数控高速加工刀具选用

数控高速加工刀具选用（精选4篇）

数控高速加工刀具选用 篇1

在竞争日演愈烈的市场进程中, 随着机械加工业对时间效益、成本效益期望值攀升的渴望, 数控高速加工技术便成了机械加工行业竞争的核心和追求高效益的重要途径。笔者就数控高速加工的理解和刀具选用意见, 谈些肤浅的认识, 仅供与同行们探讨。

1 明晰数控高速加工含义, 明确其应用条件

1.1 明晰数控高速加工的含义

数控高速加工通常是指在合理的速度和较高的表面进给速度下进行的立铣加工。主要应用于金属和非金属工件材料的加工 (比如在飞机框架特形掏糟的铣削加工) 。随着长期的应用实践, 高速加工技术已有了很宽应用范围 (如拓扑结构零部件加工、高硬度材料加工等) 和溢利挖潜增值空间。

对于数控高速加工的原始定义, 德国索罗门理论指出:“在一定的切削速度 (比常规加工高5-10倍) 下, 在切削刃处的切屑温度将会开始降低……。”其实质是:“在高速切削作业环境条件下, 使切削刃上的温度有相对的降低, 且采用普通刀具进行加工, 从而实现降本提效的理想目标”。

由于切削速度与给进速度成线性函数关系, 这决定了“给进速度与转速成正比关系”, 真实的切削速度既与主轴的转速有关又与刀具的直径有关。在各个刀齿的给进速度、数量不变的条件下, 如果选用直径较小的刀具进行加工, 则给进速度会更高。为了对刀具直径较小作出补偿, 必须提高转速, 以维持相同的切削速度, 而转速提高又会导致Vf升高。此外较浅的切痕对于高速加工应用而言, 非常典型而必要, 它由切削深度ae、ap、平均切屑厚度hm因素所决定, 但与常规机加工相比要小得多, 加工材料去除率Q也要比常规机中小得多。当ae/ap恒定时, 切削速度和进给速度将处于恒定的比较高的水准。主参数切深不得超出0.2/0.2mm (ae/ap) 。这样可避免过高的夹具和切削刀具变形, 保证在加工中具有较高的公差水准和几何精度。并在切削刃上将保持较小的机械变化和工作负荷, 还可提高刀具寿命。

高速加工需要特定的方法和数控设备来完成。不一定是高主轴转速加工。更多的高速加工应用, 都是在采用中等主轴转速和大尺寸刀具情况下完成的。高速加工是指对小尺寸零件从粗加工到精加工进行加工以及对需要获得净形状的各种尺寸零件进行精加工和超精加工, 以求“低本高效”。因此高速加工必须具备一定的应用条件。

1.2 明确数控高速加工的应用条件

进行高速加工应用必须具备: (1) 具有特定结构和可选项刚性高、专门设计机床和控制器。 (2) 加工设备必须针对高速加工的特定过程而设计。 (3) 必须使用高级编程技术和具有最合适的刀具路径, 以确保各个工序和刀具的恒定切屑去除量。 (4) 具备特定的切削和夹紧刀具条件。

2 把握高速加工对数控刀具选用的原则

2.1 熟知数控高速加工刀具应具有的基本性能

由于金属切削时, 刀具切削部分直接和工件及切屑相接触, 承受着很大的切削压力和冲击, 并受到工件及切屑的剧烈摩擦, 产生很高的切削温度。也就是说, 刀具切削部分是在高温、高压及剧烈摩擦的恶劣条件下工作。因此, 刀具材料应具备以下六个方面的基本性能: (1) 高硬度:刀具材料的硬度必须更高于被加工工件材料的硬度。 (2) 足够的强度和韧性:刀具切削部分的材料在切削时要能承受很大的切削力和冲击力, 即具有抵抗脆性断裂和崩刃的能力。 (3) 高耐磨性和耐热性:即有抵抗磨损的红硬性。 (4) 良好的导热性:即要有耐热冲击和抗热龟裂的性能。 (5) 良好的工艺性和经济性:有较好的可加工性, 即锻压、焊接、切削加工, 热处理、可磨性等。 (6) 抗枯接性:在高温高压作用下, 刀具具有避免其材料分子与工件之间互相吸附产生粘接。 (7) 化学稳定性:在高温下, 不易与周围介质发生化学反应。

2.2 了解数控刀具材料的种类

数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点, 目前一般应包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。按刀具切削部分的材料可分为高速钢、硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。按其结构可分为:整体式、镶嵌式 (不转位和可转位两种) 、特殊型式 (如复合式刀具等) 。按其制造所用材料可分为:高速钢刀具、硬质合金刀具、金刚石刀具、其他材料刀具。以切削工艺可分为:车削刀具、钻削刀具、镗削刀具、铣削刀具。按所使用机床的类型和被加工表面特征可分。

2.3 把握数控高速加工刀具的选择原则

刀具的选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是:安装调整方便, 刚性好, 耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下, 尽量选择较短的刀柄, 以提高刀具加工的刚性。

选取刀具时, 要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。生产中, 平面零件周边轮廓的加工, 常采用立铣刀;铣削平面时, 应选硬质合金刀片铣刀;加工凸台、凹槽时, 选高速钢立铣刀;加工毛坯表面或粗加工孔时, 可选取镶硬质合金刀片的玉米铣刀;对一些立体型面和变斜角轮廓外形的加工, 常采用球头铣刀、环形铣刀、锥形铣刀和盘形铣刀。

在进行自由曲面加工时, 由于球头刀具的端部切削速度为零, 因此, 为保证加工精度, 切削行距一般取得很能密, 故球头常用于曲面的精加工。而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀, 因此, 只要在保证不过切的前提下, 无论是曲面的粗加工还是精加工, 都应优先选择平头刀。

在加工中心上, 各种刀具分别装在刀库上, 按程序规定随时进行选刀和换刀动作。因此必须采用标准刀柄, 以便使钻、镗、扩、铣削等工序用的标准刀具, 迅速、准确地装到机床主轴或刀库上去。在编程时正确确定刀具的径向和轴向尺寸。

在经济型数控加工中, 由于刀具的刃磨、测量和更换多为人工手动进行, 占用辅助时间较长, 在合理安排刀具的排列顺序时应遵循以下原则: (1) 尽量减少刀具数量; (2) 一把刀具装夹后, 应完成其所能进行的所有加工部位; (3) 粗精加工的刀具应分开使用, 即使是相同尺寸规格的刀具; (4) 先铣后钻; (5) 先进行曲面精加工, 后进行二维轮廓精加工; (6) 在可能的情况下, 应尽可能利用数控机床的自动换刀功能。

选择好的刀具虽然会增加刀具成本, 但只要能明晰数控高速加工的真正含义、明确其应用条件;熟知数控刀具应具有的基本性能;了解数控刀具材料的种类;把握数控高速加工刀具的选择原则, 就一定会产生事半功倍的效果, 达到“降本提效”的理想目标。

参考文献

[1]谢晓红.数控机床编程与加工技术[M].北京:中国劳动社会保障出版社, 2008.3.1.

[2]张晓东, 王小玲.数控编程与加工技术[M].北京:机械工业出版社, 2008.1.1.

[3]杨志勇.数控编程与加工技术[M].北京:机械工业出版社, 2002.8.1.

[4]董丽华.数控加工编程与操作应用技术[M].北京:电子工业出版社, 2006.1.1.

高速加工及其刀具选用实践 篇2

1 高速加工的特点

切削速度高, 由于切削线速度Vc=πDn/1000, 切削线速度Vc与转速n (铣床指铣刀的转速, 车床指工件的转速) 有关, 也与直径D (铣床指铣刀直径, 车床指工件直径) 有关;而进给速度vf=n×z×fz, n指主轴转速, z指齿数, fz指每齿进给量, 切削线速度和进给速度之间的线性关系导致了“进给速度与转速成正比”的关系。如果各个刀齿的进给速度以及刀齿的数量不变, 选用较小的刀具直径进行加工, 则进给速度会更高, 为了对刀具直径较小作出补偿, 必须提高转速, 以维持相同的切削速度, 而转速提高导致了进给速度vf较高。

切深较浅, 对于高速加工应用来说, 步距和最大切削深度ap以及每层下刀深度hm与常规机械加工相比要小。因此一般情况下材料去除率Q比较小。但在铝材和其他非铁材料的特形铣削加工中, 材料去除率Q会很大。

2 高速加工是制造业发展的必然趋势

市场竞争日益激烈, 商家对时间和成本效益的要求变得越来越高, 对零部件或产品质量提出较高要求, 迫使研发机构开发新的加工手段和生产技术, 高速加工提供了解决时间和成本效益的途径。

新型材料与复合难加工材料的应用更加突出新的加工手段、加工方法的必要性, 航空与航天工业采用特殊耐热和不锈钢合金材料, 汽车工业采用大量双金属复合材料、石墨铸铁以及铝合金, 模具企业面临50HRC以上高度淬火的工具钢加工, 对高速加工提出需求。

在当今的竞争中, 汽车产品的平均使用寿命周期为6年, 计算机及其配件为1年, 手机产品为6个月, 结构以及产品方面的升级换代需要高速加工技术的支持;在加工工艺上, 采用高速加工, 减少装夹次数和简化流程从而缩短加工时间, 甚至免除成本高昂而费时的电火花加工 (EDM) 过程。

在零部件方面, 多功能表面越来越多, 蜗轮叶片, 薄壁工件 (医疗设备、电子元件、国防产品和计算机零配件等) 结构具有优化功能和特殊用途, 以前采用手工或机器人进行抛光处理, 现代技术采用高速加工方式进行抛光。随着机床设备、工装夹具、控制器等方面的增强, 特别是CAD/CAM/CAE高端编程技术, 平面铣削、型腔铣削、多轴曲面铣削的应用, 同时在各工序间保证切削去除量恒定, 提供了高生产率和过程安全性的准则, 满足高速加工的应用条件。

3 高速加工刀具的选用

在模具制造行业, 高速加工技术适合粗加工和精加工, 合适的工件加工尺寸为500mm×500mm×200mm (长、宽、高) , 最大尺寸与高速加工中相对较小的材料去除率有关, 也与机床的刚性以及工作台尺寸、行程有关。模具的型腔建议比较浅, 并且不要太复杂, 编程时铣刀刀路路径设置为往复与顺铣相结合。在一次装夹加工过程中, 模具尺寸都比较小, 典型工序安排是粗加工、半精加工、精加工以及超精加工, 需要对工件进行拐角和陡峭边铣削加工, 以便为后面的清根加工预留恒定切屑去除率。

常用的清根刀具直径范围为1~2mm, 在大多数情况下采用具有较大拐角半径的整体硬质合金立铣刀或球头立铣刀, 整体硬质合金刀具具有加强的切削刃和负倾角, 保证刀具最大的粘接韧性;采用切削刃接触长度较短的球头立铣刀, 保证挖槽能力, 在沿陡峭边而具有较小的间隙壁部进行加工时效果明显。对粗加工和半精加工, 采用尺寸较小的、具有可转位刀片的切削刀具, 具有最大的刀柄稳定性和抗弯曲韧性, 同时采用高速锥度刀柄提高刀具刚度。

在采用高速加工方式对淬硬工具钢进行精加工或超精加工时, 切痕要较浅, 切深不要超出0.2mm, 避免过大的夹紧力和切削力使得刀具变形, 保证在模具加工过程中工件表面具备较高的公差等级和几何精度, 刀具每刃均匀分布的切屑去除率还可以保证恒定而比较高的生产率, 当ae/ap恒定时, 切削速度和进给速度将处于恒定水平, 在切削刃上将存在较小的机械变化和工作负荷, 从而提高刀具寿命。

4 结论

随着制造业的发展高速加工技术为新材料和难加工材料的应用、用户对零部件或产品质量的高要求、新产品更替、装备进步, 提供了希望和解决途径, 从而带动整个生产力提高。

参考文献

[1]论高速切削加工技术的应用[J].先进制造技术, 2013 (04) :26.

数控加工刀具及切削参数的选用 篇3

数控机床的主轴输出功率较大, 主轴转速及范围比普通机床要高得多, 与传统加工方法相比, 对数控加工的刀具有更高的要求, 要求刀具的精度、强度、刚性和耐用度比普通机床的刀具更高, 并且在尺寸方面要求具有较好的稳定性, 同时便于安装调整。而且CAD/CAM软件的应用越来越广泛, 这些软件一般提供自动编程功能, 在软件使用过程中, 会有一些工艺规划问题要求预先设定好, 如选择合适的刀具、规划加工路径、设置切削用量等。在与数控加工有关的参数设置好之后, CAD/CAM软件就可以自动生成NC程序。在编程时, 编程人员要充分考虑不同零件数控加工的特点, 根据刀具选择和切削用量确定的基本原则, 才能合理选择数控刀具, 提高加工效率。因此, 数控刀具也必须结构合理、几何参数标准化、系列化, 零件加工时才便于根据其几何形状、材料以及夹具进行选用, 并且要考虑机床的刚性。

1 常用刀具的种类及性能

数控刀具可以按照多种分类方式。从结构方面对数控刀具分类, 可分为整体式、镶嵌式、减振式、内冷式和特殊型式等;从制造刀具所用的材料方面分类, 可分为高速钢刀具、硬质合金刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼刀具、金刚石刀具等, 其中, 金刚石刀具具有极高的硬度和耐磨性;从切削工艺方面可分为车削刀具、钻削刀具、镗削刀具、铣削刀具以及特殊型刀具等。

刀具材料应具备高硬度、高韧性、高耐磨性、高耐热性以及良好的工艺性, 即:刀具材料的硬度高于工件的硬度;刀具有足够的韧性承受切削力、振动和冲击;刀具能够有效地抵抗磨损;在高温下, 刀具材料能够保持硬度、耐磨性、强度和韧性;为便于刀具制造, 刀具材料需具有良好热加工性能和机械加工性能[1]。

2 刀具的选用

数控机床的具有高速、高效和高度自动化等特性, 为充分发挥数控机床的这些性能, 数控刀具应与之相适应, 一般包括通用刀具和通用连接刀柄两个部分, 为便于将刀具联接并装在机床动力头上, 刀柄已逐渐标准化和系列化。

1) 根据零件材料的切削性能选择刀具。如材料为45钢的零件, 可以用普通刀具加工;不锈钢、高强度钢、钛合金等材料的零件, 可以用硬质合金刀具加工, 其耐磨性较好。

2) 根据零件的加工阶段选择刀具。数控加工一般可以分为粗加工、半精加工、精加工三个阶段。每个加工阶段, 对刀具都有不同的要求:粗加工阶段主要是为了切除较多的材料, 切削用量较大, 选择的刀具必须刚性较好, 对精度的要求较低;半精加工主要为精加工作准备, 切削用量不能大, 如准备加工工艺基准, 精加工主要完成重要表面的加工, 切削用量很小, 为保证加工精度和质量, 必须选择高耐用度和高精度的刀具。

3) 根据加工区域的特点选择刀具和几何参数。为减少被加工零件的变形, 切削薄壁、超薄壁零件时, 切削力不能过大, 选择的铣刀主偏角要小, 这样能减小其径向切削力;加工铝、铜等较软材料的零件时, 选择的立铣刀的前角应稍大一些, 不要超过4齿;根据零件结构, 所选用的刀具尽可能直径大、长径比小。

4) 刀具的尺寸与工件的表面尺寸相适应。如加工平面零件的周边轮廓时, 选用立铣刀;选用硬质合金刀片铣刀铣削平面。

合理安排刀具的顺序, 可以减少辅助时间的占用, 提高效率。应遵循以下原则安排刀具的排列顺序:尽量减少刀具的数量;分开使用粗精加工的刀具;装夹换刀要在一把刀具完成其所能进行的全部加工步骤后再进行;先铣后钻;先精加工曲面, 后精加工二维轮廓;充分利用数控机床的自动换刀功能提高生产效率[2]。

3 数控加工切削用量的确定

切削用量对于加工效率、刀具磨损、加工质量和加工成本都会有显著影响。切削用量包括切削速度、背吃刀量及进给速度等, 不同的加工方法选用不同的切削用量。按照以下的原则设置切削用量:在以提高生产率为主的粗加工阶段, 首先背吃刀量尽可能选取大的, 其次尽可能大的选取进给量, 其主要受到机床动力和刚性的限制, 最后确定最佳的切削速度, 这需要以刀具耐用度为依据;在以保证加工质量为主的半精加工和精加工阶段, 同时考虑到切削效率、经济性和加工成本, 首先设置背吃刀量, 这要根据粗加工后的余量进行;其次选取的进给量要较小, 可以根据已加工表面的粗糙度要求设置;最后选取较高的切削速度, 这需要以保证刀具的耐用度为前提[3]。

从刀具的耐用度出发, 切削用量的选择顺序是:先确定背吃刀量, 其次确定进给量, 最后确定切削速度。这些参数需要以机床性能、切削用量手册为依据, 并结合经验来设置。另外, 要形成最佳切削用量, 还需要主轴转速、切削深度及进给速度三者相互适应。

1) 在机床、工件和刀具刚度允许条件下, 为减少走刀次数, 提高生产效率, 要尽可能使背吃刀量和加工余量相等;一般精加工余量为0.2~0.5 mm, 这样可以保证零件的加工精度和表面粗糙度。

2) 数控加工中, 切削宽度L的取值范围一般为 (0.6~0.9) d, L与刀具直径d成正比, 与切削深度成反比。

3) 切削速度主要取决于刀具耐用度, 与加工材料也关系紧密。

4) 主轴转速一般根据切削速度来选定。

5) 在设置进给速度时, 需要综合考虑刀具、工件材料、加工精度以及表面粗糙度要求等。为提高生产效率, 当能够保证工件质量时, 可选择较高的进给速度, 一般为100~200 mm/min;选择较低的进给速度进行刀断、深孔加工, 一般为20~50 mm/min;表面粗糙度、加工精度要求高时, 一般选取20~50 mm/min的进给速度。

在数控加工过程中, 为充分发挥数控机床的性能, 并保证零件的加工质量、提高生产效率, 应根据刀具及切削参数选用原则, 合理选择数控加工刀具结构、刀具材料、刀具几何参数和切削用量。

参考文献

[1]刘党生.金属切削原理与刀具[M].北京:北京理工大学出版社, 2009:46.

[2]吴明友.数控加工技术[M].北京:机械工业出版社, 2008:60.

数控刀具在超高速铣削时的选用 篇4

关键词：高速铣削,数控,刀具

0 引言

高速加工切削系统主要由可满足高速切削的高速加工中心、高性能的刀具夹持系统、高速切削刀具和安全可靠的高速切削CAM软件系统等构成,实质上是一项大的系统工程。高速铣削刀具是实现高速铣削的关键。随切削速度的提高,对刀具材料、刀具的几何参数等都提出了不同于传统切削速度时的要求。高速切削刀具在高速加工过程中要承受高温、高压、摩擦、冲击和振动等载荷,其硬度、耐磨性、强度、韧性、耐热性、工艺性和经济性等性能是实现高速加工的关键因素。对不同材料的工件高速切削时,刀具的选用要注意与工件材料的匹配。实践证明,正确选择刀具,对于提高加工效率、延长刀具寿命、提高加工品质和降低加工成本,都会起到非常重要的作用。

1 高速铣削数控刀具选用的原则

1.1 具有高韧性和高抗冲击能力

有研究表明,根据工件的材料对应的高速切削范围有:铝合金为(1000～7000)m/min,铜及铜合金为(900～5000)m/min,各类钢为(500～2000)m/min,灰口铸铁为(800～3000)m/min,钛为(100～1000)m/min。高速切削中,切削速度比传统的速度要高出5～10倍,有些甚至达到了7000m/min的高速,因此选用的刀具应该有高韧性和高抗冲击能力。

1.2 具有高的强度、硬度和耐磨性

随着切削刀具技术的进步,高速加工已广泛地应用在汽车和电子元件产品中的合金钢(HRC>30)冲压模及塑料模具零件等。有调查显示:锻模和铸模常用材料的硬度范围在HRC45～60之间;塑料模的硬度范围HRC>30;冲压模具常用材料硬度范围在HRC50～62。在高速切削上述材料时,切削刀具必须具有高的硬度才能满足生产。

1.3 高的热硬性和化学稳定性

从图1中可知,刀具以150m/min的高速在切削HRC58～65的淬硬钢时,最高的切削温度可达到1000℃以上,因此要求切削刀具在如此高的温度下仍能保持高硬度和化学稳定性,以确保切削正常进行。

2 高速铣削常用数控刀具材料特点

高速切削加工的刀具技术发展速度很快,应用较多的如金刚石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷刀具、涂层硬质合金、(碳)氮化钛硬质合金TiC(N)等。聚晶立方氮化硼(PCBN)刀片,其硬度可达(3500～4500)HV,聚晶金刚石(PCD)其硬度可达(6000～10000)HV。

硬质合金刀具耐磨性好,但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。碳氮化钛涂层的硬质合金刀片能够加工硬度小于HRC42的材料,而氮化钛铝涂层的刀具能够加工硬度为HRC42甚至更高的材料。

立方氮化硼(CBN)的常温硬度仅次于金刚石,而它的热传导性和对铁系金属的热化学稳定性则优于金刚石。金刚石刀具仅适用于有色金属及其合金的切削加工,而聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具也可适用于黑色金属及其合金的切削加工。

采用PCBN和硬质合金球头立铣刀高速铣削高硬钢时,由切削速度和刀具寿命的比较可知,PCBN刀具具有超长的寿命特性。用PCBN立铣刀高速铣削HRC60以上的高硬钢时,可实现超过2000m/min的超高速高精度切削。由于PCBN刀具的高温硬度优异,因此可用于干式切削。在切削速度极限范围以内,可以发现切削速度越高,PCBN刀具寿命越长的现象,这是硬质合金等其他刀具所不具有的独特性能。

3 高速铣削数控刀具材料选用

3.1 高速铣削塑料数控刀具的选用

塑料强度低,切削力比金属材料小很多,仅为钢的切削力的几分之一,切削力对刀具的选择几乎没有影响。而由于塑料的热导率很小,提高切削用量后,切削热随之增加,而刀具热主要由刀具排出。高速切削塑料时,刀具温度高,被切下来的塑料碎屑呈胶熔状态,遇冷即硬化。在加工过程中,碎屑极易粘附在刀具上,从而改变刀具的角度,增大切削深度,影响塑件的加工精度。

实践表明,选用金刚石(PCD)铣刀铣削塑料较为理想。金刚石铣刀的磨擦系数小,导热系数大,高速切削时速度可达(1000～1300)m/min。

3.2 高速铣削石墨数控刀具的选用

石墨电极与铜电极相比具有电极消耗小、加工速度快、机械加工性能好、加工精度高、热变形小、质量轻、表面处理容易、耐高温、加工温度高和电极可粘结等优点。尽管石墨是一种非常容易切削的材料,但由于用作EDM电极的石墨材料必须具有足够的强度,以免在操作和EDM加工过程中受到破坏,同时电极形状(薄壁、小圆角、锐变等)也对石墨电极的晶粒尺寸和强度提出较高的要求,导致在加工过程中石墨工件容易崩碎,刀具容易磨损。刀具磨损是石墨电极加工中最重要的问题。

在刀具磨损量非常大的石墨电极加工中,选用金刚石(PCD)涂层的刀具,大大降低了刀具的磨损量,使得加工石墨电极采用高速铣变为可能。金刚石涂层刀具的硬度高、耐磨性好和摩擦系数低等优点,是石墨加工刀具的最佳选择。金刚石涂层的硬质合金刀具的优点是综合了天然金刚石的硬度和硬质合金的强度及断裂韧性,高速切削时速度可达700m/min。

3.3 高速铣削铝合金数控刀具的选用

铝合金是超高速切削技术最先研究的对象,有关的技术已经相当成熟。近10年来,在汽车工业中,人们普遍采用轻型结构材料,以减轻汽车质量,降低燃料消耗,使用铝合金日益增加。德国大众汽车公司从1979年就开始应用超高速切削技术来加工铝合金(AlSi2)法兰,采用人造金刚石刀具,切削速度达到3770m/min,加工表面粗糙度Ra小于2.5μm,刀具寿命(以加工零件个数计)比普通加工工艺提高20倍。

超高速切削易切铝合金时,人造金刚石和立方氮化硼因易崩刃,切削效果不太好。最佳的刀具材料当属K10,K20。

超高速切削铸铝合金时,应根据其Si含量的不同,选用不同的刀具。对Si含量<12%的铸铝合金可采用K10,Si3N4刀具。在使用超细颗粒硬质合金K10铣削G-AISi12(C)时,铣削速度应控制为2000m/min左右。当Si含量>12%时,可采用人造金刚石(PKD)、聚晶金刚石(PCD)及金刚石(CVD)涂层刀具。对于Si含量达16%～18%的过硅铝合金,最好采用PCD或CVD刀具,其切削速度可达1100m/min,进给量为0.125mm/r。

软涂层刀具(如采用硫族化合物MoS2, WS2作为涂层材料的高速钢刀具)可用于高速切削高强度铝合金材料。

3.4 高速铣削铸铁数控刀具的选用

在铸铁件加工中,涂层硬质合金、立方氮化硼和氮化硅刀具是最常用的。硬质合金刀具耐磨性好,但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。为提高硬度,硬质合金刀具采用硬的涂层材料进行涂层,如氮化钛、氮化钛铝和碳氮化钛等。

最新研究表明,采用涂层合金刀具代替非涂层合金刀具可提高生产率约25%,而刀具寿命也可延长5倍多。此外,在任意切削速度下,铝氮化钛涂层刀片使用寿命为氮化钛或碳氮化钛涂层刀片的3倍。而聚晶立方氮化硼刀片使用性能优于涂层合金刀片。

加工中采用的其他刀具材料有陶瓷、金属陶瓷和聚晶金刚石。

3.5 高速铣削普通钢数控刀具的选用

切削速度对钢的表面品质有较大的影响,根据德国Darmstadt大学PTW所的研究,其最佳切削速度为(500～800)m/min。目前,涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN刀具均可作为高速切削钢件的刀具材料。用PVD涂层方法生产的TiN涂层刀具其耐磨性能比用CVD涂层法生产的涂层刀具要好,因为前者可很好地保持刃口形状,使加工零件获得较高的精度和表面品质。

以TiC-Ni-Mo为基体的金属陶瓷化学稳定性好,但抗弯强度及导热性差,适于切削速度在(400～800)m/min的小进给量、小切深的精加工;Carboly公司用TiCN作为基体、结合剂中少钼多钨的金属陶瓷将强度和耐磨两者结合起来,其加工钢切深可达(2～3)mm。

3.6 高速铣削淬硬钢数控刀具的选用

CBN刀具材料的晶体结构为面心立方,具有很高的硬度、极强的耐磨性和良好的导热性,且与铁族元素之间有很大的惰性,在1300℃也不会发生显著的化学作用。同时,对酸碱亦有良好的稳定性。研究表明,用CBN复合片刀具切削硬度HRC35～67的淬火钢尤为成功。高速切削速度可达1000m/min左右。

陶瓷材料具有良好的耐磨性和热化学稳定性,其硬度、韧性低于CBN,可用于加工硬度HRC<50的零件。有研究表明:切削淬火硬度达HRC48左右的45钢时,切削速度可取(150～180)m/min,进给量在(0.3～0.4)mm/r,切深可取(2～4)mm。

新型硬质合金和涂层硬质合金这两种材料成本较低,适合切削硬度在HRC40～50之间的工件。如用VC-MD型号六齿TiAlN涂层硬铣刀(d10mm)高速铣削AlSi H13/JIS SKD61淬硬模具钢(HRC52)时,铣削速度可达628m/min。刀具直径较大的TiAlN涂层硬质合金立铣刀高速加工淬硬材料时其强度基本可满足要求,但用小直径刀具高速加工窄槽时铣刀则易断易损。

3.7 高速铣削钛合金(Ti6Al6V2Sn)数控刀具的选用

钛合金强度、冲击韧性大,硬度稍低于Inconel 718,但其加工硬化非常严重,故在切削加工时出现温度高、刀具磨损严重的现象。日本学者T.Kitagawa等经过大量实验得出,用直径10mm的硬质合金K10两刃螺旋铣刀(螺旋角为30°)高速铣削钛合金,可达到满意的刀具寿命,切削速度可高达628m/min,每齿进给量可取(0.06～0.12)mm/z。

3.8 高速铣复合材料数控刀具的选用

航天用的先进复合材料(如Kevlar和石墨类复合材料),以往用硬质合金和PCD,硬质合金的切削速度受到限制,而在900℃以上高温下PCD刀片与硬质合金刀体焊接处熔化,此时用陶瓷刀具则可实现300m/min左右的高速切削。

4 结论

刀具材料与工件材料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用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面。结合被加工材料和刀具材料的特点,分别阐述了塑料、铝合金和淬硬钢等8种材料作为高速铣削用数控刀具的选用情况,可为广大的数控加工工艺人员在刀具的选择上提供一定的技术参考。

参考文献

[1]周慎.高速切削中的刀具选用[J].机械制造与自动化,2004,33(1):18-19.