高速加工刀具及工藝參數(shù)分析

楊立平

摘? 要：高速加工是新興的切削技術(shù)，比正常加工的切削速度和進(jìn)給速度高出5～10倍，大大地提高了零件的生產(chǎn)效率、加工精度，同時(shí)有效地降低了加工時(shí)間。在數(shù)控主軸控制技術(shù)不斷升級(jí)改進(jìn)過(guò)程中，如何適應(yīng)高速切削的技術(shù)條件要求，對(duì)刀具進(jìn)行合理優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，使工件材料符合加工要求，提高高速加工，使其適應(yīng)于工廠(chǎng)生產(chǎn)需求，是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)。。該文針對(duì)數(shù)控加工不同材料，采用高速加工所運(yùn)用的刀具幾何參數(shù)、工藝參數(shù)的分析研究，為未來(lái)高速加工及應(yīng)用提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：高速加工;刀具幾何參數(shù);刀具材料;工藝參數(shù);表面質(zhì)量

中圖分類(lèi)號(hào)：TG50? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 高速加工的特點(diǎn)

提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率是降低生產(chǎn)成本的重要途經(jīng)，生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)中運(yùn)用高速切削的意愿比較強(qiáng)烈，在制造行業(yè)高速加工的地位逐漸凸顯它的優(yōu)越性。在實(shí)際高速加工時(shí)，將面臨復(fù)雜且不穩(wěn)定的切削加工變形過(guò)程，在高速銑削加工中尤為突出，所以選擇不同的切削參數(shù)直接影響零件的加工性能。因此，我們需要考慮不同的零件材料、加工方式、工藝選擇、刀具參數(shù)、表面粗糙度及刀具的使用壽命，應(yīng)采用不同的切削速度。相比傳統(tǒng)加工具有5個(gè)優(yōu)勢(shì)。

1.1 生產(chǎn)效率高

伴隨現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床切削速度功能的升級(jí)，它能實(shí)現(xiàn)在很短的時(shí)間內(nèi)去除很大的加工余量，零件的生產(chǎn)效率得到了極大提高。

1.2 切削力降低

工藝要素方面，傳統(tǒng)機(jī)床采用大背吃刀量，導(dǎo)致切削力較大縮短了刀具使用壽命，而高速加工降低背吃刀量，大大減小了切削力對(duì)刀具的壽命，加工精度也有了顯著提升，有效地解決了零件剛性差，無(wú)法加工的困難，例如，有效解決了薄壁零件或細(xì)長(zhǎng)軸的加工問(wèn)題。

1.3 良好的加工質(zhì)量

刀具在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，切削的激勵(lì)頻率遠(yuǎn)高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，具有良好的穩(wěn)定性。并且切削力比較低，所以刀具和工件變形很小，尺寸的精確性得到了保證，同時(shí)降低殘余應(yīng)力。

1.4 綠色發(fā)展

高速加工提高了切削效率，設(shè)備利用率也大大提升，降低了能源的消耗，符合節(jié)能減排，綠色發(fā)展的要求。

1.5 簡(jiǎn)化工藝流程

對(duì)于零件材料比較特殊的情況，淬火后的材料運(yùn)用傳統(tǒng)加工方法比較難以實(shí)現(xiàn)，主要受到刀具與效率的限制，造成無(wú)法應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中，高速切削具有良好的適應(yīng)性，在高速切削方面，運(yùn)用小的背吃刀量，提高主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等，有效地解決難以加工的材料，在工藝流程設(shè)計(jì)上，提升了生產(chǎn)的時(shí)效性，降低了企業(yè)成產(chǎn)時(shí)間成本。

2 高速加工在加工速度上的優(yōu)勢(shì)

2.1 加工不同材料

在加工中，刀具的材料和幾何角度決定了加工精度與表面粗糙度，在零件材料的選擇方面也要有一定的要求，對(duì)工藝的制定方案也有一定影響，要實(shí)現(xiàn)高速切削就應(yīng)不斷探索實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化這些參數(shù)的設(shè)置和工藝的制定。

3.1 鋁合金零件的參數(shù)選擇

3.1.1 刀具材料的選擇

由于鋁材料比較軟，機(jī)械加工性能較差，在刀具的選擇上一般采用陶瓷、硬質(zhì)合金等質(zhì)地較硬的刀具材料進(jìn)行切削。采用金剛石材料刀具加工比硬質(zhì)合金材料刀具在壽命上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但金剛石刀具價(jià)格較高，在實(shí)際應(yīng)用中不是很普遍，所以對(duì)于硬金合金刀具的參數(shù)優(yōu)化，以及提高刀具涂層的工藝延長(zhǎng)刀具壽命是重點(diǎn)研究的方向，這樣就能解決成本與效率的矛盾，運(yùn)用高速加工方式提高綜合加工能力，因此，須合理選用涂層技術(shù)來(lái)發(fā)揮切削刀具優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，從而提高刀具的使用壽命。

3.1.2 刀具幾何參數(shù)

通過(guò)多次測(cè)試發(fā)現(xiàn)，不同的刀具螺旋角及后角與刀尖圓弧半徑會(huì)影響鋁制材料的加工性能，鋁合金材料不同的機(jī)械性能和參雜元素不同對(duì)刀具的幾何角度要求也不同，螺旋角選擇20°～25°比較恰當(dāng)，對(duì)于提升刀具壽命可增大刀具后角和刀尖圓弧半徑來(lái)改善，在刀具的剛性方面也得到了很大的提高，由于后角的增大，會(huì)影響到切削刃的機(jī)械強(qiáng)度，所以在選擇刀具后角時(shí)要充分測(cè)試優(yōu)化，使其達(dá)到最優(yōu)性能。

3.1.3 加工工藝參數(shù)

鋁合金材高速加工中，加工工藝參數(shù)應(yīng)選擇為刀具走刀速度≥4 mm/r，進(jìn)給深度選擇為0.005 mm～0.5 mm;鋁合金和銅鋁合金在加工中，走刀速度選取在0.1 mm/r～0.2 mm/r;Al-Si合金（Si>12%）材料的加工，進(jìn)給速度選擇在0.2 mm/r～0.3 mm/r; 在Al-Si合金加工中，要采用冷卻液降溫。

3.1.4 加工表面質(zhì)量

刀具的參數(shù)對(duì)零件的表面加工質(zhì)量也有較大的影響。刀具在磨損量較大時(shí)，表面質(zhì)量將大大降低[1]，所以在精加工中要選取刀具參數(shù)合理的刀具，才能加工出合格的產(chǎn)品。除了刀具的參數(shù)，刀具和工件的冷卻情況也是影響加工表面質(zhì)量的因素之一。

3.2 工具鋼零件的參數(shù)選擇

在運(yùn)用高速加工方法加工工具鋼零件時(shí)，須對(duì)刀具的工藝參數(shù)進(jìn)行4項(xiàng)優(yōu)化。

3.2.1 刀具材料的選擇

高速加工過(guò)程產(chǎn)生的高溫會(huì)影響刀具的壽命，選用無(wú)涂層的硬質(zhì)合金刀具將會(huì)導(dǎo)致刀具壽命嚴(yán)重降低，所以在刀具材料的選擇上應(yīng)選用耐高溫、高強(qiáng)度的涂層硬質(zhì)合金的刀具。

其次也可以選擇陶瓷刀具，選擇小的切削用量，高速加工工具鋼材料的零件也可以獲得比較好的效果。

3.2.2 刀具幾何參數(shù)

工具鋼材料在高速加工中，刀具幾何參數(shù)的選擇是影響刀具使用壽命和零件表面粗糙度的主要因素，刀具的后角和到刀尖半徑是主要優(yōu)化的刀具參數(shù)，而前角的大小影響不是很大。

3.2.3 加工工藝參數(shù)

工具鋼材料在高速加工中，進(jìn)給速度在0.2 mm/r～0.4 mm/r時(shí)，積屑瘤比較嚴(yán)重，會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱會(huì)，刀具中部分碳化物會(huì)擴(kuò)散到被加工材料當(dāng)中，使刀具材料的晶格結(jié)構(gòu)遭受破壞，刀具使用壽命隨之降低。這時(shí)，我們可以將切削速度調(diào)至600 m/min以上，有效提高排屑速度，也減少了積屑瘤形成的接觸時(shí)間，極大地改善工具鋼材料的加工條件。

在工具鋼材料采用高速加工中，選用硬質(zhì)合金刀具材料時(shí)，進(jìn)給速度可選擇0.2 mm/r～0.3 mm/r。對(duì)于機(jī)夾式涂層硬質(zhì)合金刀片來(lái)說(shuō)，進(jìn)給速度要根據(jù)刀片的幾何角度選擇進(jìn)給速度，相對(duì)整體刀具參數(shù)優(yōu)化范圍較小。

工具鋼材料在高速加工中，要盡量采用陶瓷材料刀具和CBN刀具，通過(guò)以上方法來(lái)合理選擇刀具參數(shù)來(lái)加工，而刀具每齒的進(jìn)給量?jī)H能達(dá)到硬質(zhì)合金刀具加工性能的50%左右。

3.2.4 加工表面質(zhì)量

在高速加工工具鋼材料時(shí)，為保證加工表面質(zhì)量刀具的走刀速度應(yīng)選擇為0.6 mm/r～0.8 mm/r。加工表面的好壞取決于進(jìn)給速度和背吃刀量的參數(shù)選擇，進(jìn)給速度和背吃刀量參數(shù)過(guò)大表面質(zhì)量就會(huì)降低。在高速加工過(guò)程中如果選用冷卻液降溫，對(duì)零件的表面的質(zhì)量沒(méi)有太大的影響，但會(huì)使刀具的使用壽命降低，所以加工工具鋼材料時(shí)盡量選擇干切的方式。

3.3 鑄鐵零件的刀具工藝參數(shù)選擇

3.3.1 刀具材料

進(jìn)給速度的大小是影響刀具材料的選擇的重要因素，鑄鐵材料走刀速度粗加工可控制在1 000 m/min左右、精加工控制在2 000 m/min左右選用，實(shí)際切削加工時(shí)，我們應(yīng)該在較高的切削速度范圍內(nèi)選用[2]。進(jìn)給速度為1.25 mm/r ～4.5 mm/r時(shí)，最好選擇陶瓷材料刀具或者立方碳化硼刀具。這2種刀具使用壽命較長(zhǎng)，但價(jià)格昂貴，要根據(jù)使用的場(chǎng)合合理選擇。

3.3.2 刀具幾何參數(shù)

對(duì)于刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化方面，鑄鐵在高速加工制造中，如果選用硬質(zhì)合金刀具要選擇12°左右，刀尖半徑在0.2 mm比較合適，在高速加工鑄鐵材料時(shí)后角應(yīng)選擇在12°左右，刀具的刀尖圓弧半徑應(yīng)選擇0.2 mm。通過(guò)倒棱的方式來(lái)提高刀具的機(jī)械強(qiáng)度。

3.3.3 加工工藝參數(shù)

鑄鐵材料機(jī)械性能比較特殊，刀具選擇硬質(zhì)合金材料要對(duì)刀具參數(shù)和涂層進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)給速度選擇在0.75 mm/r～1.25 mm/r;鑄鐵材料質(zhì)地較軟，刀具可選擇陶瓷材料，進(jìn)給速度一般為1.25 mm/r～4.5 mm/r，由于大大提高了走刀速度，所以進(jìn)給深度要降低，選擇為1 mm～2 mm，通過(guò)提高走刀速度，可使加工效率大大提升。在高速加工中大量的熱被鐵屑帶走，即使采用干切零件溫度也不會(huì)影響太大。

3.3.4 加工表面質(zhì)量

對(duì)刀具的參數(shù)進(jìn)行合理優(yōu)化，是在高速加工中解決刀具壽命與加工質(zhì)量的主要措施，但運(yùn)用高速加工方法生產(chǎn)鑄鐵零件時(shí)，由于鑄鐵的材料的特殊性，加工表面不能達(dá)到良好的效果，其原因是在加工過(guò)程中鑄鐵的橫向與縱向紋理不同，尤其在粗加工中出現(xiàn)的毛刺比較明顯。所以刀具的材料也要根據(jù)不同工件材料進(jìn)行合理選擇。

3.4 其他材料的刀具參數(shù)選取

在加工石墨、塑料、鎂鋁合金、經(jīng)過(guò)熱處理的零件、鈦、鎳基合金等材料時(shí)，刀具的參數(shù)根據(jù)以上方法進(jìn)行優(yōu)化，可以得到比較好的切削效果。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者在生產(chǎn)過(guò)程中不斷總結(jié)高速加工刀具工藝參數(shù)選取的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合數(shù)控模擬仿真軟件試加工，不斷提高高速加工的切削性能與穩(wěn)定性，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，合理配置設(shè)備資源，符合節(jié)能減排，綠色發(fā)展的制造理念，推進(jìn)我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)工業(yè)5.0，為制造強(qiáng)國(guó)的道路上打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]李建.影響數(shù)控機(jī)床加工精度因素及改進(jìn)關(guān)鍵問(wèn)題探討[J].中國(guó)設(shè)備工程，2018（20）：46-47.

[2]許莉.機(jī)械模具數(shù)控加工制造技術(shù)分析[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2019（8）：146，148.