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高速加工工具8工艺参数的优化
1?引言
高速加工作为一种先进的切削技术，自二十世纪八十年代以来得到了日益广泛的应用。高速加工采用远高于常规加工的切削速度和进给速度，不仅可提高加工效率，缩短加工工时，同时还可获得很高的加工精度。随着高速加工主轴技术的发展，与其配套的新型工具8不断出现，对高速加工用工具8工艺参数的优化研究也不断深入。目前，**、美国、日本等金属2发达对高速加工技术的研究和应用处于地位，特别是**对高速加工的研究起步较早，成果较多。早在1984年，**研究技术部就出资700万马克资助**Darmstadt?金属2大学生产技术和机床研究所与41家公司进行了为期4年的合作，**开展对高速加工切削机理、高速加工工艺、高速加工用机床与工具8的研究。由于**的高度重视和大力资助，研究工作取得了丰硕成果。**不少公司很快掌握了高速加工技术，并不断支持和推动该项技术的深入研究与发展。
本文对**PTW研究所近年来在高速加工工具8工艺参数优化方面的**新研究成果作一介绍，希望能为国内的高速加工研究及应用提供有益的参考。
2?高速加工的特点
高速加工通常是指在高于常规加工速度5-10倍的条件下进行的切削加工。在高速加工中，必须根据不同的加工工具3、加工方式、加工工艺、工具8参数并考虑工具8使用寿命和加工表面质量来选择切削速度。表1为加工不同工件工具3时HSC铣削与常规加工的切削速度比较。表2?为采用不同加工方式切削合金钢时HSC与常规加工的切削速度比较。
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表1?加工不同工具3时HSC铣削与常规加工的切削速度比较
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<被加工工具3
常规切削速度
HSC切削速度
纤维增强塑料
-800
1200-9000
轻金属
-800
200-5000
铜合金
-400
1200-45000
工具7
-300
**0-3000
普通工具钢
-250
700-2000
钛合金
-80
200-**0
镍基合金
-20
**-300
加工方式
常规切削速度
HSC切削速度
钻削
-**
-200
拉削
-40
-80
精镗
-10
-300
高速加工的实现与工具8工具3、工具8几何形状、被加工工具3及加工参数等密切相关。下面以应用广泛的模具工具3如铝合金、工具钢和工具7的高速加工为例，介绍**PTW研究所近年来对高速加工工具8工艺参数优化研究的成果。
高速加工铝合金的工具8工艺参数优化
工具8工具3
加工铝合金时，可供选择的工具8工具3有硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、聚晶金刚石等。硬质合金是高速切削铝材的主要工具8工具3。实际加工中通常使用无金属0的硬质合金刀具，这是因为较厚的金属0会导致刀尖圆弧钝化，而较薄的金属0则会在加工时迅速磨损，均难以起到延长工具8寿命的作用。由于P系列和M系列硬质合金中含有TiC成分，而TiC与铝的亲和性好，不利于切削，因此在粗加工时宜选用K系列硬质合金刀具。陶瓷工具3材质较轻，常用于大型工具8；陶瓷工具8亦可用于铝材的高速切削，但Al2O3陶瓷工具8因脆性较大而不常使用。多晶金刚石刀具的使用寿命在相同切削条件下可比硬质合金刀具显著延长，但昂贵的价格使其难以得到广泛使用；在加工Si含量**的Al-Si合金时，由于硬质合金刀具磨损很快，使用工具2金刚石刀具则较为经济。近年来，综合了聚晶金刚石和硬质合金两者优点的CVD聚晶金刚石金属0硬质合金刀具已得到越来越广泛的应用。
工具8几何参数
工具8几何形状的选择取决于铝合金工具3的抗拉强度和Si成分含量。研究表明，工具8前角和刀尖钝圆半径是影响铝合金加工质量的主要因素。工具8后角的选取会影响工具8刚度，增大后角有利于提高工具8寿命，但会降低刀刃刚度。为此可采用双倒棱后角，在增大后角的同时保证工具8刚度。此外，刀尖圆弧半径的选择应适当，圆弧半径过大或过小都会降低工具8使用寿命。整体工具8的螺旋角优化值为20°-25°。表3?列出了加工不同铝合金工具3时工具8几何参数的优化经验值。
表3?加工铝合金工具3的工具8几何参数优化经验值
<工件工具3
抗拉强度
或Si含量
工具8工具3
后角
前角
刃倾角
刀尖圆弧半径
铝塑合金
Rm<300n/mm2
硬质合金
13°～18°
10°～15°
≥25°
0.005～0.01
铝塑合金
Rm>300N/mm2
硬质合金
12°～15°
12°～18°
≥20°
0.005～0.01
铝工具7合金
Si含量<12%
硬质合金
12°
15°
0°
0.01～0.02
铝工具7合金
Si含量>12%
聚晶金刚石
12°
0°
0°
0.01～0.02
研究表明，适合高速加工铝合金工具3的加工工艺优化参数为：切削速度：≥4000m/min；每齿进给量：0.005-0.5mm；进给速度：加工Al-Si合金和铝铜合金时vf=1-12m/min，加工al-si合金时vf=1-8m/min；切削率：加工Al-Si合金时为40-70cm3/mm·kW。加工Al-Si合金时应使用冷却液或微量冷却润滑技术，合理的冷却润滑可使工具8寿命提高50%。
加工表面质量
影响工件表面加工质量的主要因素有：①工具8径向跳动。②工具8磨损：当VB>0.2mm时，加工表面质量明显降低，因此精加工时必须将工具8磨损量控制在VB<0.2mm以内。③工具8工艺参数。④冷却方法：使用刀尖圆弧半径小于1μm的人造金刚石工具8并辅以冷却润滑，可获得良好的加工表面质量；采用p系列和k系列超细颗粒硬质合金刀具加工时，表面粗糙度分别可达ra0.3-0.4μm和ra0.4-0.6μm；使用金属陶瓷工具8得到的加工表面质量介于使用硬质合金刀具和金刚石刀具之间。⑤与常规加工类似，高速加工时进给速度对表面加工质量影响较大，但切削速度对表面加工质量影响甚微。
高速加工工具钢的工具8工艺参数优化
工具钢种类繁多，下列优化工艺参数适用于除奥氏体钢及淬硬钢外的工具钢高速加工。
工具8工具3
高速加工工具钢时，原则上应选用热强度高的P20/30系列金属0硬质合金刀具，其加工性能**仅含WC-Co成分的K系列硬质合金刀具。该工具8采用TiN-PVD金属0，可获得较长的使用寿命。
金属陶瓷工具8因不含WC成分，扩散性较小，亦可获得较长的使用寿命，但由于脆性较大，只适于切深和进给量较小的精加工时使用。
氮系陶瓷工具8一般在切削速度大于1600m/in时使用，且进给量应控制在硬质合金刀具的50%，同时应严格选择vc、fz、ap、ae等切削参数值，以避免因刀刃破损降低工具8使用寿命。
加工淬火钢时**使用CBN工具8，其性能价格比较合理，加工时通常应选取较小的进给量。
工具8几何参数
高速加工工具钢时**重要的工具8参数是后角和刀尖圆弧半径，工具8前角对加工性能影响不显著。因高速加工时单位切削力减小，工具8后角可取16°-20°。对于硬质合金刀具和金属陶瓷工具8，在进给量较小时可选用锋利的刃型；在进给量较大时采用倒棱则可**刀刃保持性；使用陶瓷工具8和CBN工具8时亦应采用刀刃保护棱。
加工工艺参数
在200-400m/min切削速度下切削钢材时，会形成较多积屑瘤，严重影响工具8使用寿命。当切削速度提高到600m/min以上时，因排屑速度提高减少了积屑瘤形成的接触时间，可使加工条件得以**。此外，当切削速度**600m/min时，产生的切削金属1会加速工具8中的碳化物向被加工工具3中扩散，从而破坏工具8工具3的晶格结构。因此，切削速度600m/min时的切削温度常作为切削性能**的转折点。此外，工具8寿命与被加工工具3性能密切相关，工具3抗拉强度增大会降低工具8使用寿命。
对于整体硬质合金刀具，每齿进给量fz的选择范围为0.2-0.3mm。对于可更换工具1的工具8，目前还难以给出理想的fz优化值，由于其fz值远大于整体硬质合金刀具的fz值，且与其它参数密切相关，因此其可优化范围很小，这也给其它参数的优化带来困难。
采用陶瓷工具8和CBN工具8加工时，工艺参数的选取与此类似，但进给量只能达到硬质合金刀具的50%左右。
加工表面质量
当切削速度vc=600-800m/min时，加工表面质量。随着切削速度的提高，表面粗糙度值**初变化不大，然后有所下降。表面粗糙度值随着进给量的增加而增大。高速加工钢材时，使用冷却液不仅不能提高加工表面质量，反而会大大降低工具8使用寿命，因此对钢材的高速加工一般宜采用干切削，其加工表面质量可达Ra0.1μm。
高速加工工具7的工具8工艺参数优化
工具8工具3
可用于高速加工工具7的工具8工具3主要有硬质合金、金属陶瓷、氮化硅陶瓷和CBN等。
对工具7的高速切削可分为750-1250m/min和1250-4500m/min两个速度范围，但应尽可能在**切削速度范围内加工。在1250-4500m/min速度范围内切削工具7时，使用Si3N4陶瓷工具8或CBN工具8。Si3N4陶瓷工具8的优化切削速度为2000m/min，CBN工具8的优化切削速度为3000-4500m/min。CBN工具8使用寿命较长，但价格昂贵，应视具体情况选择。
若机床主轴转速、进给速度及工具8几何参数不允许在高于1250m/min的速度下切削，则应选用硬质合金刀具和金属陶瓷工具8。研究表明，金属0硬质合金刀具与无金属0硬质合金刀具的使用寿命可相差10倍；金属陶瓷工具8与无金属0硬质合金刀具的使用寿命可相差2-3倍。因此，选用P系列或K系列金属0硬质合金刀具可获得较满意的加工效果，工具8的具体选择则应根据加工工具3和加工参数而定。
工具8几何参数
高速切削工具7的工具8几何参数与切削工具钢时相似，但后角取值应在12°左右。硬质合金刀具、金属陶瓷工具8和CBN工具8应有10μm左右的刀尖圆角半径；陶瓷工具8通常应带有0.1×10°的刀刃保护棱。
加工工艺参数
在750-1250m/min切削速度下，可采用硬质合金刀具或金属陶瓷工具8进行加工，此时可选用较大的每齿进给量，因为在一定范围内工具8寿命可随进给量的增大而提高；在1250-4500m/min切削速度下，可采用Si3N4陶瓷工具8或CBN工具8进行加工，与前一种切削速度范围相比，此时每齿进给量应减小50%左右，由于切削速度高，此时获得的进给速度仍比前一速度范围高4-5倍。
与钢的高速切削类似，高速加工工具7时也建议采用干式切削。
加工表面质量
一般情况下，加工表面质量可随切削速度及进给速度的提高而**。但在加工工具7时应注意，工具7的纵向和横向表面粗糙度相差较大，这主要是由加工时产生的鳞刺造成的。加工工具7工件的**终表面粗糙度可达Ra0.2μm。
其它工具3的高速加工
石墨、纤维增强塑料、镁合金、铜合金、表面淬火和整体淬火钢、高合金钢、钛合金、镍基合金等工具3也可通过高速切削进行加工，但对这些工具3的高速加工仍存在不少技术难点，对有关切削机理的研究目前还在继续进行。
4?结语
由于高速加工过程及其机理相当复杂，目前仍缺少成熟、可靠的加工仿真技术，因此对高速加工工具8工艺参数的优化仍主要依赖于切削试验。由于切削试验条件与实际加工条件不完全一致，因此试验结果还需在加工实践中进一步校验修正。此外，**与中国在使用的加工机床和工具8工具3等方面存在较大差别，因此本文介绍的高速切削工具8工艺参数优化结果仅供国内有关人员借鉴参考。
我国在二十世纪九十年代初期才开始对高速加工的各项关键技术进行系统研究，与**相比起步较晚，在模具金属5领域差距更大。我们应立足于我国的工具8、工具3及技术条件，适当借鉴**先进经验，加强对高速加工技术的研究及应用，迅速提高我国高速加工技术水平。
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