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      1. 2020年8月10日 星期三 11:32

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        控制加工中的切削熱

        來源: 發布時間:2011-11-28

        在高速切削和硬金屬切削中,控制切削熱是最重要的因素之一。過去幾十年來,在模具制造、航空航天、醫療器件等行業,高速切削和淬硬金屬切削已變得相當普遍,雖然其加工工藝并未發生太大變化,但對切削刀具的要求卻已不可同日而語。 對刀具的要求 為了對模具和其他零件進行有效的高速切削和硬切削,要求刀具能夠承受更高表面切削速度引起的切削熱。此外,還必須對刀具的切削刃進行制備,使其能夠承受高速銑削產生的切削力和磨損。 (1)刀具涂層 采用涂層是提高刀具耐熱性最重要的方式。在加工硬度超過HRC40的淬硬鋼或在進行表面切削速度超過800sfm(245m/min)的高速切削時,TiAlN(AlTiN)涂層刀具是最佳的選擇。但是,由于有許多不同的企業都在生產涂層刀具,因此每一種涂層都會有許多不同的變化。為了確定哪一種涂層的加工效果更好,惟一的方式就是通過切削試驗。盡管大多數刀具制造商都會對自己生產的涂層刀具進行切削試驗,但也有些刀具制造商可能并沒有專門針對高速切削和硬切削進行刀具性能試驗。因此,為了幫助開發性能最佳的適用涂層,需要尋找一家對淬硬金屬材料進行了廣泛切削試驗的刀具制造商。 目前,AlTiN涂層仍然是最佳選擇,而在將來,在涂層的組分中可能會包括硅(Si)元素。隨著加工中心主軸轉速的不斷提高,涂層與硬質合金基體的組合性能也必須與時俱進,能夠承受加工中產生的更高溫度。在涂層中加入Si元素,將會大大提高其抗氧化性能,從而使涂層能在高達1,100℃的溫度下工作。 (2)刀具幾何形狀 刀具幾何形狀也能對控制切削熱發揮重要作用。為了利用切屑帶走切削熱,刀具幾何形狀的設計必須考慮其切屑去除性能?,F在開發出一種球頭型刀片,其上有磨制的三維螺旋結構,它能使切削更平滑、振動更小、排屑性能更好,所有這些特點都有利于減少切削熱的產生。為了有效利用這些新型刀具,需要采用新的加工方法。通常,為了保持切屑流動和帶走熱量,應該采用較高的主軸轉速、較大的進給率和較小的切深量。 在確定刀具幾何形狀時,必須遵循一些指導性原則。例如,必須仔細核查所用刀具的精度要求,對刀具的直徑、刀尖圓弧半徑和徑跳誤差都要加以考慮。刀具的精度越高,加工出的零件就越精確。保持較小的刀具徑跳,就能獲得更好的加工表面光潔度和尺寸精度,以及更長的刀具壽命。 一種具有較大芯徑的雙刃球頭銑刀似乎最適合復雜三維廓形的銑削加工。我們并不推薦采用具有更多刀刃的銑刀,因為增加的刀刃會妨礙排屑。此外,如果用銑刀端部進行切削,在銑刀端部只有兩個刀刃,而在三刃銑刀的端部則只有一個刀刃。 ①刀片式銑刀 用于模具加工和普通加工的刀片式銑刀的技術水平已經能夠無故障地完成大多數加工任務。采用刀片式銑刀可以進行各種加工操作,尤其是對大中型模具型腔和型芯的加工,因為刀片式銑刀的直徑非常適合此類加工。 刀片式銑刀(直徑12mm以上)在粗加工和精加工中都具有很好的切削性能。直徑較小的刀片式銑刀主要用于精加工以及某些載荷較輕的粗加工。 ②整體硬質合金銑刀 在某些加工領域,整體硬質合金銑刀仍然具有優勢。最明顯的例子是,當刀具直徑小于6mm時,需要選用整體硬質合金銑刀,因為直徑如此之小的刀片式銑刀尚未開發成功。 一種稱為“擺線銑削”的加工新方法也需要選用整體硬質合金立銑刀。擺線銑削方式主要用于銑槽,但也有些CAM軟件開發人員正將其應用于型腔銑削。 擺線銑削必須采用大切深和很小的步距,其加工運動為非常平滑的圓弧轉圈切削,每轉一圈前進的距離大致等于其步距量。這種加工一般使用整體硬質合金立銑刀,因為它具有多個切削刃,允許采用很高的進給率。通常,還應該采用具有大螺旋角的螺旋槽銑刀,它能實現非常平滑的切削,并加工出極好的表面光潔度。擺線銑削加工的一個缺點是,如果刀具的懸伸量較大,在加工時則容易發生撓曲。 ③采用整體硬質合金刀體的刀片式銑刀 過去的切削理論認為,刀具懸伸長度與切削直徑之比,是確定應該選用整體硬質合金銑刀還是刀片式銑刀的決定性因素。而現在,隨著將新型整體硬質合金刀體引入刀片式銑刀,這種理論也受到了質疑。 現在,在刀具直徑超過12mm的銑削加工中,已很少有選用整體硬質合金銑刀的充足理由。以前,鋼制刀體往往缺乏用大懸伸量刀具進行大切削參數加工時所需要的剛性。如今,在此類加工中,可以采用在硬質合金刀體上夾持成本相對低廉的刀片,而不必采用成本更昂貴的整體硬質合金立銑刀。刀片式銑刀的其他優勢還包括更好的靈活性、重復精度和加工部位可達性(刀具更長)。 ④粗加工軟材料用的大進給刀片式銑刀 用當今的刀具銑削加工預先經過熱處理的工件材料可能已比較容易。而一種用于粗加工軟材料的新型刀片式銑刀也已被開發出來。這種銑刀的幾何形狀適合以高轉速、大進給和小切深進行加工,與傳統銑刀相比,其切削速度更快,加工效率更高。 加工案例 以下是使用這種幾何形狀刀具的一個加工實例。加工條件:機床:FPT Dino五軸加工機床(最大主軸轉速:10,000r/min);刀具直徑:25.4mm;切削深度:0.9mm,切削寬度:19mm;主軸轉速:3,800r/min;進給率:7,874mm/min;刀具懸伸量:100mm;油霧冷卻。 在加工中,由于該機床的主軸在較低轉速范圍內扭矩有限,因此用戶未在該機床上進行前序粗加工。采用3,800r/min的主軸轉速進行加工,就有可能處入該機床主軸的功率范圍之內。與以前采用更大直徑的刀具進行粗加工相比,采用直徑為25.4mm的刀具加工能夠獲得更接近最終形狀的工件。 精加工 如今,通過刀具、機床和涂層的優化組合,對于大多數模具材料,都能以超過1,200sfm(365m/min)的表面切削速度進行精加工,有些精加工的切削速度甚至可以達到3,000sfm(915m/min)。由于切削速度和進給率都很高,從而為縮短加工循環時間,同時提高工件表面質量提供了機會。 精加工獲得成功的關鍵在于,確保半精加工后的工件形狀盡可能接近其最終形狀,從而使精加工刀具的材料去除量不會發生大幅波動。在精加工中,刀具的材料去除量越均勻一致,刀具承受的切削力就越穩定,從而可以提供可預測性更好的刀具壽命,并能縮短加工循環時間。在精加工工件的主要外形之前,對過于鋒利的刀尖進行鈍化處理也有利于延長刀具壽命,提高加工表面光潔度,并能應用于無人值守加工。 在對大多數模具材料進行精加工時,可以采用壓縮空氣噴吹或油霧冷卻方式。在高速切削時,不宜采用冷卻液澆注式冷卻,因為在切削產生的高溫和冷卻液降溫的交替熱沖擊下,可能會使硬質合金刀具發生碎裂或產生裂紋。油霧冷卻能夠提供最佳的加工表面光潔度,同時有利于延長刀具壽命。 小結 在高速切削和硬切削加工中,控制切削熱是最重要的因素,只要能控制切削熱,就向成功控制加工過程邁出了一大步。 硬銑削加工對刀柄和刀具切削刃提出了很高的要求,同時還需要對銑削參數進行某些調整。完全淬硬的工件材料很難切削,加工時刀具要承受更多切削熱。如果加工條件允許,采用球頭銑刀可將切削熱的有害影響降至最低。 在硬銑削中,為了減少切削熱,應該減小切深和步距。由于減小切深而附帶產生的切屑減薄效應,使刀具能以更高的每齒進給量(fz)進行加工。螺旋面銑刀、牛鼻銑刀和方肩銑刀可能也適用于硬銑削加工,而切削刃越鋒利(刀尖圓弧半徑越?。?,刀具的抗熱性就越差。 (來源:《工具展望》)
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