使用速度范圍進行平衡，以實現(xiàn)最佳加工效益.對高速切削刀具進行平衡時，首先需對刀具、夾頭、主軸等各個元件單獨進行平衡，然后對刀具與夾頭組合體進行平衡，最后將刀具連同主軸一起進行平衡.推薦采用微調(diào)螺釘進行精細(xì)平衡，或直接采用內(nèi)裝動平衡機構(gòu)的鏜刀，通過轉(zhuǎn)動補償環(huán)移動內(nèi)部配重以補償?shù)毒卟黄胶饬?做好刀具的動平衡，防止刀具的甩飛和破損，保證工作人員的安全.

3 切削參數(shù)對高速加工刀具壽命的影響研究

刀具的壽命是切削加工中一個十分重要的因素，直接影響著加工效率的提高及生產(chǎn)成本.高速切削時，由于刀-屑接觸面的溫度高、接觸壓力大，且接觸面多為新鮮表面，化學(xué)活性很強，因此切屑很容易與前刀面發(fā)生粘結(jié)，產(chǎn)生很大的摩擦阻力，而刀具摩擦必然會導(dǎo)致磨損.研究發(fā)現(xiàn)，高速切削時造成刀具損壞的主要原因是在切削力和切削溫度作用下因機械摩擦、粘結(jié)、化學(xué)磨損、崩刃、破碎以及塑性變形等引起的磨損和破損.

3.1 切削用量對刀具磨損的影響

切削加工時影響刀具壽命的因素很多，刀具的磨損機理也各不相同.研究表明，高速工況下對刀具壽命產(chǎn)生影響的因素主要有：刀具材料與工件材料的匹配關(guān)系、刀具幾何形狀、加工方式、切削用量、切削振動、冷卻液等[7]，其中切削用量對刀具磨損的影響尤為顯著，其影響規(guī)律可以通過切削加工試驗來具體分析.另外，不同加工材料及刀具材料的主要磨損形式不同，高速切削加工時常見的刀具磨損形態(tài)主要有前刀面磨損(月牙洼)、后刀面磨損、邊界磨損、片狀剝落以及微崩刃等[8].

3.2 鎳基高溫合金切削試驗

圖3為CrA1TiN涂層刀具高速切削鎳基高溫合金時切削速度對刀具磨損的影響規(guī)律曲線[9].隨切削速度的增加，刀具磨損總體呈現(xiàn)上升趨勢，但中間會有拐點的存在，分析可能原因有：刀具磨損的方式很多，如磨粒磨損、粘結(jié)磨損、擴散磨損、氧化磨損等.在不同切削速度下，刀具磨損的方式不同，有時只是其中一種方式作用，而有時多種方式同時作用，故曲線會有起幅；另外，通過比較發(fā)現(xiàn)，該曲線與切削速度-溫度的變化規(guī)律曲線相似，這說明刀具磨損受溫度變化的影響比較明顯.

圖3 切削速度對刀具磨損的影響

圖3為刀具壽命隨進給量f變化的規(guī)律曲線，相比切削速度v其曲線變化比較平緩，影響程度次之.而切削深度ap對刀具壽命的影響最小，曲線變化不明顯.

圖4 進給量對刀具磨損的影響

不同的切削工藝參數(shù)對高速加工的影響規(guī)律不同，通過對高速加工切削力、切削溫度、刀具壽命、表面粗糙度及切削穩(wěn)定性等進行單因素試驗和多元正交試驗分析，得到切削速度v、每齒進給量fZ、軸向切深ap、徑向切深ae對高速切削加工性能的影響規(guī)律和顯著程度.

(1)從高速加工切削力的預(yù)測模型看[10]，切削深度(包括軸向切深ap和徑向切深ae)對各切削力分力的影響最大，進給量f次之.而切削速度v的影響程度相對較小，但影響關(guān)系復(fù)雜，一方面切削速度的提高導(dǎo)致剪切角增大、且切削溫度上升使刀具與工件的摩擦系數(shù)降低，切削力減??；另一方面剪切角增大及切削速度本身的提高又會使切屑慣性力增大，導(dǎo)致切削力上升.

(2)從表面粗糙度預(yù)測模型看，適應(yīng)提高切削速度能有效的改善工件表面粗糙度.主軸轉(zhuǎn)速增大，粗糙度值減小，而軸向切深、徑向切深、進給速度增大，粗糙度值增大，但增大的幅度不同，表明影響程度各不相同.

(3)切削顫振對主軸轉(zhuǎn)速n非常敏感，高速加工時必須合理選擇主軸轉(zhuǎn)速范圍；進給量f對系統(tǒng)顫振存在突變，當(dāng)越過臨界值f1時，振幅會突然降低，故切削中可以采用適當(dāng)增加每齒進給量fz的方法來消除系統(tǒng)中的顫振.

4 結(jié)束語

高速切削加工是多種先進加工技術(shù)的集成，在高速切削加工中優(yōu)質(zhì)的刀具是實現(xiàn)高速加工的保證，合理的選擇和使用刀具對高速切削尤為重要.在高速銑削加工中刀具的選擇依據(jù)如下：(1)工件的因素：工件的結(jié)構(gòu)特點、大小、材料的硬度和粘性以及工件的質(zhì)量要求；(2)加工中心的因素：機床的轉(zhuǎn)速范圍、剛性、精度及高低速時的性能；(3)刀具本身的因素：刀具的材料、涂層、耐熱性、耐磨性、熱穩(wěn)定性以及刀具的剛性和幾何結(jié)構(gòu)特點等因素綜合考慮.合理選擇刀具，才能充分發(fā)揮出高速切削加工的優(yōu)勢.

[1] 徐 哲.高速切削加工在模具制造中的應(yīng)用[J] .CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2004，7(11)：90-92.

[2] 蔡光起,原所先. 機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M] .沈陽：東北大學(xué)出版社，2002.

[3] 潘培道.高速切削技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用[D] .安徽：合肥工業(yè)大學(xué)，2007：45-69.

[4] 周純江，葉紅朝.高速切削刀具相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究[J]. 機械制造，2008，46(9)：1-3.

[5] 劉戰(zhàn)強，黃傳真，郭培全．先進切削加工技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[6] 張柏霖，楊慶東，陳長年.高速切削技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機械工業(yè)出版社，2002.

[7] 黎忠炎，高東強，毛去云，等. 基于切削參數(shù)的高速銑削系統(tǒng)穩(wěn)定性研究[J] .組合機床與自動化加工技術(shù)，2010(11)：16-18.

[8] 王先逵．精密加工和納米加工、高速切削、難加工材料的切削加工[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[9] 黎忠炎．高速切削工藝參數(shù)與刀具參數(shù)的分析研究[D]．西安：陜西科技大學(xué)，2011：25-53.

[10] 師漢民．金屬切削理論及其應(yīng)用新探[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2003.