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現代數控機床切削工作對刀具的要求解析

發布日期:2018-12-14 作者:奧來利精工 點擊:

隨著數控機床和加工中心等高效設備應用的日漸普及,在航空航天、汽車、高速列車、風電、電子、能源、模具等裝備制造業的空前發展推動下,切削加工已邁入了一個以高速、高效和環保爲標志的高速加工發展的新時期—現代切削技術階段。

 

    高速切削、幹切削和硬切削作爲當前切削技術的重要發展趨向,其重要地位和角色日益凸顯。對這些先進切削技術的應用,不僅令加工效率成倍提高,亦著實推動了産品開發和工藝創新的進程。例如,精密模具硬質材料的型腔,采用高轉速、小進給量和小吃深加工,既可獲得很高的表面質量,又能夠省卻磨削、EDM和手工抛光或減少相應工序的時間,從而縮短生産工藝流程,提高生産率。

 

    過去一些企業制作複雜模具時,基本上都需要3~4個月才能交付使用,而現在采用高速切削加工後,半個月便可完成。據調查,一般的工模具,有60%的機加工量可用高速加工工藝來實現。

 

    高速加工時,不但要求刀具可靠性高、切削性能好、能穩定地斷屑和卷屑、還要能達成高精度,並能實現快換或自動更換等。因此,對刀具材料、刀具結構、以及刀具的裝夾都提出了更高要求。

 

    對刀具材料的要求

 

   高速加工刀具最突出的要求是,既要有高的硬度和高溫硬度,又要有足夠的斷裂韌性。爲此,須選用細晶粒硬質合金、塗層硬質合金、陶瓷、聚晶金剛石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)等刀具材料—它們各有特點,適應的工件材料和切削速度範圍也都不同。例如,高速加工鋁、鎂、銅等有色金屬件,主要采用PCDCVD金剛石膜塗層刀具。高速加工鑄件、淬硬鋼(50~67HRC)和冷硬鑄鐵主要用陶瓷刀具和PCBN刀具。

 

   上海大衆汽車有限公司采用Seco刀具(上海)公司生産的立方氮化硼CBN300刀片面銑刀,在柔性生産線上高速銑削發動機缸體平面(鑄件),切削速度高達1600m/min,進給速度5000mm/min。用PCD刀具加工鋁合金的切削速度一般爲3000-4000m/min,最高更可達7500m/min。而用陶瓷和PCBN刀具加工淬硬鋼和冷硬鑄鐵時的切削速度已達200m/min

 

    1.硬質合金已邁入細晶粒超細晶粒階段

 

    塗層硬質合金刀具(TiNTiCTiCNTiAlN)雖其加工工件材料範圍廣,但抗氧化溫度一般不高,所以通常只宜在400-500m/min的切削速度範圍內加工鋼鐵件。對於Inconel718高溫鎳基合金可使用陶瓷和PCBN刀具。據報道,加拿大學者用SiC晶須增韌陶瓷銑削Inconel718合金,推薦最佳的切削條件爲:切削速度700m/min,吃深爲1-2mm,每齒進給量爲0.1-0.18mm/z

 

    目前,硬質合金已進入細晶粒(1-0.5μm)和超細晶粒(<0.5μm)的發展階段,過去細晶粒多用於K(WC+Co)硬質合金,近幾年來P(WC+TiC+Co)M(WC+TiC+TaCNbC+Co)硬質合金也向晶粒細化方向發展。

 

    以往,爲提高硬質合金的韌性,通常是增加钴(Co)的含量,由此帶來的硬度降低如今可以通過細化晶粒得到補償,並使硬質合金的抗彎強度提高到4.3GPa,已達到並超過普通高速鋼(HSS)的抗彎強度,改變了人們普遍認爲P類硬质合金适於切钢、而K類硬质合金只适於加工铸铁和铝等有色金属的选材格局。

 

    采用WC基的超細晶粒K類硬质合金,同样可加工各种钢料。细晶粒硬质合金的另一个优点是刀具刃口锋利,尤其适於高速切削粘而韧的工件材料。以日本不二越公司开发的AQUA麻花鑽爲例,其用細晶粒硬質合金制造,並塗覆耐熱、耐摩擦的潤滑塗層,在高速濕式加工結構鋼和合金鋼(SCM)時,切削速度200m/min,進給速度1600mm/min,加工效率提高了2.5倍,刀具壽命提高2倍;干式钻孔時,切削速度150m/min,進給速度1200mm/min

 

   2.塗層提升到開發厚膜、複合和多元塗層的新階段

 

   現如今,塗層已進入到開發厚膜、複合和多元塗層的新階段,新開發的TiCNTiAlN多元超薄、超多層塗層(有的超薄膜塗層數可多達2000層,每層厚約1nm)TiCTiNAl2O3等涂层的复合,加上新型抗塑性变形的基体,在改善涂层的韧性、涂层與基体的结合强度、提高涂层的耐磨性方面有了重大进展,全面提高了硬质合金的性能。

 

    塗層刀具已成爲現代切削刀具的標志,在刀具中的使用比例達到60%。塗層硬質合金刀具的产品现已呈现品牌化、多样化和通用化的趋向。例如,德国施耐尔(Schnell)公司用納米技術推出的一種超長壽命LL塗層立銑刀,用其加工零件硬度超過70HRC淬硬模具鋼材時,刀具壽命可延長2-3倍。

 

    瑞典Sandvik公司新推出的3種塗層刀片(GC4225GC4240GC1030)具有較廣的通用性,GC4225(突破一號)作爲GC4025(P25)牌號的升級産品,用其加工汽車曲軸鋼鍛件時,在相同切削條件下的刀具壽命爲每個切削刃可加工41個零件,而GC4025每個切削刃能加工的零件數目爲14個。

    山高(Seco)Jabro全新推出的整體硬質合金通用加工銑刀Solid2系列刀具不僅采用了新材質,更導入新的塗層,可適用的加工溫度由普通刀具的800攝氏度提高到了現有的1100攝氏度,顯著提高了加工效率和刀具壽命。同時,Solid2系列均采用了刃口钝化处理和径向全周铲背处理技术,使得刀具的涂层與材质结合更加完美,刀具的可重磨次数也大幅提高。

 

    美國Kennametal公司推出的H7刀片系TiAlN塗層,專爲高速銑削合金鋼、高合金鋼和不鏽鋼而設計。而德國Guhring公司推出的商品名爲“Fire”的孔加工刀具塗層,則是一種通用性的複合塗層—融彙有TiNTiCNTiAlN三種塗層,兼具這三種塗層材料的優點,既適用於幹切削和硬切削,也適合普通切削。

 

    特別值得強調的是,近幾年發展起來的在硬質合金表面塗覆金剛石的技術,使硬質合金不僅在黑色金屬領域,而且在有色金屬領域中的切削效率獲得了全面提高。由此可知,硬質合金今後仍將是制作高速加工刀具的主要基體材料。

 

   目前,美國、瑞典和日本都相继推出了金刚石涂层的丝锥、钻头、立铣刀和带断屑槽可转位刀片(Sandvik公司的CD1810和美國Kennametal公司的KCD25牌號)等産品,用於有色金屬和非金屬材料的高速精密加工。而另一種適於加工鋼鐵材料的CBN塗層也已開發成功,並正走向工業試用階段。

 

 

    對刀具幾何參數和斷屑槽的要求

 

    1.幾何參數

 

    高速切削和干切削时,刀具的主要失效原因是月牙洼磨损和刀尖处的热磨损。这是由於刀具與切屑、以及刀具與工件接触区界面上温度较高所引起的。因此,高速加工比普通切削加工时的刀具前角要取得稍大一些,以降低切削区温度,并在刃口上作出负倒棱。

 

    爲防止刀尖處熱磨損,主副切削刃連接處應采用修圓刀尖或倒角刀尖,以增大刀尖角,加大刀尖附近刃區切削刃的長度和刀頭材料的體積,以提高刀具剛性和減少切削刃破損的概率。

 

    美國Carboloy公司推出的一種適於幹切削用的ME-13新型硬質合金刀片,其具有大前角(34°)、加强刃并有一个带筋的前刀面,显着减少了切屑與刀片前刀面之间的接触面积,使产生热量被切屑带走。据称,这种刀片工作时的温度比传统刀片要低400℃,能显着减小切削力并使刀具寿命提高一倍以上。该公司用大前角的涂层硬质合金齿冠立铣刀高速铣削硬度高達55HRC模具钢時,切削速度120m/min,進給速度7.6m/min,軸向吃深0.51mm,徑向吃深0.25mm,采用干式切削,刀具使用寿命则长達1.5h

 

    国外还开发了带正前角的螺旋形切削刃铣削刀片,使刀具有更合理的幾何參數,刀片沿切削刃几乎有恒定不变的前角,背前角或侧前角可由负变正或由小变大,切削更加轻快平稳,使可转位面铣刀、立铣刀和槽铣刀的切削性能提高到一个新的水平,刀具寿命可提高50%-250%,切削效率提高30%-40%

 

    美國一家公司采用这种新型刀片制作的立铣刀干铣削17-4PH不鏽鋼的周邊,切削用量爲:銑削速度304m/min,進給速度1270mm/min,每齒進給量爲0.14mm/z20S去除余量36cm3

 

    2.斷屑槽型

 

    为能稳定地断屑和卷屑,刀片上须作出合适的斷屑槽型。目前,可转位刀片上三维曲面斷屑槽型的设计和制造技术已较为成熟,针对不同的工件材料和不同的切削用量,业已开发出相应的通用斷屑槽型系列。

 

    如瑞典Sandvik公司推出的RMF等槽型系列(鋼材粗加工、半精加工和精加工相應采用PRPMPF的槽型,切不鏽鋼時用MRMMMF的槽型,切鑄件和有色金属用KRKMKF的槽型),以及以色列Iscar公司以“霸王刀”爲典型的槽型設計都獨樹一幟。

 

    這些刀片上斷屑槽的斷屑範圍寬,適應性好。它們都具有空間切削刃和曲面前刀面,切削刃上的法前角可調整爲零度或負值,而工作前角爲合適的正值,所以切削力小,刃口強度高,抗高速時的磨損能力強,預示著高速加工刀具刃形結構發展的方向。


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