高速切削刀具在數(shù)控加工中的應(yīng)用論文

　　摘要:

　　隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高,作為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分高速切削技術(shù)在模具加工制造中已得到越來越廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合高速切削技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,闡述了高速切削技術(shù)的應(yīng)用及其未來趨勢。

　　關(guān)鍵詞:

　　高速切削刀具;數(shù)控加工;應(yīng)用

　　一、高速切削技術(shù)和高速切削刀具

　　目前,切削加工仍是機械制造行業(yè)應(yīng)用廣泛的一種加工方法。其中,集高效、高精度和低成本于一身的高速切削加工技術(shù)已經(jīng)成為機械制造領(lǐng)域的新秀和主要加工手段。

　　“高速切削”的概念首先是由德國的C.S~omom博士提出的,并于1931年4月發(fā)表了著名的切削速度與切削溫度的理論。該理論的核心是:在常規(guī)的切削速度范圍內(nèi),切削溫度隨著切削速度的增大而提高,當(dāng)?shù)竭_(dá)某一速度極限后,切削溫度隨著切削速度的提高反而降低。此后,高速切削技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了以下4個階段:高速切削的設(shè)想與理論探索階段(193l—l971年),高速切削的應(yīng)用探索階段(1972-1978年),高速切削實用階段(1979--1984年),高速切削成熟階段(20世紀(jì)90年代至今)。高速切削加工與常規(guī)的切削加工相比具有以下優(yōu)點:第一,生產(chǎn)效率提高3～1O倍。第二,切削力降低30%以上,尤其是徑向切削分力大幅度減少,特別有利于提高薄壁件、細(xì)長件等剛性差的零件的加工精度。第三,切削熱95%被切屑帶走,特別適合加工容易熱變形的零件。第四,高速切削時,機床的激振頻率遠(yuǎn)離工藝系統(tǒng)的固有頻率,工作平穩(wěn),振動較小,適合加工精密零件。

　　高速切削刀具是實現(xiàn)高速加工技術(shù)的關(guān)鍵。刀具技術(shù)是實現(xiàn)高速切削加工的關(guān)鍵技術(shù)之一,不合適的刀具會使復(fù)雜、昂貴的機床或加工系統(tǒng)形同虛設(shè),完全不起作用。由于高速切削的切削速度快,而高速加工線速度主要受刀具限制,因為在目前機床所能達(dá)到的高速范圍內(nèi),速度越高,刀具的磨損越快。因此,高速切削對刀具材料提出了更高的要求,除了具備普通刀具材料的一些基本性能之外,還應(yīng)突出要求高速切削刀具具備高的耐熱性、抗熱沖擊性、良好的高溫力學(xué)性能及高的可靠性。高速切削技術(shù)的發(fā)展在很大程度上得益于超硬刀具材料的出現(xiàn)及發(fā)展。目前常用的高速切削刀具材料有:聚晶金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、陶瓷、Ti(C,N)基金屬陶瓷、涂層刀具fCVD)~超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金等刀具材料。

　　二、高速切削刀具的發(fā)展情況

　　金剛石刀具材料。金剛石刀具具有硬度高、抗壓強度高、導(dǎo)熱性及耐磨性好等特性,可在高速切削中獲得很高的加工精度和加工效率。金剛石刀具分為天然金剛石和人造金剛石刀具。然而,由于天然金剛石價格昂貴,加工焊接非常困難,除少數(shù)特殊用途外,很少作為切削工具應(yīng)用在工業(yè)中。近年來開發(fā)了多種化學(xué)機理研磨金剛石刀具的方法和保護(hù)氣釬焊金剛石技術(shù),使天然金剛石刀具的制造過程變得比較簡單,因此在超精密鏡面切削的高技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域,天然金剛石起到了重要作用。

　　立方氮化硼刀具材料。立方氮化硼(CBN)是純?nèi)斯ず铣傻牟牧?是20世紀(jì)50年代末用制造金剛石相似的方法合成的第二種超材料——CBN 微粉。立方氮化硼(CBN)是硬度僅次于金剛石的超硬材料。雖然CBN的硬度低于金剛石,但其氧化溫度高達(dá)1360℃ ,且與鐵磁類材料具有較低的親和性。因此,雖然目前CBN還是以燒結(jié)體形式進(jìn)行制備,但仍是適合鋼類材料切削,具有高耐磨性的優(yōu)良刀具材料。CBN具有高硬度、高熱穩(wěn)定性、高化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)異性能,因此特別適合加工高硬度、高韌性的難加工金屬材料。PCBN刀具是能夠滿足先進(jìn)切削要求的主要刀具材料,也是國內(nèi)外公認(rèn)的用于硬態(tài)切削,高速切削以及干式切削加工的理想刀具材料。PCBN刀具主要用于加工淬硬鋼、鑄鐵、高溫合金以及表面噴涂材料等。國外的汽車制造業(yè)大量使用PCBN刀具切削鑄鐵材料。PCBN刀具已為國外主要汽車制造廠家各條生產(chǎn)線上使用的新一代刀具。

　　陶瓷刀具。與硬質(zhì)合金相比,陶瓷材料具有更高的硬度、紅硬性和耐磨性。因此,加工鋼材時,陶瓷刀具的耐用度為硬質(zhì)合金刀具的10～20倍,其紅硬性比硬質(zhì)合金高2～6倍,且化學(xué)穩(wěn)定性、抗氧化能力等均優(yōu)于硬質(zhì)合金。陶瓷刀具材料的強度低、韌性差,制約了它的應(yīng)用推廣,而超微粉技術(shù)的發(fā)展和納米復(fù)合材料的研究為其發(fā)展增添了新的活力。陶瓷刀具是最有發(fā)展?jié)摿Φ母咚偾邢鞯毒?在生產(chǎn)中有美好的應(yīng)用前景,目前已引起世界各國的重視。在德國約70%加工鑄件的工序是用陶瓷刀具完成的,而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具總量的8%～l0%。

　　涂層刀具。涂層材料的發(fā)展,已由最初的單一TiN涂層、TiC涂層,經(jīng)歷了TiC-112o3-TiN 復(fù)合涂層和TiCN、TiA1N等多元復(fù)合涂層的發(fā)展階段,現(xiàn)在最新發(fā)展了TiN/NbN、TiN/CN,等多元復(fù)合薄膜材料,使刀具涂層的性能有了很大提高。硬質(zhì)涂層材料中,工藝最成熟、應(yīng)用最廣泛的是TiN。(氮)化鈦基硬質(zhì)合金(金屬陶瓷)金屬陶瓷與由WC構(gòu)成的硬質(zhì)合金不同,主要由陶瓷顆粒、TiC和TiN、粘結(jié)劑Ni、Co、Mo等構(gòu)成。金屬陶瓷的硬度和紅硬性高于硬質(zhì)合金而低于陶瓷材料,橫向斷裂強度大于陶瓷材料而小于硬質(zhì)合金,化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化性好,耐剝離磨損,耐氧化和擴散,具有較低的粘結(jié)傾向和較高的刀刃強度。

　　三、高速切削刀具的具體應(yīng)用情況

　　理想的刀具材料應(yīng)具有較高的硬度和耐磨性,與工件有較小的化學(xué)親和力,高的熱傳導(dǎo)系數(shù),良好的機械性能和熱穩(wěn)定性能。理想的刀具使得高速硬切削能夠作為代替磨削的最后成型工藝,達(dá)到工件表面粗糙度、表面完整性和工件精度的加工要求。硬質(zhì)合金刀具具有良好的抗拉強度和斷裂韌性,但由于較低的硬度和較差的高溫穩(wěn)定性,使其在高速硬切削中的應(yīng)用受到一定限制。但細(xì)晶粒和超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金由于晶粒細(xì)化后,硬質(zhì)相尺寸變小,粘結(jié)相更均勻地分布在硬質(zhì)相的周圍,提高了硬質(zhì)合金的硬度與耐磨性,在硬切削中獲得較廣泛應(yīng)用。

　　陶瓷刀具和CBN刀具是在高速硬車削和端面銑削中最常用的刀具。它們所具有的高硬度和良好的高溫穩(wěn)定性,使其能夠承受在硬切削過程中高的機械應(yīng)力和熱應(yīng)力負(fù)荷。與陶瓷刀具相比,CBN刀具擁有更高的斷裂韌性,因此更適合斷續(xù)切削加工。為保證工件較高的尺寸精度和形狀精度,高的熱傳導(dǎo)率和低的熱膨脹系數(shù)也應(yīng)是刀具材料所應(yīng)具有的重要性質(zhì)。因此,具有優(yōu)良綜合性能的CBN刀具是最適合用于高速硬切削的刀具。聚晶金剛石刀具的硬度雖然超過立方氮化硼刀具,但即使在低溫下,其對黑色金屬中鐵的親和力也很強,易引起化學(xué)反應(yīng),因此不能用于鋼的硬切削。

　　一般而言,PCD刀具適合于對鋁、鎂、銅等有色金屬材料及其合金和非金屬材料的高速加工;而CBN、陶瓷刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具適合于鋼鐵等黑色金屬的高速加工。故在模具加工中,特別是針對淬硬性模具鋼等高硬度鋼材的加工,CBN刀具性能最好,其次為陶瓷刀具和涂層硬質(zhì)合金。

　　結(jié)論

　　高速切削技術(shù)的問世改變了人對傳統(tǒng)切削加工的思維和方式,極大提高了加工效率和加工質(zhì)量。而高速切削與模具加工的結(jié)合,改變了傳統(tǒng)模具加工的工序流程。高速切削刀具作為高速切削技術(shù)的關(guān)鍵,隨著技術(shù)的不斷完善,將為模具制造帶來一次全新的技術(shù)革新。

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