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简析现代化机床作业对于刀具的具体要求

作者:www.cechina.cn2017.01.04

  随着数控机床和加工中心等高效设备应用的日渐普及,在航空航天汽车高速列车风电、电子、能源、模具等装备制造业的空前发展推动下,切削加工已迈入了一个以高速、高效和环保为标志的高速加工发展的新时期—现代切削技术阶段。
  高速切削、干切削和硬切削作为当前切削技术的重要发展趋向,其重要地位和角色日益凸显。对这些先进切削技术的应用,不仅令加工效率成倍提高,亦着实推动了产品开发和工艺创新的进程。例如,精密模具硬质材料的型腔,采用高转速、小进给量和小吃深加工,既可获得很高的表面质量,又能够省却磨削、EDM和手工抛光或减少相应工序的时间,从而缩短生产工艺流程,提高生产率。
  过去一些企业制作复杂模具时,基本上都需要3~4个月才能交付使用,而现在采用高速切削加工後,半个月便可完成。据调查,一般的工模具,有60%的机加工量可用高速加工工艺来实现。
  高速加工时,不但要求刀具可靠性高、切削性能好、能稳定地断屑和卷屑、还要能达成高精度,并能实现快换或自动更换等。因此控制工程网版权所有,对刀具材料、刀具结构、以及刀具的装夹都提出了更高要求。
  对刀具材料的要求
  高速加工刀具最突出的要求是,既要有高的硬度和高温硬度,又要有足够的断裂韧性。为此,须选用细晶粒硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、聚晶金刚石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)等刀具材料—它们各有特点,适应的工件材料和切削速度范围也都不同。例如,高速加工铝、镁、铜等有色金属件,主要采用PCD和CVD金刚石膜涂层刀具。高速加工铸件、淬硬钢(50~67HRC)和冷硬铸铁主要用陶瓷刀具和PCBN刀具。
  上海大众汽车有限公司采用Seco刀具(上海)公司生产的立方氮化硼CBN300刀片面铣刀,在柔性生产线上高速铣削发动机缸体平面(铸件),切削速度高达1600m/min控制工程网版权所有,进给速度5000mm/min。用PCD刀具加工铝合金的切削速度一般为3000-4000m/min控制工程网版权所有,最高更可达7500m/min。而用陶瓷和PCBN刀具加工淬硬钢和冷硬铸铁时的切削速度已达200m/min。

  1.硬质合金已迈入细晶粒超细晶粒阶段
  涂层硬质合金刀具(如TiN、TiC、TiCN、TiAlN等)虽其加工工件材料范围广,但抗氧化温度一般不高,所以通常只宜在400-500m/min的切削速度范围内加工钢铁件。对於Inconel718高温镍基合金可使用陶瓷和PCBN刀具。据报道,加拿大学者用SiC晶须增韧陶瓷铣削Inconel718合金,推荐最佳的切削条件为:切削速度700m/min控制工程网版权所有,吃深为1-2mm,每齿进给量为0.1-0.18mm/z。
  目前,硬质合金已进入细晶粒(1-0.5μm)和超细晶粒(<0.5μm)的发展阶段,过去细晶粒多用於K类(WC+Co)硬质合金,近几年来P类(WC+TiC+Co)和M类(WC+TiC+TaC或NbC+Co)硬质合金也向晶粒细化方向发展。
  以往,为提高硬质合金的韧性,通常是增加钴(Co)的含量,由此带来的硬度降低如今可以通过细化晶粒得到补偿,并使硬质合金的抗弯强度提高到4.3GPa,已达到并超过普通高速钢(HSS)的抗弯强度,改变了人们普遍认为P类硬质合金适於切钢、而K类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基的超细晶粒K类硬质合金,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麻花钻为例,其用细晶粒硬质合金制造,并涂覆耐热、耐摩擦的润滑涂层,在高速湿式加工结构钢和合金钢(SCM)时,切削速度200m/min控制工程网版权所有,进给速度1600mm/min控制工程网版权所有,加工效率提高了2.5倍,刀具寿命提高2倍;干式钻孔时,切削速度150m/min控制工程网版权所有,进给速度1200mm/min。
  2.涂层提升到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段
  现如今,涂层已进入到开发厚膜、复合和多元涂层的新阶段,新开发的TiCN、TiAlN多元超薄、超多层涂层(有的超薄膜涂层数可多达2000层控制工程网版权所有,每层厚约1nm)与TiC、TiN、Al2O3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、涂层与基体的结合强度、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。
  涂层刀具已成为现代切削刀具的标志,在刀具中的使用比例达到60%。涂层硬质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)公司用纳米技术推出的一种超长寿命LL涂层立铣刀,用其加工零件硬度超过70HRC淬硬模具钢材时控制工程网版权所有,刀具寿命可延长2-3倍。淘宝网女装瘦腰丰胸红血丝抗痘祛痘产品哪种好护肤排毒方法哪种好毛孔身体去皱什么牌子的好
  瑞典Sandvik公司新推出的3种涂层刀片(GC4225、GC4240、GC1030)具有较广的通用性,GC4225(突破一号)作为GC4025(P25)牌号的升级产品,用其加工汽车曲轴钢锻件时,在相同切削条件下的刀具寿命为每个切削刃可加工41个零件,而GC4025每个切削刃能加工的零件数目为14个。
  山高(Seco)Jabro全新推出的整体硬质合金通用加工铣刀Solid2系列刀具不仅采用了新材质,更导入新的涂层,可适用的加工温度由普通刀具的800摄氏度提高到了现有的1100摄氏度,显着提高了加工效率和刀具寿命。同时,Solid2系列均采用了刃口钝化处理和径向全周铲背处理技术,使得刀具的涂层与材质结合更加完美,刀具的可重磨次数也大幅提高。
  美国Kennametal公司推出的H7刀片系TiAlN涂层,专为高速铣削合金钢、高合金钢和不锈钢而设计。而德国Guhring公司推出的商品名为“Fire”的孔加工刀具涂层,则是一种通用性的复合涂层—融汇有TiN、TiCN和TiAlN三种涂层,兼具这三种涂层材料的优点,既适用於干切削和硬切削,也适合普通切削。
  特别值得强调的是,近几年发展起来的在硬质合金表面涂覆金刚石的技术,使硬质合金不仅在黑色金属领域,而且在有色金属领域中的切削效率获得了全面提高。由此可知,硬质合金今後仍将是制作高速加工刀具的主要基体材料。
  目前,美国、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(如Sandvik公司的CD1810和美国Kennametal公司的KCD25牌号)等产品,用於有色金属和非金属材料的高速精密加工。而另一种适於加工钢铁材料的CBN涂层也已开发成功,并正走向工业试用阶段。
  对刀具几何参数和断屑槽的要求
  1.几何参数
  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。
  这是由於刀具与切屑、以及刀具与工件接触区界面上温度较高所引起的。因此控制工程网版权所有,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。
  为防止刀尖处热磨损,主副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖,以增大刀尖角,加大刀尖附近刃区切削刃的长度和刀头材料的体积,以提高刀具刚性和减少切削刃破损的概率。
  美国Carboloy公司推出的一种适於干切削用的ME-13新型硬质合金刀片,其具有大前角(达34°)、加强刃并有一个带筋的前刀面,显着减少了切屑与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达55HRC模具钢时,切削速度120m/min控制工程网版权所有,进给速度7.6m/min控制工程网版权所有,轴向吃深0.51mm,径向吃深0.25mm,采用干式切削,刀具使用寿命则长达1.5h。
  国外还开发了带正前角的螺旋形切削刃铣削刀片,使刀具有更合理的几何参数,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%。
  美国一家公司采用这种新型刀片制作的立铣刀干铣削17-4PH不锈钢的周边,切削用量为:铣削速度304m/min控制工程网版权所有,进给速度1270mm/min控制工程网版权所有,每齿进给量为0.14mm/z,20S去除余量36cm3。
  2.断屑槽型
  为能稳定地断屑和卷屑,刀片上须作出合适的断屑槽型。目前,可转位刀片上三维曲面断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断屑槽型系列。
  如瑞典Sandvik公司推出的R、M和F等槽型系列(钢材粗加工、半精加工和精加工相应采用PR、PM和PF的槽型www.cechina.cn,切不锈钢时用MR、MM和MF的槽型,切铸件和有色金属用KR、KM和KF的槽型),以及以色列Iscar公司以“霸王刀”为典型的槽型设计都独树一帜。
  这些刀片上断屑槽的断屑范围宽,适应性好。它们都具有空间切削刃和曲面前刀面,切削刃上的法前角可调整为零度或负值,而工作前角为合适的正值,所以切削力小,刃口强度高,抗高速时的磨损能力强,预示着高速加工刀具刃形结构发展的方向。

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