2 高速加工的特點

3 高速加工刀具工藝參數的優化

1. 高速加工鋁合金的刀具工藝參數優化
   1. 刀具材料
      加工鋁合金時，可供選擇的刀具材料有硬質合金、陶瓷、金屬陶瓷、聚晶金剛石等。硬質合金是高速切削鋁材的主要刀具材料。實際加工中通常使用無涂層的硬質合金刀具，這是因為較厚的涂層會導致刀尖圓弧鈍化，而較薄的涂層則會在加工時迅速磨損，均難以起到延長刀具壽命的作用。由于P系列和M系列硬質合金中含有TiC成分，而TiC與鋁的親和性好，不利于切削，因此在粗加工時宜選用K系列硬質合金刀具。陶瓷材料材質較輕，常用于大型刀具；陶瓷刀具亦可用于鋁材的高速切削，但Al₂O₃陶瓷刀具因脆性較大而不常使用。多晶金剛石刀具的使用壽命在相同切削條件下可比硬質合金刀具顯著延長，但昂貴的價格使其難以得到廣泛使用；在加工Si含量較高的Al-Si合金時，由于硬質合金刀具磨損很快，使用聚晶金剛石刀具則較為經濟。近年來，綜合了聚晶金剛石和硬質合金兩者優點的CVD 聚晶金剛石涂層硬質合金刀具已得到越來越廣泛的應用。
   2. 刀具幾何參數
      刀具幾何形狀的選擇取決于鋁合金材料的抗拉強度和Si成分含量。研究表明，刀具前角和刀尖鈍圓半徑是影響鋁合金加工質量的主要因素。刀具后角的選取會影響刀具剛度，增大后角有利于提高刀具壽命，但會降低刀刃剛度。為此可采用雙倒棱后角，在增大后角的同時保證刀具剛度。此外，刀尖圓弧半徑的選擇應適當，圓弧半徑過大或過小都會降低刀具使用壽命。整體刀具的螺旋角優化值為20°～25°。表3 列出了加工不同鋁合金材料時刀具幾何參數的優化經驗值。
        鋁塑合金Rm<300N/mm²硬質合金13°～18°10°～15°≥25°0.005～0.01鋁塑合金Rm>300N/mm²硬質合金12°～15°12°～18°≥20°0.005～0.01鋁鑄鐵合金Si含量<12%硬質合金12°15°0°0.01～0.02鋁鑄鐵合金Si含量>12%聚晶金剛石12°0°0°0.01～0.02

      表3 加工鋁合金材料的刀具幾何參數優化經驗值

      工件材料	抗拉強度 或Si含量	刀具材料	后角	前角	刃傾角	刀尖圓弧半徑 (mm)

   3. 加工工藝參數
      研究表明，適合高速加工鋁合金材料的加工工藝優化參數為：切削速度：≥4000m/min；每齒進給量：0.005～0.5mm；進給速度：加工Al-Si合金(Si<12%)和鋁銅合金時vf=1～12m/min，加工Al-Si合金(Si>12%)時vf=1～8m/min；切削率：加工Al-Si合金( Si< 12%)和鋁銅合金時為50～90cm³/mm·kW，加工Al-Si合金(Si> 12%)時為40～70cm³/mm·kW。加工Al-Si合金時應使用冷卻液(10%～15%乳化液，20～40巴)或微量冷卻潤滑技術(MVL，MinimumVolume Lubrication)，合理的冷卻潤滑可使刀具壽命提高50%。 #p#分頁標題#e#
   4. 加工表面質量
      影響工件表面加工質量的主要因素有：①刀具徑向跳動。②刀具磨損：當VB>0.2mm時，加工表面質量明顯降低，因此精加工時必須將刀具磨損量控制在VB<0.2mm 以內。③刀具工藝參數。④冷卻方法：使用刀尖圓弧半徑小于1µm 的人造金剛石刀具并輔以冷卻潤滑，可獲得良好的加工表面質量(表面粗糙度可達Ra0.1µm)；采用P系列和K系列超細顆粒硬質合金刀具(刀尖圓弧半徑2～3µm)加工時，表面粗糙度分別可達Ra0.3～0.4µm 和Ra0.4～0.6µm；使用金屬陶瓷刀具得到的加工表面質量介于使用硬質合金刀具和金剛石刀具之間。⑤與常規加工類似，高速加工時進給速度對表面加工質量影響較大，但切削速度對表面加工質量影響甚微。
2. 高速加工工具鋼的刀具工藝參數優化
   工具鋼種類繁多，下列優化工藝參數適用于除奧氏體鋼及淬硬鋼外的工具鋼高速加工。

   1. 刀具材料
      高速加工工具鋼時，原則上應選用熱強度高的P20/30系列涂層硬質合金刀具，其加工性能優于僅含WC-Co 成分的K 系列硬質合金刀具。該刀具采用TiN-PVD涂層，可獲得較長的使用壽命。
      金屬陶瓷刀具因不含WC 成分，擴散性較小，亦可獲得較長的使用壽命，但由于脆性較大，只適于切深和進給量較小的精加工時使用。
      氮系陶瓷刀具一般在切削速度大于1600m/in時使用，且進給量應控制在硬質合金刀具的50%，同時應嚴格選擇vc、fz、ap、ae等切削參數值，以避免因刀刃破損降低刀具使用壽命。
      加工淬火鋼時推薦使用CBN刀具，其性能價格比較合理，加工時通常應選取較小的進給量(與使用陶瓷刀具接近)。
   2. 刀具幾何參數
      高速加工工具鋼時最重要的刀具參數是后角和刀尖圓弧半徑，刀具前角對加工性能影響不顯著(通常取為0°)。因高速加工時單位切削力減小，刀具后角可取16°～20°(大于20°后刀具穩定性將明顯降低)。對于硬質合金刀具和金屬陶瓷刀具，在進給量較小時(如fz=0.2～0.3mm)可選用鋒利的刃型；在進給量較大時采用倒棱(如0.2×20°)則可改善刀刃保持性；使用陶瓷刀具和CBN刀具時亦應采用刀刃保護棱。
   3. 加工工藝參數
      在200～400m/min切削速度下切削鋼材時，會形成較多積屑瘤，嚴重影響刀具使用壽命。當切削速度提高到600m/min以上時，因排屑速度提高減少了積屑瘤形成的接觸時間，可使加工條件得以改善。此外，當切削速度低于600m/min時，產生的切削高溫會加速刀具中的碳化物向被加工材料中擴散，從而破壞刀具材料的晶格結構。因此，切削速度600m/min時的切削溫度常作為切削性能改善的轉折點。此外，刀具壽命與被加工材料性能密切相關，材料抗拉強度增大會降低刀具使用壽命。
      對于整體硬質合金刀具，每齒進給量fz的選擇范圍為0.2～0.3mm。對于可更換刀片的刀具，目前還難以給出理想的fz優化值，由于其fz值遠大于整體硬質合金刀具的fz值，且與其它參數(特別是ae值)密切相關，因此其可優化范圍很小，這也給其它參數的優化帶來困難。
      采用陶瓷刀具和CBN刀具加工時，工藝參數的選取與此類似，但進給量只能達到硬質合金刀具的50%左右。
   4. 加工表面質量
      當切削速度vc=600～800m/min時，加工表面質量最好。隨著切削速度的提高，表面粗糙度值最初變化不大，然后有所下降。表面粗糙度值隨著進給量的增加而增大。高速加工鋼材時，使用冷卻液不僅不能提高加工表面質量，反而會大大降低刀具使用壽命，因此對鋼材的高速加工一般宜采用干切削，其加工表面質量可達Ra0.1µm。
3. 高速加工鑄鐵的刀具工藝參數優化
   1. 刀具材料
      可用于高速加工鑄鐵(灰鑄鐵、球墨鑄鐵)的刀具材料主要有硬質合金、金屬陶瓷、氮化硅陶瓷和CBN等。 #p#分頁標題#e#
      對鑄鐵的高速切削可分為750～1250m/min和1250～4500m/min兩個速度范圍，但應盡可能在較高切削速度范圍內加工。在1250～4500m/min速度范圍內切削鑄鐵時，最好使用Si₃N₄陶瓷刀具或CBN刀具。Si₃N₄陶瓷刀具的優化切削速度為2000m/min，CBN刀具的優化切削速度為3000～4500m/min。CBN刀具使用壽命較長，但價格昂貴，應視具體情況選擇。
      若機床主軸轉速、進給速度及刀具幾何參數不允許在高于1250m/min的速度下切削，則應選用硬質合金刀具和金屬陶瓷刀具。研究表明，涂層硬質合金刀具與無涂層硬質合金刀具的使用壽命可相差10倍；金屬陶瓷刀具與無涂層硬質合金刀具的使用壽命可相差2～3 倍。因此，選用P 系列或K 系列涂層硬質合金刀具可獲得較滿意的加工效果(推薦選用P20/30 系列帶TiC/ TiN 多層涂層的硬質合金刀具)，刀具的具體選擇則應根據加工材料和加工參數而定。
   2. 刀具幾何參數
      高速切削鑄鐵的刀具幾何參數與切削工具鋼時相似，但后角取值應在12°左右。硬質合金刀具、金屬陶瓷刀具和CBN刀具應有10µm 左右的刀尖圓角半徑；陶瓷刀具通常應帶有0.1×10°的刀刃保護棱。
   3. 加工工藝參數
      在750～1250m/min切削速度下，可采用硬質合金刀具或金屬陶瓷刀具進行加工，此時可選用較大的每齒進給量(如fz=0.8mm)，因為在一定范圍內刀具壽命可隨進給量的增大而提高；在1250～4500m/min切削速度下，可采用Si₃N₄陶瓷刀具或CBN刀具進行加工，與前一種切削速度范圍相比，此時每齒進給量應減小50%左右，由于切削速度高，此時獲得的進給速度仍比前一速度范圍高4～5 倍。
      與鋼的高速切削類似，高速加工鑄鐵時也建議采用干式切削。
   4. 加工表面質量
      一般情況下，加工表面質量可隨切削速度及進給速度的提高而改善。但在加工鑄鐵時應注意，鑄鐵的縱向和橫向表面粗糙度相差較大，這主要是由加工時產生的鱗刺造成的(可在粗加工表面觀察到)。加工鑄鐵工件的最終表面粗糙度可達Ra0.2µm。
4. 其它材料的高速加工
   石墨、纖維增強塑料、鎂合金、銅合金、表面淬火和整體淬火鋼、高合金鋼、鈦合金、鎳基合金等材料也可通過高速切削進行加工，但對這些材料的高速加工仍存在不少技術難點，對有關切削機理的研究目前還在繼續進行。

4 結語