高速加工大幅度提高了生產(chǎn)率和加工精度贝崎，顯著地降低了制造費用况逼，簡化了零件制造工藝流程披腻，促進了生產(chǎn)模式的變革寝丹。在切削鋁合金等輕金屬材料時，高速加工已經(jīng)取得了非常明顯的效果唱撩，而對淬硬鋼等難加工材料仍存在許多困難肩堡。加工鋁合金的切削速度超過臨界值時，切削力隨切削速度提高而顯著下降殃倒；但在加工淬硬鋼時切削力沒有明顯的臨界值都璃，至多是隨切削速度提高，切削力的增加速度減緩耽翁。此外旭贬，加工淬硬鋼時刀具很容易磨損，這限制了切削速度不能夠太高搪泳。雖然高速加工淬硬鋼不象加工鋁合金那樣可使加工成本顯著降低稀轨，但其切削效率和加工質(zhì)量卻比傳統(tǒng)加工(如電火花和手工拋光加工)有了很大的改進，這對增強企業(yè)的競爭力無疑是非常重要的岸军。加工淬硬鋼要求切削刀具有很高的硬度和韌性奋刽，能夠承受很大的沖擊載荷；另由于切削過程中刀刃切削部分的溫度很高艰赞，必須保證涂層在高溫下能與基體牢固地結(jié)合佣谐，不致脫落或氧化變質(zhì)肚吏。目前，可用于淬硬鋼高速加工的刀具材料有涂層硬質(zhì)合金狭魂、超細晶粒硬質(zhì)合金罚攀、金屬陶瓷、陶瓷刀具雌澄、CBN斋泄、PCBN 等。

　　我國陶瓷刀具在高速加工中的應(yīng)用尚處于研發(fā)階段略雪，而且由于陶瓷屬于脆性材料癌蚂，多用于車削等連續(xù)加工的場合。立方氮化硼硬度很高摩赎，而且具有很強的沖擊韌性在策，但其價格昂貴，不完全適用于生產(chǎn)現(xiàn)場隘唁。常用的硬質(zhì)合金刀具基體有WC基敌灰、TiC(N)基(金屬陶瓷)等。與WC基硬質(zhì)合金相比杏疑，TiC(N)基具有較好的高溫硬度剿液、刀刃強度高、摩擦系數(shù)小袱类，增加氮的含量可以提高硬度和抗彎強度，因此特別適合于淬硬鋼的加工柱爵。此外趣匪，可通過細化晶粒甚至使用納米晶粒硬質(zhì)合金大幅度地提高硬度和韌性，但這些硬質(zhì)合金價格昂貴晒来，還難于推廣應(yīng)用钞诡。

　　硬質(zhì)合金涂層刀具使用壽命不及 CBN刀具，但是硬度湃崩、韌性都很好荧降，而且價格適中，所以在工廠中得到了較為廣泛的應(yīng)用攒读。涂層刀具是通過5CV和PVD方法在硬質(zhì)合金和高速鋼基體上涂敷不同的氮化物朵诫、氧化物和硼化物等材料以提高刀具的切削性能。涂層的功能是使刀具和所切削的材料分隔開來薄扁，起到減小磨損剪返、減少粘結(jié)和隔熱的作用，以延長刀具的使用壽命邓梅。涂層材料視其性能可分為硬涂層(TiN脱盲、TiCN邑滨、TiAlN、TiAlCN等)和軟涂層(MoS2钱反、WS2等)掖看。硬涂層具有較高的硬度，軟涂層有很小的摩擦系數(shù)冷泵。加工淬硬鋼宜采用硬涂層馁捌，其中采用PVD工藝的TiAlN刀具的高速切削性能優(yōu)異，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用較多塞这。采用超細晶粒硬質(zhì)合金基體和TiAlN涂層的刀具是目前比較經(jīng)濟可行的刀具数凫。

　　本文通過正交實驗，分析了加工切削用量和刀具涂層對硬質(zhì)合金刀具高速加工淬硬鋼時的刀具磨損和破損以及表面粗造度的影響窜鳍；分析了刀具材料森烦、刀具幾何角度和尺寸、切削用量稻嘱、走刀方式维愈、加工策略優(yōu)選等問題。

　　切削實驗在立式加工中心YCM-V85A上進行(最高轉(zhuǎn)速8000r/min)罢令，使用TR240表面粗糙度儀測量表面粗糙度林狈，用XTD20顯微攝影系統(tǒng)觀察刀具磨損。刀具為STANA整體硬質(zhì)合金TiAlCN涂層平底立銑刀和未涂層立銑刀媒埃，直徑有6mm和8mm兩種菜碌，改變軸向切深ap，徑向切深ae進行實驗题山。工件是45號鋼經(jīng)整體淬火兰粉，硬度達60HRC，部分工件由于材質(zhì)不均顶瞳，存在硬質(zhì)點玖姑。高速切削淬硬鋼時通常不需要冷卻液，采用主軸中心孔噴壓縮冷空氣的方法可有效地進行冷卻慨菱，實驗采用干切削方式進行直線銑槽加工焰络，總加工長度1.5m。

　　涂層刀具加工淬硬鋼的切削性能

　　(1)刀具結(jié)構(gòu)形式

　　硬質(zhì)合金銑刀按刀具結(jié)構(gòu)的形式可分為平底銑刀符喝、球頭銑刀和可轉(zhuǎn)位銑刀等闪彼。平底銑刀的刀尖最容易破損，刀具很容易失效洲劣。實際應(yīng)用中备蚓，在同等條件下球頭銑刀的使用壽命要比平底銑刀長，主要原因是球頭銑刀刀尖沒有象平底銑刀刀尖那樣薄弱囱稽，并有利于切削刃上載荷的均勻分布郊尝。但是二跋，球頭銑刀的制造比平底銑刀更困難∫掌耍可轉(zhuǎn)位銑刀的刀片可以根據(jù)加工條件設(shè)計成各種有利于延長刀具壽命的形式哭练，容易實現(xiàn)批量生產(chǎn)，并且可以輪流使用各刀刃來進行切削加工米法；但是要制作這種銑刀僧憾，刀具直徑一般要大于8mm，不能用于一些很小的型腔的加工短户。淬硬零件的粗加工應(yīng)盡可能使用可轉(zhuǎn)位銑刀荐呵，精加工選擇整體式球頭銑刀或平底銑刀。

　　(2)刀具磨損及破損

　　實驗結(jié)果表明唇锡，整體硬質(zhì)合金涂層平底立銑刀高速加工淬硬鋼時蔬聚，刀具的失效形式上主要有刀尖破損、非正常破損矗绅、切削刃疲勞磨損墙违、涂層燒傷與脫落等。其中刀尖破損最為常見叼枝，這是因為刀尖處剛性差诽表，而加工過程中，往往是刀尖先接觸工件隅肥。破損以后刀尖附近的涂層被破壞竿奏，加快了刀具失效的速度。由于刀尖破損失效在加工淬硬鋼時尤為突出腥放，因此應(yīng)該選擇刀尖剛性較好的刀具結(jié)構(gòu)议双，如采用底刃與側(cè)刃有圓弧過渡的立銑刀。由于工件在淬火后硬度大大提高捉片，若淬火后工件材質(zhì)不均、有裂紋汞舱，將使它的可加工性能大大降低伍纫。當加工到淬火后出現(xiàn)的局部硬質(zhì)點位置時，切削力會突然變大昂芜，容易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象莹规。

　　實驗結(jié)果表明，由于涂層的隔熱作用泌神，涂層刀具要比普通刀具有更好的耐高溫性能良漱。在實驗過程中，當?shù)毒咔邢鞯接操|(zhì)點時溫度突然升高棠裹，飛出的切屑呈現(xiàn)劇烈火花忆和，切削完成后刀刃依然鋒利数壤，說明實驗用的整體硬質(zhì)合金涂層刀具切削性能良好，利用涂層刀具可以對淬硬鋼進行干式高速加工龟聊，而且可以獲得較好的表面質(zhì)量 (Ra%lt;0.5μm)趣闻；而未涂層的硬質(zhì)合立銑刀的加工表面質(zhì)量很差，并且刀具被嚴重燒傷暑吹。

　　影響刀具磨損和破損的主要因素還包括刀具材料存学、幾何角度和直徑，切削用量和走刀方式等凄跑。

　　(3)刀具角度

　　影響立銑刀切削性能的角度主要有前角优生、后角、刃傾角(螺旋角)炭刺。由于加工淬硬鋼時刀具失效的主要形式為刀尖破損泪确，因此，應(yīng)當選擇適當?shù)牡毒呓嵌纫蕴岣叩都獾目箾_擊強度算行，如采用較小的前角和后角梧油。某文獻采用TiAlN涂層刀具加工硬度為55HRC以上的淬硬鋼，用不同前角 (+15°州邢，+5°儡陨，-5°，-15°量淌，)和螺旋角(30°骗村，45°，60°)的刀具切削60HRC的材料呀枢，發(fā)現(xiàn)前角為-15°和螺旋角為60°的刀具磨損最小胚股，表明大的螺旋角和負前角可以減小刀具磨損。

　　對于可轉(zhuǎn)位銑刀裙秋，不同的刀片形狀有不同的刀尖強度琅拌，一般刀尖角越大，刀尖強度越大摘刑，反之亦然进宝。圓刀片(R型)刀尖角最大，35°菱形刀片(V型)刀尖角最小枷恕。加工淬硬鋼時應(yīng)選用刀尖角較大的刀片佩嘀，由于刀尖角越大切削力越大，要求機床具有良好的剛性和較大的功率遵艰。

　　直徑相同的銑刀沫杜，齒數(shù)越多，刀桿的剛性越好电摔，并且可以采用的進給速度越大垛岛，因此切削效率越高暴艘；但是兩條切削刃之間的容屑空間小，排屑性變差翠笛。雙齒銑刀適合采用較大的切削深度加工材質(zhì)較軟的工件由饵，而多齒銑刀則適合用小切削深度加工高硬度(如淬硬鋼)材料。

　　(4)刀具直徑

　　刀具直徑越大桦徘，刀具的成本也越大故咽。大直徑刀具容易給切削刃提供更大的支撐面，剛性好橄文，因此大直徑刀具比小直徑耐磨化刻。對于兩種涂層立銑刀，在相同的切削參數(shù)和加工長度條件下上陕，?6mm的銑刀刀尖的破損要比?8mm的嚴重桩砰，?8mm的刀具比?6mm的更加耐磨，兩者的加工表面質(zhì)量相差不大释簿。在用小直徑銑刀加工淬硬鋼時亚隅，要考慮整個刀桿能承受的最大載荷，因此庶溶，用小直徑銑刀時切削深度和進給速度一般都很小煮纵。由于加工過程的不穩(wěn)定因素(如機床主軸的不穩(wěn)定性和切削過程中載荷的變化等)，使用小直徑銑刀時常常出現(xiàn)斷刀現(xiàn)象偏螺。

　　(5)切削用量

　　通過對正交實驗結(jié)果的分析行疏，研究了切削用量對工件表面質(zhì)量的影響，如表1所示套像。表明酿联，在所選的各種試驗水平中，當主軸轉(zhuǎn)速為 6000r/min(Vc=110m/min)夺巩，進給f=400mm/min贞让，ac=0.05mm時工件的表面質(zhì)量最好；進一步提高這三個參數(shù)還可以降低表面粗糙度右木，但是此時刀具壽命可能會很低共撰，需作進一步研究、試驗故碱。三個因素中，切削速度變化引起Ra的變化范圍的最大驶恨，即它對粗糙度的影響最大炎殃，其次是進給量，而切削深度的影響最小道婚。

　　下面分別討論各種切削用量對加工過程的影響和實際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題：

　　切削速度

　　切削速度是影響刀具壽命的主要原因之一件牧。在傳統(tǒng)的切削加工中仪但，總是先選好切削深度和進給速度，再根據(jù)刀具耐用度選擇合適切削速度侮压，就是因為提高切削速度會使刀具壽命大大下降呀净。在高速加工中，當切削速度的提高到一定值時蠕膀，可以使被加工部位先“軟化”再切除好猪，從而使切削力降低或使它的提升減緩，在一定程度上改善了切削條件社露。確定適當?shù)那邢魉俣葘Ω咚偌庸し浅Ｖ匾瑁捎诩庸ご阌蹭摏]有明顯的“臨界速度”，而且用不同的機床和刀具加工不同的材料時其值相差很大峭弟，目前還沒有完善的高速加工工藝參數(shù)表可供參考附鸽，所以工藝人員應(yīng)勇于嘗試并根據(jù)刀具的實際使用情況以優(yōu)選切削速度。日本安田公司采用YASDAYBM- 640V進行切削試驗獲得了切削速度與刀具壽命的關(guān)系曲線瞒瘸。試驗表明切削硬度為50HRC的材料坷备，Vc=150～200m/min時，刀具壽命較長情臭。

　　進給速度

　　高速加工的進給速度對刀具壽命省撑、加工效率和加工精度都有著很大的影響。在很高的切削速度下進給速度也必須達到一定水平谎柄，不允許有明顯的滯后丁侄。過低的進給速度不但切削效率低，甚至會使工件表面和刀具燒傷朝巫。然而鸿摇，當進給速度太高時，加工表面質(zhì)量會降低蒙亦，切削力提高皮卸，刀具容易磨損甚至出現(xiàn)斷刀現(xiàn)象。

　　切削深度

　　切削深度是提高效率的重要因素离饺。對于提高切削效率猿池，粗加工和精加工的要求不同，粗加工表現(xiàn)為單位時間內(nèi)去除切屑的體積疼尺，而精加工為刀具在單位時間內(nèi)切削面積罚蛾。高速加工提倡的是以較小的切削深度切削同時用很高的進給速度提高切削效率，這在精加工時非常適用氛侨。但是對粗加工缩笤，有時從增大切削深度(尤其是軸向切削深度)來提高效率會更加明顯，而且增加切削深度可以減少進刀次數(shù)，對刀具有一定的好處殿恤。YASDA機床的切削試驗表明增大徑向切深可延長刀具壽命盲趟。

　　選擇切削用量時，應(yīng)兼顧加工效率和刀具壽命慎陵，不能一味地提高切削速度和進給速度眼虱。如果切削過程刀具磨損很快，或者加工精度達不到要求席纽，再快的切削速度也沒有用捏悬。良好的切削方法應(yīng)對各種因素的影響進行綜合考慮。如日本的福井雅彥教授提出的“FukuiClimbing”切削法胆筒，這種方法主要用于深腔的粗加工邮破，切削速度不是很高，主要利用平底銑刀的側(cè)刃來銑削仆救，切削過程采用較大的軸向切削深度和較小的徑向切削深度抒和，這種切削方法減少刀尖與工件的接觸時間，充分利用了側(cè)刃的銑削功能彤蔽，從而降低刀具因刀尖破損而報廢損失摧莽，提高了切削效率。

　　(6)走刀方式

　　走刀路徑不合適是引起刀具非正常破損的主要原因顿痪。在高速加工淬硬鋼時必須使切削過程盡量平穩(wěn)镊辕，走刀方向突然改變和載荷的突然增加都可能使刀具破損。良好的走刀路徑可有效地延長刀具的使用壽命和提高加工效率蚁袭。余擺線式走刀和螺旋走刀是兩種較優(yōu)的高速銑走刀方法掸柏。余擺線式走刀主要用于加工溝槽類型腔，采用直徑小于槽寬的銑刀沿余擺線走刀可避免刀具以全刀寬切入工件淆逛，有效地減小了加工淬硬鋼的切削力及刀具與工件的接觸面椒玖，延長刀具壽命；螺旋走刀是一種連續(xù)的走刀方式倒你，除了可以提供更為平穩(wěn)的刀具路徑外胯夏，還避免了在環(huán)切中的環(huán)間移刀和等高加工時的層間移刀，大大地減少了切入切出和走拐角時加減速的次數(shù)鼓宿，故高速加工淬硬鋼時應(yīng)盡量采用螺旋走刀豆出。受CNC機床加工工藝條件的限制，一些特殊型面的加工很難由CNC機床完成情键，如窄槽和幾個平面相交出現(xiàn)尖角(銳角)的地方吵淌，刀具切削刃難以到達，另外窄槽加工也存在難點钢墩。對這些型面應(yīng)在零件設(shè)計時盡量避免被处，必須采用的時候可用電火花加工和線切割來完成腹呀。

　　結(jié)論

　　涂層刀具是目前高速加工淬硬鋼比較經(jīng)濟可行的刀具，高速加工淬硬鋼時刀具的主要失效形式為刀尖破損栏尚，應(yīng)當選擇適當?shù)牡毒呓嵌龋绱蟮穆菪侵缓蕖⑤^小的前角和后角以及刀尖(刀刃)的剛性較好的涂層刀具译仗。切削速度變化對粗糙度的影響最大，其次是進給量官觅，切削深度的影響最小纵菌。高速加工淬硬鋼的切削用量因工件和刀具而異，應(yīng)兼顧加工效率和刀具壽命休涤。在選擇高速加工淬硬鋼走刀方式時應(yīng)盡量使切削過程平穩(wěn)咱圆，盡量采用螺旋走刀。

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