1 引言

　　高速加工作為一種先進的切削技術(shù)贱起，自二十世紀(jì)八十年代以來得到了日益廣泛的應(yīng)用索烹。高速加工采用遠高于常規(guī)加工的切削速度和進給速度届案，不僅可提高加工效率屠列，縮短加工工時，同時還可獲得很高的加工精度伞矩。隨著高速加工主軸技術(shù)的發(fā)展笛洛，與其配套的新型刀具不斷出現(xiàn)，對高速加工用刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化研究也不斷深入乃坤。目前政庆，德國、美國驼吓、日本等工業(yè)發(fā)達國家對高速加工技術(shù)的研究和應(yīng)用處于世界領(lǐng)先地位仲工，特別是德國對高速加工的研究起步較早，成果較多配赊。早在1984 年母卵，德國國家研究技術(shù)部(DFG)就出資700 萬馬克資助德國Darmstadt 工業(yè)大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)和機床研究所(PTW，Institute of Productionand Engineering and Machine Tools)與41 家公司進行了為期4 年的合作积苞，全面開展對高速加工切削機理慈柑、高速加工工藝、高速加工用機床與刀具的研究这疟。由于政府的高度重視和大力資助菱计，研究工作取得了豐碩成果。德國不少公司很快掌握了高速加工技術(shù)虹婿，并不斷支持和推動該項技術(shù)的深入研究與發(fā)展壤生。

　　2 高速加工的特點

　　高速加工(High Speed Cutting，簡稱HSC)通常是指在高于常規(guī)加工速度5～10倍的條件下進行的切削加工朝刊。在高速加工中耀里，必須根據(jù)不同的加工材料、加工方式、加工工藝备韧、刀具參數(shù)并考慮刀具使用壽命和加工表面質(zhì)量來選擇切削速度劫樟。

　　3 高速加工刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化

　　高速加工的實現(xiàn)與刀具材料、刀具幾何形狀织堂、被加工材料及加工參數(shù)等密切相關(guān)叠艳。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

　　刀具材料

　　加工鋁合金時易阳，可供選擇的刀具材料有硬質(zhì)合金附较、陶瓷、金屬陶瓷潦俺、聚晶金剛石等拒课。硬質(zhì)合金是高速切削鋁材的主要刀具材料。實際加工中通常使用無涂層的硬質(zhì)合金刀具事示，這是因為較厚的涂層會導(dǎo)致刀尖圓弧鈍化早像，而較薄的涂層則會在加工時迅速磨損，均難以起到延長刀具壽命的作用暇寸。由于P系列和M系列硬質(zhì)合金中含有TiC成分著平，而TiC與鋁的親和性好，不利于切削庸磅，因此在粗加工時宜選用K系列硬質(zhì)合金刀具枝捷。陶瓷材料材質(zhì)較輕，常用于大型刀具奋完；陶瓷刀具亦可用于鋁材的高速切削宽藏，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)合金刀具顯著延長淫兑，但昂貴的價格使其難以得到廣泛使用闺撩；在加工Si含量較高的Al-Si合金時，由于硬質(zhì)合金刀具磨損很快嫂藏，使用聚晶金剛石刀具則較為經(jīng)濟榔夹。近年來，綜合了聚晶金剛石和硬質(zhì)合金兩者優(yōu)點的CVD 聚晶金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具已得到越來越廣泛的應(yīng)用峻胞。

　　刀具幾何參數(shù)

　　刀具幾何形狀的選擇取決于鋁合金材料的抗拉強度和Si成分含量答渔。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)量的主要因素侥涵。刀具后角的選取會影響刀具剛度沼撕，增大后角有利于提高刀具壽命，但會降低刀刃剛度芜飘。為此可采用雙倒棱后角务豺，在增大后角的同時保證刀具剛度磨总。此外，刀尖圓弧半徑的選擇應(yīng)適當(dāng)笼沥，圓弧半徑過大或過小都會降低刀具使用壽命蚪燕。整體刀具的螺旋角優(yōu)化值為20°～25°。

　　加工工藝參數(shù)

　　研究表明奔浅，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馆纳；每齒進給量：0.005～0.5mm；進給速度：加工Al-Si合金(Si<12%)和鋁銅合金時vf=1～12m/min汹桦，加工Al-Si合金(Si>12%)時vf=1～8m/min鲁驶；切削率：加工Al-Si合金( Si< 12%)和鋁銅合金時為50～90cm3/mm·kW，加工Al-Si合金(Si> 12%)時為40～70cm3/mm·kW舞骆。加工Al-Si合金時應(yīng)使用冷卻液(10%～15%乳化液憾顿，20～40巴)或微量冷卻潤滑技術(shù)(MVL，MinimumVolume Lubrication)相彼，合理的冷卻潤滑可使刀具壽命提高50%豺研。

　　加工表面質(zhì)量

　　影響工件表面加工質(zhì)量的主要因素有：①刀具徑向跳動。②刀具磨損：當(dāng)VB>0.2mm時阔踢，加工表面質(zhì)量明顯降低赔膳，因此精加工時必須將刀具磨損量控制在VB<0.2mm 以內(nèi)。③刀具工藝參數(shù)钩氓。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滑，可獲得良好的加工表面質(zhì)量(表面粗糙度可達Ra0.1μm)狰丝；采用P系列和K系列超細顆粒硬質(zhì)合金刀具(刀尖圓弧半徑2～3μm)加工時织刹，表面粗糙度分別可達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化团。⑤與常規(guī)加工類似佛岛，高速加工時進給速度對表面加工質(zhì)量影響較大，但切削速度對表面加工質(zhì)量影響甚微辐荷。

　　高速加工工具鋼的刀具工藝參數(shù)優(yōu)化

　　工具鋼種類繁多键袱，下列優(yōu)化工藝參數(shù)適用于除奧氏體鋼及淬硬鋼外的工具鋼高速加工。

　　刀具材料

　　高速加工工具鋼時摹闽，原則上應(yīng)選用熱強度高的P20/30系列涂層硬質(zhì)合金刀具蹄咖，其加工性能優(yōu)于僅含WC-Co 成分的K 系列硬質(zhì)合金刀具。該刀具采用TiN-PVD涂層付鹿，可獲得較長的使用壽命澜汤。

　　金屬陶瓷刀具因不含WC 成分，擴散性較小舵匾，亦可獲得較長的使用壽命俊抵，但由于脆性較大谁不，只適于切深和進給量較小的精加工時使用。
氮系陶瓷刀具一般在切削速度大于1600m/in時使用徽诲，且進給量應(yīng)控制在硬質(zhì)合金刀具的50%刹帕，同時應(yīng)嚴格選擇vc、fz谎替、ap偷溺、ae等切削參數(shù)值，以避免因刀刃破損降低刀具使用壽命亭颈。

　　加工淬火鋼時推薦使用CBN刀具婚廷，其性能價格比較合理，加工時通常應(yīng)選取較小的進給量(與使用陶瓷刀具接近)悠蹬。

　　刀具幾何參數(shù)

　　高速加工工具鋼時最重要的刀具參數(shù)是后角和刀尖圓弧半徑藏苫，刀具前角對加工性能影響不顯著(通常取為0°)。因高速加工時單位切削力減小跛拌，刀具后角可取16°～20°(大于20°后刀具穩(wěn)定性將明顯降低)信炬。對于硬質(zhì)合金刀具和金屬陶瓷刀具，在進給量較小時(如fz=0.2～0.3mm)可選用鋒利的刃型却痴；在進給量較大時采用倒棱(如0.2×20°)則可改善刀刃保持性移蔼；使用陶瓷刀具和CBN刀具時亦應(yīng)采用刀刃保護棱。

　　加工工藝參數(shù)

　　在200～400m/min切削速度下切削鋼材時漩判，會形成較多積屑瘤备饭，嚴重影響刀具使用壽命。當(dāng)切削速度提高到600m/min以上時摘沥，因排屑速度提高減少了積屑瘤形成的接觸時間幼健，可使加工條件得以改善。此外熊镣，當(dāng)切削速度低于600m/min時卑雁，產(chǎn)生的切削高溫會加速刀具中的碳化物向被加工材料中擴散，從而破壞刀具材料的晶格結(jié)構(gòu)绪囱。因此测蹲，切削速度600m/min時的切削溫度常作為切削性能改善的轉(zhuǎn)折點。此外鬼吵，刀具壽命與被加工材料性能密切相關(guān)扣甲，材料抗拉強度增大會降低刀具使用壽命。

　　對于整體硬質(zhì)合金刀具而柑，每齒進給量fz的選擇范圍為0.2～0.3mm文捶。對于可更換刀片的刀具，目前還難以給出理想的fz優(yōu)化值媒咳，由于其fz值遠大于整體硬質(zhì)合金刀具的fz值粹排，且與其它參數(shù)(特別是ae值)密切相關(guān)种远，因此其可優(yōu)化范圍很小，這也給其它參數(shù)的優(yōu)化帶來困難顽耳。

　　采用陶瓷刀具和CBN刀具加工時坠敷，工藝參數(shù)的選取與此類似，但進給量只能達到硬質(zhì)合金刀具的50%左右今捕。

　　加工表面質(zhì)量

　　當(dāng)切削速度vc=600～800m/min時数屁，加工表面質(zhì)量最好。隨著切削速度的提高希咒，表面粗糙度值最初變化不大透格，然后有所下降。表面粗糙度值隨著進給量的增加而增大顺良。高速加工鋼材時韭拙，使用冷卻液不僅不能提高加工表面質(zhì)量，反而會大大降低刀具使用壽命些栅，因此對鋼材的高速加工一般宜采用干切削祥扒，其加工表面質(zhì)量可達Ra0.1μm。

　　刀具材料

　　可用于高速加工鑄鐵(灰鑄鐵至沸、球墨鑄鐵)的刀具材料主要有硬質(zhì)合金鼻蟆、金屬陶瓷、氮化硅陶瓷和CBN等盖扔。

　　對鑄鐵的高速切削可分為750～1250m/min和1250～4500m/min兩個速度范圍匀油，但應(yīng)盡可能在較高切削速度范圍內(nèi)加工。在1250～4500m/min速度范圍內(nèi)切削鑄鐵時勾笆，最好使用Si3N4陶瓷刀具或CBN刀具钧唐。Si3N4陶瓷刀具的優(yōu)化切削速度為2000m/min，CBN刀具的優(yōu)化切削速度為3000～4500m/min匠襟。CBN刀具使用壽命較長，但價格昂貴该园，應(yīng)視具體情況選擇酸舍。

　　若機床主軸轉(zhuǎn)速、進給速度及刀具幾何參數(shù)不允許在高于1250m/min的速度下切削里初，則應(yīng)選用硬質(zhì)合金刀具和金屬陶瓷刀具啃勉。研究表明，涂層硬質(zhì)合金刀具與無涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命可相差10倍双妨；金屬陶瓷刀具與無涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命可相差2～3 倍淮阐。因此，選用P 系列或K 系列涂層硬質(zhì)合金刀具可獲得較滿意的加工效果(推薦選用P20/30 系列帶TiC/ TiN 多層涂層的硬質(zhì)合金刀具)刁品，刀具的具體選擇則應(yīng)根據(jù)加工材料和加工參數(shù)而定泣特。

　　刀具幾何參數(shù)

　　高速切削鑄鐵的刀具幾何參數(shù)與切削工具鋼時相似浩姥，但后角取值應(yīng)在12°左右。硬質(zhì)合金刀具谆威、金屬陶瓷刀具和CBN刀具應(yīng)有10μm 左右的刀尖圓角半徑簸眼；陶瓷刀具通常應(yīng)帶有0.1×10°的刀刃保護棱。

　　加工工藝參數(shù)

　　在750～1250m/min切削速度下婉饼，可采用硬質(zhì)合金刀具或金屬陶瓷刀具進行加工疤削，此時可選用較大的每齒進給量(如fz=0.8mm)，因為在一定范圍內(nèi)刀具壽命可隨進給量的增大而提高序敷；在1250～4500m/min切削速度下撬彭，可采用Si3N4陶瓷刀具或CBN刀具進行加工，與前一種切削速度范圍相比赋昔，此時每齒進給量應(yīng)減小50%左右据钱，由于切削速度高，此時獲得的進給速度仍比前一速度范圍高4～5 倍手索。
與鋼的高速切削類似钳骚，高速加工鑄鐵時也建議采用干式切削。

　　加工表面質(zhì)量

　　一般情況下唱枝，加工表面質(zhì)量可隨切削速度及進給速度的提高而改善貌嫡。但在加工鑄鐵時應(yīng)注意，鑄鐵的縱向和橫向表面粗糙度相差較大该溯，這主要是由加工時產(chǎn)生的鱗刺造成的(可在粗加工表面觀察到)岛抄。加工鑄鐵工件的最終表面粗糙度可達Ra0.2μm。

　　其它材料的高速加工

　　石墨狈茉、纖維增強塑料夫椭、鎂合金、銅合金氯庆、表面淬火和整體淬火鋼蹭秋、高合金鋼、鈦合金堤撵、鎳基合金等材料也可通過高速切削進行加工仁讨，但對這些材料的高速加工仍存在不少技術(shù)難點，對有關(guān)切削機理的研究目前還在繼續(xù)進行实昨。

　　4 結(jié)語

　　由于高速加工過程及其機理相當(dāng)復(fù)雜洞豁，目前仍缺少成熟、可靠的加工仿真技術(shù)荒给，因此對高速加工刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化仍主要依賴于切削試驗掐抢。由于切削試驗條件與實際加工條件不完全一致，因此試驗結(jié)果還需在加工實踐中進一步校驗修正哗缀。此外统扔，德國與中國在使用的加工機床和刀具材料等方面存在較大差別琅芍，因此本文介紹的高速切削刀具工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果僅供國內(nèi)有關(guān)人員借鑒參考。

　　我國在二十世紀(jì)九十年代初期才開始對高速加工的各項關(guān)鍵技術(shù)進行系統(tǒng)研究嘹冀，與國外相比起步較晚饲骂，在模具制造領(lǐng)域差距更大。我們應(yīng)立足于我國的刀具朽突、材料及技術(shù)條件旋逛，適當(dāng)借鑒國外先進經(jīng)驗，加強對高速加工技術(shù)的研究及應(yīng)用析口，迅速提高我國高速加工技術(shù)水平妥触。

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