高速切削的概念和应用技术烘干

高速切削的概念、和应用技术

高速切削理论是1931年4月德国物理学家Carl.J.Salomon提出的。他指出，在常规切削速度范围内，切削温度随着切削速度的提高而升高，但切削速度提高到一定值后，切削温度不但不升高反会降低，且该切削速度值与工件材料的种类有关。对每一种工件材料都存在一个速度范围，在该速度范围内，由于切削温度过高，刀具材料无法承受，即切削加工不可能进行，称该区为“死谷”。虽然由于实验条件的限制，当时无法付诸实践，但这个思想给后人一个非常重要的启示，即如能越过这个“死谷”，在高速区工作，有可能用现有刀具材料进行高速切削，切削温度与常规切削基本相同，从而可大幅度提高生产效率。高速切削是个相对的概念，究竟如何定义，目前尚无共识。由于加工方法和工件材料的不同，高速切削的高速范围也很难给出，一般认为应是常规切削速度的5～10倍。 自从Salomon提出高速切削的概念并于同年申请专利以来，高速切削技术的发展经历了高速切削理论的探索、应用探索、初步应用和较成熟应用等四个阶段，现已在生产中得到了一定的推广应用。特别是20世纪80年代以来，各工业发达国家投入了大量的人力和物力，研究开发了高速切削设备及相关技术，20世纪90年代以来发展更迅速。 高速切削技术是在机床结构及材料、机床设计、制造技术、高速主轴系统、快速进给系统、高性能CNC系统、高性能刀夹系统、高性能刀具材料及刀具设计制造技术、高效高精度测量测试技术、高速切削机理、高速切削工艺等诸多相关硬件和软件技术均得到充分发展基础之上综合而成的。因此，高速切削技术是一个复杂的系统工程.高速与超高速切削的特点 随着高速与超高速机床设备和刀具等关键技术领域的突破性进展，高速与超高速切削技术的工艺和速度范围也在不断扩展。如今在实际生产中超高速切削铝合金的速度范围为1500m/min～5500m/min，铸铁为750m/min～4500m/min，普通钢为600m/min～800m/min，进给速度高达20 m/min～40m/min。而且超高速切削技术还在不断地发展。在实验室里，切削铝合金的速度已达 6000m/min以上，进给系统的加速度可达3g。有人预言，未来的超高速切削将达到音速或超音速。其特点可归纳如下：(1)可提高生产效率提高生产效率是机动时间和辅助时间大幅度减少、加工自动化程度提高的必然结果。据称，由于主轴转速和进给的高速化，加工时间减少了50%，机床结构也大大简化，其零件的数量减少了25%，而且易于维护。(2)可获得较高的加工精度由于切削力可减少30%以上，工件的加工变形减小，切削热还来不及传给工件，因而工件基本保持冷态，热变形小，有利于加工精度的提高。特别对大型的框架件、薄板件、薄壁槽形件的高精度高效率加工，超高速铣削则是目前惟一有效的加工方法。(3)能获得较好的表面完整性在保证生产效率的同时，可采用较小的进给量，从而减小了加工表面的粗糙度值；又由于切削力小且变化幅度小，机床的激振频率远大于工艺系统的固有频率，故振动时表面质量的影响很小；切削热传入工件的比率大幅度减少，加工表面的受热时间短，切削温度低，加工表面可保持良好的物理力学性能。(4)加工能耗低，节省制造资源超高速切削时，单位功率的金属切除率显著增大。以洛克希德飞机制造公司的铝合金超高速铣削为例，主轴转速从4000m/min提高到20000m/min，切削力减小了30%，金属切除率提高了3倍，单位功率的金属切除率可达130000mm3/(min·kW)160000mm3/(min·kW)。由于单位功率的金属切除率高、能耗低、工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，故超高速切削完全符合可持续发展战略的要求。高速与超高速切削技术的应用领域 高速切削是当今制造业中一项快速发展的新技术，在工业发达国家，高速切削正成为一种新的切削加工理念。①高速切削的应用领域首先在航空工业轻合金的加工。飞机制造业是最早采用高速铣削的行业。飞机上的零件通常采用“整体制造法”，即在整体上“掏空”加工以形成多筋薄壁构件，其金属切除量相当大，这正是高速切削的用武之地。铝合金的切削速度已达1500m/min～5500 m/min，最高达7500m/min(美)。②模具制造业也是高速加工应用的重要领域。模具型腔加工过去一直为电加工所垄断，但其加工效率低。而高速加工切削力小，可铣淬硬60HRC的模具钢，加工表面粗糙度值又很小，浅腔大曲率半径的模具完全可用高速铣削来代替电加工；对深腔小曲率的，可用高速铣削加工作为粗加工和半精加工，电加工只作为精加工。这样可使生产效率大大提高，周期缩短。钢的切削速度可达600m/min～800m/min。③汽车工业是高速切削的又一应用领域。汽车发动机的箱体、气缸盖多用组合机加工。国外汽车工业及上海大众、上海通用公司，凡技术变化较快的汽车零件，如：气缸盖的气门数目及参数经常变化，现一律用高速加工中心来加工。铸铁的切削速度可达750m/min～4500m/min。④ Ni基高温合金(Inconel 718)和Ti合金(Ti-6Al-4V)常用来制造发动机零件，因它们很难加工，一般采用很低的切削速度。如采用高速加工，则可大幅度提高生产效率、减小刀具磨损、提高零件的表面质量。⑤纤维增强复合材料切削时对刀具有十分严重的刻划作用，刀具磨损非常快。用聚晶金刚石PCD刀具进行高速加工，收到满意效果。可防止出现“层间剥离”，效率高、质量好。⑥干式切削和硬态切削也是高速切削扩展的领域。⑦国内的应用举例。国内某专业橡胶模具制造厂，高速铣削在高精度铝质模具型腔加工和轮胎模具型芯加工中取得了很好的效果。所用机床为5轴联动高速铣床DIGIT-218，转速为28000r/min，功率为6kW，进给速度υf=10m/min，进给加速度为0.5g。 高精度铝质模具型腔加工是众多模具制造厂家的一大难题。在传统铣削加工中，由于铝熔点低，铝屑容易粘附在刀具上，虽经后续的铲刮、抛光工序，型腔也很难达到精度要求，在制时间达60小时。用高速铣削n0粗=18000r/min，ap=2mm，υf=5m/min；n0精＝20000r/min，ap=0.2mm，加工周期仅为6小时，完全达到1500mm长度上的尺寸精度为±0.05mm、Ra0.8μm的要求。 塑料的轮胎型芯加工用传统方法(手工)需十几道工序，在制时间20天以上，也很难达到复杂轮胎花纹的技术要求。采用高速铣削，n0＝ 18 000r/min，ap=2 mm，υf=10m/min，在制时间仅24小时就完全达到了工艺要求。高速与超高速切削对机床的新要求 机床是实现高速与超高速切削的首要条件和关键因素。高速与超高速切削对机床提出了很多新要求，归纳如下：(1)主轴要有高转速、大功率和大扭矩高速与超高速切削不但要求机床主轴转速高，而且要求传递的扭矩和功率也要大，并且在高速运转中还要保持良好的动态特性和热态特性。(2)进给速度也要相应提高，以保证刀具每齿进给量基本不变为了配合主轴10倍于常规的切削速度，进给速度也必须相应提高10倍，由过去的6m/min提高到60m/min～100m/min，以保持刀具的每齿进给量基本不变。(3)进给系统要有很大的加速度 在切削加工过程中，机床进给系统的工作行程一般只有几十毫米至几百毫米。在这样短的行程中要实现稳定的高速与超高速切削，除了进给速度要高外，进给系统必须有很大的加速度，以尽量缩短启动—变速—停车的过渡过程，以实现平稳切削。这是高速与超高速切削对机床结构设计的新要求，也是机床设计理论的新发展。 综上所述，沿袭数十年的普通数控机床的传动与结构已远远不能适应要求，必须进行全新设计。因此，有人称高速与超高速机床是21世纪的新机床，其主要特征是实现机床主轴和进给的直接驱动，是机电一体化的新产品。适用高速与超高速切削的刀具材料 目前适用于高速切削的刀具主要有：涂层刀具、金属陶瓷刀具、陶瓷刀具、立方氯化硼(CBN)刀具及聚晶金刚石(PCD)刀具等。1.涂层刀具涂层在刀具基体上涂复硬质耐磨金属化合物薄膜以达到提高刀具表面的硬度和耐磨性的目的。常用的刀具基体材料主要有高速钢、硬质合金、金属陶瓷和陶瓷等。涂层TiN，TiC，Al2O3，TiCN，TiAlN，TiAlCN等；涂层可以是单涂层，也可以是双涂层或多涂层，甚至是几种涂层材料复合而成的复合涂层。复合涂层可以是TiC-Al2O3-TiN，TiCN和 TiAlN多元复合涂层，最新又发展了TiN/NbN，TiN/CN等多元复合薄膜。如商品名为“Fire”的孔加工刀具复合涂层，是用TiN作底层，以保证与基体间的结合强度；由多层薄涂层构成的中间层为缓冲层，以用来吸收断续切削产生的振动；顶层是具有良好耐磨性和耐热性的TiAlN层。还可在“Fire”外层上涂减磨涂层。其中，TiAlN层在高速切削中性能优异，最高切削温度可达800℃。近年开发出的一些PVD硬涂层材料，有CBN、氮化碳(CN)、Al2O3、氮化物(TiN/NbN，TiN/CN)等，在高温下具有良好的热稳定性，很适合高速与超高速切削。金刚石膜涂层刀具主要用于有色金属加工。C-C3N4超硬涂层的硬度有可能超过金刚石。软涂层刀具，如 MoS2和 WS2作为涂层材料的高速钢刀具主要用于高强度铝合金、钛合金等的加工。此外，最新开发的纳米涂层材料刀具在高速切削中的应用前景也很广阔。如日本住友公司的纳米TiAlN复合涂层铣刀片，共2000层涂层，每层只有2.5nm厚。2.金属陶瓷刀具金属陶瓷主要包括高耐磨性能的TiC基硬质合金(TiC+Ni或Mo)、高韧性的TiC基硬质合金( TiC+TaC+WC)、强韧的TiN基硬质合金和高强韧性的TiCN基硬质合金(TiCN＋NbC)等。这些合金做成的刀具可在υc=300m/min～500m/min范围内高速精车钢和铸铁。金属陶瓷可制成钻头、铣刀与滚刀。如日本研制的金属陶瓷滚刀，υc=600m/min，约是硬质合金滚刀的10～20倍，加工表面粗糙度值Rmax为2μm，比HSS滚刀(Rmax15μm)和硬质合金滚刀(Rmax8μm)小的多，耐磨性优于HSS和硬质合金，HSS滚刀后刀面磨损量VB＝0.32mm，硬质合金滚刀VB＝0.18mm，而金属陶瓷滚刀VB＝0.08mm。3.陶瓷刀具陶瓷刀具可在υc=200m/min～1000m/min范围内切削软钢、淬硬钢和铸铁等材料。4.CBN刀具CBN刀具是高速精加工或半精加工淬硬钢、冷硬铸铁和高温合金等的理想对具材料，可以实现“以车代磨”。国外还研制了CBN含量不同的CBN刀具，以充分发挥CBN刀具的切削性能(见表1)。据报导，CBN300加工灰铸铁的速度可达2000m/min。表1 不同CBN含量的刀片及用途CBN含量(%) 用 途50 连续切削淬硬钢(45HRC～65HRC)65 半断续切削淬硬钢(45HRC～65HRC)80 Ni-Cr铸铁90 连续重载切削淬硬钢(45HRC～65HRC)80～90 高速切削铸铁(45HRC～65HRC)，粗、半精切削淬硬钢5.PCD刀具PCD刀具可实现有色金属、非金属耐磨材料的高速加工。据报导，镶PCD的钻头加工Si-Al则合金的切削速度队达300m/min～400m/min，PCD与硬质合金的复合片钻头加工用Al合金、Mg合金、复合材料FRP、石墨、粉末冶金坯料，与硬质合金刀具相比，刀具寿命提高了65～145倍；采用高强度Al合金刀体的PCD面铣刀加工用合金的速度υc达 3000m/min～4000m/min，有的达到7000m/min。20世纪90年代以后，美、日相继研制开发了金刚石薄膜刀具(车铣刀片、麻花钻、立铣刀、丝锥等)，寿命是硬质合合金刀具的10～140倍。6.性能优异的高速钢和硬质合金复杂刀具 用高性能钴高速钢、粉末冶金高速钢和硬质合金制造的齿轮刀具，可用于齿轮的高速切削。用硬质合金粉末和高速钢粉末配制成的新型粉末冶金材料制成的齿轮滚刀，滚切速度可达150m/min～180m/min。进行对TiAlN涂层处理后，可用于高速干切齿轮。 用细颗粒硬质合金制造并涂复耐磨耐热及润滑涂层的麻花钻加冷却液加工碳素结构钢和合金钢时，切削速度可达200m/min，于切时切削速度也可达150m/min。用细颗粒硬质合金制成的丝锥加工灰铸铁时，切削速度可达100m/min。意大利SU公司研制的硬质合金滚刀涂复TiCN涂层后加工模数m＝1.5的行星齿轮时，加水基切削液，粗滚速度υc粗=280m/min，精滚υc精＝600m/min。

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