作者：北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 周慧玲
c[&d @ nDyvX1] 摘要：以幾種典型模具材料的高速加工為例，介紹了德國(guó)Darmstadt 工業(yè)大學(xué)PTW研究所對(duì)高速加工刀具工藝參數(shù)優(yōu)化的研究成果。
HmhUc,EC c/b%T 1 引言
5.O-(eSa0& 4g>1G qv6 高速加工作為一種先進(jìn)的切削技術(shù)，自二十世紀(jì)八十年代以來(lái)得到了日益廣泛的應(yīng)用。高速加工采用遠(yuǎn)高于常規(guī)加工的切削速度和進(jìn)給速度，不僅可提高加工效率，縮短加工工時(shí)，同時(shí)還可獲得很高的加工精度。隨著高速加工主軸技術(shù)的發(fā)展，與其配套的新型刀具不斷出現(xiàn)，對(duì)高速加工用刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化研究也不斷深入。目前，德國(guó)、美國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)高速加工技術(shù)的研究和應(yīng)用處于世界領(lǐng)先地位，特別是德國(guó)對(duì)高速加工的研究起步較早，成果較多。早在1984 年，德國(guó)國(guó)家研究技術(shù)部(DFG)就出資700 萬(wàn)馬克資助德國(guó)Darmstadt 工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)和機(jī)床研究所(PTW，Institute of Productionand Engineering and Machine Tools)與41 家公司進(jìn)行了為期4 年的合作，全面開(kāi)展對(duì)高速加工切削機(jī)理、高速加工工藝、高速加工用機(jī)床與刀具的研究。由于政府的高度重視和大力資助，研究工作取得了豐碩成果。德國(guó)不少公司很快掌握了高速加工技術(shù)，并不斷支持和推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的深入研究與發(fā)展。
a_ Z.J 3 /.7$`d 本文對(duì)德國(guó)PTW研究所近年來(lái)在高速加工刀具工藝參數(shù)優(yōu)化方面的最新研究成果作一介紹，希望能為國(guó)內(nèi)的高速加工研究及應(yīng)用提供有益的參考。
(~=Qufy |^Y*~d<H 2 高速加工的特點(diǎn)
*C5:#A0 I0I_vu 高速加工(High Speed Cutting，簡(jiǎn)稱(chēng)HSC)通常是指在高于常規(guī)加工速度5～10倍的條件下進(jìn)行的切削加工。在高速加工中，必須根據(jù)不同的加工材料、加工方式、加工工藝、刀具參數(shù)并考慮刀具使用壽命和加工表面質(zhì)量來(lái)選擇切削速度。表1為加工不同工件材料時(shí)HSC 銑削與常規(guī)加工的切削速度比較。表2 為采用不同加工方式切削合金鋼時(shí)HSC 與常規(guī)加工的切削速度比較。
T G4\%S$w 表1 加工不同材料時(shí)HSC銑削與常規(guī)加工的切削速度比較
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&9)'o ooomi"u 表2 加工合金鋼時(shí)HSC 與常規(guī)加工的切削速度比較
b;Hm\aK w/qQ(] n8 3 高速加工刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化
issT{&T jA A'h A 高速加工的實(shí)現(xiàn)與刀具材料、刀具幾何形狀、被加工材料及加工參數(shù)等密切相關(guān)。下面以應(yīng)用廣泛的模具材料如鋁合金、工具鋼和鑄鐵的高速加工為例，介紹德國(guó)PTW研究所近年來(lái)對(duì)高速加工刀具工藝參數(shù)優(yōu)化研究的成果。
$eK8GMxZ# nsZDZ/jx 3.1 高速加工鋁合金的刀具工藝參數(shù)優(yōu)化
^:qpa 5^" T {hyt 1) 刀具材料
L v J CM)N8~i 加工鋁合金時(shí)，可供選擇的刀具材料有硬質(zhì)合金、陶瓷、金屬陶瓷、聚晶金剛石等。硬質(zhì)合金是高速切削鋁材的主要刀具材料。實(shí)際加工中通常使用無(wú)涂層的硬質(zhì)合金刀具，這是因?yàn)檩^厚的涂層會(huì)導(dǎo)致刀尖圓弧鈍化，而較薄的涂層則會(huì)在加工時(shí)迅速磨損，均難以起到延長(zhǎng)刀具壽命的作用。由于P系列和M系列硬質(zhì)合金中含有TiC成分，而TiC與鋁的親和性好，不利于切削，因此在粗加工時(shí)宜選用K系列硬質(zhì)合金刀具。陶瓷材料材質(zhì)較輕，常用于大型刀具；陶瓷刀具亦可用于鋁材的高速切削，但Al2O3陶瓷刀具因脆性較大而不常使用。多晶金剛石刀具的使用壽命在相同切削條件下可比硬質(zhì)合金刀具顯著延長(zhǎng)，但昂貴的價(jià)格使其難以得到廣泛使用；在加工Si含量較高的Al-Si合金時(shí)，由于硬質(zhì)合金刀具磨損很快，使用聚晶金剛石刀具則較為經(jīng)濟(jì)。近年來(lái)，綜合了聚晶金剛石和硬質(zhì)合金兩者優(yōu)點(diǎn)的CVD 聚晶金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具已得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
T^KCB\\< 1f+*Tmc5]Q 2) 刀具幾何參數(shù)
"CIpo/ebL `K$:r4/[ 刀具幾何形狀的選擇取決于鋁合金材料的抗拉強(qiáng)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(zhì)量的主要因素。刀具后角的選取會(huì)影響刀具剛度，增大后角有利于提高刀具壽命，但會(huì)降低刀刃剛度。為此可采用雙倒棱后角，在增大后角的同時(shí)保證刀具剛度。此外，刀尖圓弧半徑的選擇應(yīng)適當(dāng)，圓弧半徑過(guò)大或過(guò)小都會(huì)降低刀具使用壽命。整體刀具的螺旋角優(yōu)化值為20°～25°。表3 列出了加工不同鋁合金材料時(shí)刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)值。
-X`~;=m>U 表3 加工鋁合金材料的刀具幾何參數(shù)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)值
;~}- AI- (nkUeQQN 3) 加工工藝參數(shù)
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7l jc 研究表明，適合高速加工鋁合金材料的加工工藝優(yōu)化參數(shù)為：切削速度：≥4000m/min；每齒進(jìn)給量：0.005～0.5mm；進(jìn)給速度：加工Al-Si合金(Si<12%)和鋁銅合金時(shí)vf=1～12m/min，加工Al-Si合金(Si>12%)時(shí)vf=1～8m/min；切削率：加工Al-Si合金( Si< 12%)和鋁銅合金時(shí)為50～90cm3/mm·kW，加工Al-Si合金(Si> 12%)時(shí)為40～70cm3/mm·kW。加工Al-Si合金時(shí)應(yīng)使用冷卻液(10%～15%乳化液，20～40巴)或微量冷卻潤(rùn)滑技術(shù)(MVL，MinimumVolume Lubrication)，合理的冷卻潤(rùn)滑可使刀具壽命提高50%。
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(s%z# 4) 加工表面質(zhì)量
6&g!ZE 'G k\4g|Lya 影響工件表面加工質(zhì)量的主要因素有：①刀具徑向跳動(dòng)。②刀具磨損：當(dāng)VB>0.2mm時(shí)，加工表面質(zhì)量明顯降低，因此精加工時(shí)必須將刀具磨損量控制在VB<0.2mm 以?xún)?nèi)。③刀具工藝參數(shù)。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(rùn)滑，可獲得良好的加工表面質(zhì)量(表面粗糙度可達(dá)Ra0.1µm)；采用P系列和K系列超細(xì)顆粒硬質(zhì)合金刀具(刀尖圓弧半徑2～3µm)加工時(shí)，表面粗糙度分別可達(dá)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(zhì)量介于使用硬質(zhì)合金刀具和金剛石刀具之間。⑤與常規(guī)加工類(lèi)似，高速加工時(shí)進(jìn)給速度對(duì)表面加工質(zhì)量影響較大，但切削速度對(duì)表面加工質(zhì)量影響甚微。
Q'FX:[@x-S M \ :"~XW 3.2 高速加工工具鋼的刀具工藝參數(shù)優(yōu)化
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