一斯娃、切削加工制造領域面臨的挑戰(zhàn)

二配紫、高速切削加工技術(shù)的發(fā)展和應用

1. 高速切削加工理論基礎和特點
   1. 高速切削加工速度范圍
      一般主軸轉(zhuǎn)速在6000r/min以上可稱為高速切削。
   2. 高速切削加工的科學基礎
      高速(含超高速)切削技術(shù)是高速切削加工過程能量的應用中午阵，高硬的刀具(切削部分)對工件的作用導致其表面層產(chǎn)生高應變速率的高速切削變形和刀具與工件之間的高速切削摩擦學行為形成熱躺孝、力耦合不均勻強應力場制造工藝。主要集中探討最大可能的材料切除率和刀具可能最佳壽命底桂、可能的最高加工表面質(zhì)量以及系統(tǒng)的可能最好穩(wěn)定條件下可以使最大應用能量達到最大切削效率的目的植袍。因此高速切削變形理論和高速切削摩擦學是高速切削加工的兩個基本科學問題。
   3. 高速切削加工突出特點
      • 一是隨切削速度增加籽懦，切削力降低于个。
      • 二是隨切削速度提高，切屑帶走的熱量愈多暮顺，傳給刀具和工件的熱量愈少厅篓，因此切削溫度開始雖然升高很快，但達到一定速度后捶码，逐漸緩慢羽氮，甚至升高很少。
      • 是隨切削速度增加宙项，加工表面粗糙度有所減少石被。
   
   

   圖 高速切削加工科學內(nèi)涵

2. 高速切削鋁合金(7050)的二維熱力耦合不均勻場
   刀具的失效不是最大等效應力造成的，而是在熱力耦合不均勻強應力場作用下引起裂紋擴展造成的后期疲勞破損定岳。

   圖 超細晶粒硬質(zhì)合金刀具銑削45#調(diào)質(zhì)鋼(HRC35～40)前低吠、后刀面磨損V=300m/min	圖 SG4陶瓷刀具銑削淬硬45#鋼 (HRC45～50)前、后刀面磨損池膜，V=400m/min
   圖 JX－1陶瓷刀具加工GH169邊界磨損 V=62.5m/min	圖 JX-1陶瓷刀具加工GH169前后刀面磨損V=230m/min
   a) 干切削時刀具前刀面的粘結(jié)	b) 使用切削液時前刀面的粘結(jié)
   圖 可轉(zhuǎn)位刀片高速銑削7050鋁合金時的粘結(jié)磨損(V=1200m/min)

3. 刀具的磨損
   1. 前后刀面磨損形貌
   2. 磨損機理
      主要是磨粒非淹、粘結(jié)的熱——力學磨損和擴散、溶解盘称、氧化等的熱——化學磨損周讯。
4. 高速切削刀具材料
   高速切削系統(tǒng)包括刀具、工件和機床兔阿，其中刀具材料起決定性作用奔沐。高速切削時，刀具損壞機理是刀具材料合理應用的理論基礎，而刀具與工件材料的力學碘展、物理和化學性能則是合理應用的依據(jù)竿丙。

   1. 主要刀具材料
      • 金剛石：以PCD為主
      • 方氮化硼(PCBN)
        陶瓷刀具：Al₂O₃基和Si₃N₄基兩大類
      • TiC (N) 基硬質(zhì)合金(金屬陶瓷)
      • 涂層刀具：優(yōu)異的高速鋼，WC基言秸、TiC (N) 基硬質(zhì)合金和陶瓷為基體软能。復合涂層。TiN举畸，TiB2查排，TiAlN(≤800℃)，AlTiN(≤900℃)抄沮，TiAlCN跋核，CrN，CBC(DLC金剛石涂層)合是，最新的AlCrN(3200HV了罪，1100℃，更適于銑聪全、滾加工)，TiSiN(適于硬切削)辅辩，CrSiN(有潤滑性难礼，適于鋁、不銹鋼等粘結(jié)性材料加工)墩倔，TiAlN納米涂層(3300HV涂颠，900℃)。軟涂層MoS2摇皿，WS2俗齿，高速鋼基體。
      • 超細晶粒硬質(zhì)合金：晶粒0.2～0.5?m加工鋁合金泳嵌；0.6～0.8μm加工鋼鐵及合金圆滓。添加TaC、NbC等膊抄。
      • 粉末冶金高速鋼(PM HSS)和高性能高速鋼(HSS-E)
   2. 刀具材料性能
      1. 刀具材料力學性能
         硬度大写嬲尽：金剛石PCD＞立方氮化硼PCBN＞Al₂O₃基＞Si₃N₄基＞TiC(N)基硬質(zhì)合金＞W(wǎng)C基超細晶粒硬質(zhì)合金＞高速鋼HSS。
         抗彎強度大刑懦选：HSS＞W(wǎng)C基＞TiC(N)基＞Si₃N₄基＞Al₂O₃基＞PCD＞PCBN滚曾。
         斷裂韌性大小：HSS＞W(wǎng)C基＞TiC(N)基＞PCBN＞PCD＞Si₃N₄基＞Al₂O₃基蟹幔。
         耐磨性：PCD＞PCBN＞Al₂O₃基＞Si₃N₄基＞TiC(N)基＞W(wǎng)C基＞HSS制依。
      2. 刀具材料物理性能
         耐熱性：PCD700℃-800℃；PCBN1400℃-1500℃；陶瓷1100℃-1200℃雪位；TiC(N)基900℃-1100℃竭钝；超細晶粒硬質(zhì)合金WC基800℃-900℃；HSS600℃-700℃茧泪。
         導熱系數(shù)大序寻薄：PCD＞PCBN＞W(wǎng)C基＞TiC(N)基＞HSS＞Si₃N₄基＞Al₂O₃基。
         熱脹系數(shù)大卸游啊：HSS＞W(wǎng)C基＞TiC(N)基＞Al₂O₃基＞PCBN＞Si₃N₄基＞PCD穴吹。
         抗熱震性大小：HSS＞W(wǎng)C基＞Si₃N₄基＞PCBN＞PCD＞TiC(N)基＞Al₂O₃嗜侮。
      3. 刀具材料化學性能
         黏結(jié)港令、化學反應、化學穩(wěn)定性(擴散锈颗、氧化顷霹、溶解)等性能。
         抗黏結(jié)溫度高低(與鋼)：PCBN＞陶瓷＞硬質(zhì)合金＞高速鋼击吱。
         抗黏結(jié)溫度高低(與鎳基合金)：陶瓷＞PCBN＞硬質(zhì)合金＞金剛石＞高速鋼淋淀。
         抗氧化溫度高低：陶瓷＞PCBN＞硬質(zhì)合金＞金剛石＞高速鋼。
         擴散強度大小(對鋼鐵)：金剛石＞SiC＞Si₃N₄基＞PCBN＞Al₂O₃基帖与。
         Si₃N₄基加工鋼不如Al₂O₃基陶瓷)萍卑。
         擴散強度大小(對鈦)：Al₂O₃基＞PCBN＞SiC＞ Si₃N₄＞金剛石。
         陶瓷刀具材料在鐵中的溶解度大小(在1323℃)：SiC＞TiC＞TiN＞ Al₂O₃＞ZrO2架看。
         刀具材料切鋼(未淬硬)溶解度大小(在1027℃)：SiC＞Si₃N₄基＞金剛石＞W(wǎng)C基＞PCBN＞TiN＞TiC＞ Al₂O₃基＞ZrO₂爬韧。(PCBN不宜加工鐵素體和45HRC以下的鋼件)
   3. 刀具材料合理選用
      1. 加工鋁合金：金剛石最適于高速切削。但復雜刀具锦列，可用整體超細晶粒硬質(zhì)合金及其涂層刀具高速加工結(jié)構(gòu)鋁及其合金奏喜。
      2. 加工鋼和鑄鐵及其合金：Al₂O₃基陶瓷刀具適于軟、硬高速切削誊预；PCBN適于45-65HRC以上高硬鋼的高速切削效益；Si₃N₄和PCBN更適于鑄鐵及其合金的高速切削，但不宜于切削以鐵素體為主的鋼鐵橡吗；WC基超細硬質(zhì)合金及其TiCN谢市、TiAlN、TiN涂層刀具和TiC(N)基硬質(zhì)合金刀具胶见，特別是整體復雜刀具可加工鋼和鑄鐵寞奸。
      3. 加工超級合金：增韌補強的氧化鋁基和Si₃N₄基陶瓷刀具(如SiC晶須增韌)和Sialon陶瓷刀具適于加工這類合金。PCBN刀具可以100-200m/min的切削速度加工在跳。超細晶粒硬質(zhì)合金及其涂層刀具枪萄，特別是復雜刀具隐岛。
      4. 加工鈦合金：一般可用WC基超細晶粒硬質(zhì)合金和金剛石刀具。采用潤滑性能良好的切削液瓷翻，可獲得較好的結(jié)果聚凹。
   4. 高速切削刀具磨損壽命模型
      

      式中	a——工件硬度常數(shù) K——常數(shù) Ka——磨粒磨損系數(shù) Kh——粘結(jié)磨損系數(shù) Kd——擴散磨損系數(shù) KQ——有關(guān)擴散激活能常數(shù) n——常數(shù) Pa——磨粒磨損磨粒硬度 Pt——刀具硬度 T——刀－工接觸面平均溫度 Vc——切削速度 VB——刀具后刀面磨損寬度 g0——刀具前角 a0——刀具后角 R——刀刃圓弧半徑 s——刀－工接觸面平均正應力

      該模型可作為刀具材料合理選用和刀具結(jié)構(gòu)設計與切削用量選用的重要理論依據(jù)。
   5. 新刀具材料的研究和開發(fā)
      融合切削學和刀具材料學于一體的基于切削可靠性的刀具材料研究設計理論體系齐帚，高速切削刀具材料首先保證高的可靠性妒牙。
      該模型為新刀具材料研究開發(fā)提供了理論。

   圖 高速刀具材料設計和制備理論體系

5. 高速切削刀具結(jié)構(gòu)優(yōu)化和創(chuàng)新
   以刀具可靠性对妄、安全性湘今、高效率、長壽命為目標剪菱，在結(jié)構(gòu)參數(shù)摩瞎、幾何形狀、可轉(zhuǎn)位刀具的刀體材料和裝夾結(jié)構(gòu)等渗某。例如從安全性看磕糙，可轉(zhuǎn)位面銑刀，旋轉(zhuǎn)離心力造成刀片夾緊折焙；螺釘破壞和刀體變形有最主要的影響晶睦，立裝銑刀優(yōu)于平裝銑刀。鋁合金刀體優(yōu)于鋼件刀體层漠。又如混合刀齒的面銑刀膀娱，大進給切削的立銑刀。
6. 高速切削加工的刀柄系統(tǒng)
   有單面接觸的BT系統(tǒng)(刀柄錐度7︰24)抢督，雙面接觸的HSK系統(tǒng)(刀柄錐度1:10)
   BT40刀柄聯(lián)結(jié)的最佳轉(zhuǎn)數(shù)范圍為0～12000r/min，12000～15000r/min仍可使用写并，15000r/min以上由于精度降低無法使用喧雹。HSK－63A刀柄最佳轉(zhuǎn)速范圍為0～30000r/min，超過這個范圍精度有所降低于嚼。還有日本大昭和公司的雙面接觸(BIG PLUS)7:24刀柄可用于高速越名、高效切削加工，并能與現(xiàn)有的7:24刀柄兼容处监。其它還有Kennametal渺蒿、Sandivik、Nikken等公司的高速刀柄彪薛，各有特點茂装。目前以HSK刀柄應用較普遍。
7. 高速切削刀具的動平衡
   高速切削旋轉(zhuǎn)刀具系統(tǒng)在6000r/min以上必須平衡善延，以保證安全少态，要求平衡品質(zhì)(mm/s)G≤2.5城侧。
   

   G=w×e=	pN	×	U	×	pUN
   	30		M		30×M

   式中

   e——偏心(g×mm/Kg) M——刀體質(zhì)量(Kg) w——角速度(r/s) m——不平衡量(g) N——轉(zhuǎn)速(r/min) r——不平衡半徑(mm) U——殘余不平衡量(g×mm) U=m×r

   陶瓷刀具車削淬硬鋼(HRC60～62)

8. 高速涂層刀具高速切削加工模具實例

三、高速硬切削技術(shù)

四、高效復合加工技術(shù)

五、結(jié)束語