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            現代數控機床切削工作對刀具的要求解析

            2022-02-21 19:05:33

            現代數控機床切削工作對刀具的要求解析

            隨著數控機床和加工中心等高效設備應用的日漸普及,在航空航天、汽車、高速列車、風電、電子、能源、模具等裝備制造業的空前發展推動下,切削加工已邁入了一個以高速、高效和環保為標志的高速加工發展的新時期—現代切削技術階段。

            高速切削、干切削和硬切削作為當前切削技術的重要發展趨向,其重要地位和角色日益凸顯。對這些先進切削技術的應用,不僅令加工效率成倍提高,亦著實推動了產品開發和工藝創新的進程。例如,精密模具硬質材料的型腔,采用高轉速、小進給量和小吃深加工,既可獲得很高的表面質量,又能夠省卻磨削、EDM和手工拋光或減少相應工序的時間,從而縮短生產工藝流程,提高生產率。

            過去一些企業制作復雜模具時,基本上都需要3~4個月才能交付使用,而現在采用高速切削加工後,半個月便可完成。據調查,一般的工模具,有60%的機加工量可用高速加工工藝來實現。

            高速加工時,不但要求刀具可靠性高、切削性能好、能穩定地斷屑和卷屑、還要能達成高精度,并能實現快換或自動更換等。因此,對刀具材料、刀具結構、以及刀具的裝夾都提出了更高要求。

            對刀具材料的要求

            高速加工刀具Z突出的要求是,既要有高的硬度和高溫硬度,又要有足夠的斷裂韌性。為此,須選用細晶粒硬質合金、涂層硬質合金、陶瓷、聚晶金剛石(PCD)和聚晶立方氮化硼(PCBN)等刀具材料—它們各有特點,適應的工件材料和切削速度范圍也都不同。例如,高速加工鋁、鎂、銅等有色金屬件,主要采用PCD和CVD金剛石膜涂層刀具。高速加工鑄件、淬硬鋼(50~67HRC)和冷硬鑄鐵主要用陶瓷刀具和PCBN刀具。

            上海大眾汽車有限公司采用Seco刀具(上海)公司生產的立方氮化硼CBN300刀片面銑刀,在柔性生產線上高速銑削發動機缸體平面(鑄件),切削速度高達1600m/min,進給速度5000mm/min。用PCD刀具加工鋁合金的切削速度一般為3000-4000m/min,Z高更可達7500m/min。而用陶瓷和PCBN刀具加工淬硬鋼和冷硬鑄鐵時的切削速度已達200m/min。


            數控機床


            1.硬質合金已邁入細晶粒超細晶粒階段

            涂層硬質合金刀具(如TiN、TiC、TiCN、TiAlN等)雖其加工工件材料范圍廣,但抗氧化溫度一般不高,所以通常只宜在400-500m/min的切削速度范圍內加工鋼鐵件。對於Inconel718高溫鎳基合金可使用陶瓷和PCBN刀具。據報道,加拿大學者用SiC晶須增韌陶瓷銑削Inconel718合金,推薦Z佳的切削條件為:切削速度700m/min,吃深為1-2mm,每齒進給量為0.1-0.18mm/z。

            目前,硬質合金已進入細晶粒(1-0.5μm)和超細晶粒(<0.5μm)的發展階段,過去細晶粒多用於K類(WC+Co)硬質合金,近幾年來P類(WC+TiC+Co)和M類(WC+TiC+TaC或NbC+Co)硬質合金也向晶粒細化方向發展。

            以往,為提高硬質合金的韌性,通常是增加鈷(Co)的含量,由此帶來的硬度降低如今可以通過細化晶粒得到補償,并使硬質合金的抗彎強度提高到4.3GPa,已達到并超過普通高速鋼(HSS)的抗彎強度,改變了人們普遍認為P類硬質合金適於切鋼、而K類硬質合金只適於加工鑄鐵和鋁等有色金屬的選材格局。

            采用WC基的超細晶粒K類硬質合金,同樣可加工各種鋼料。細晶粒硬質合金的另一個優點是刀具刃口鋒利,尤其適於高速切削粘而韌的工件材料。以日本不二越公司開發的AQUA麻花鉆為例,其用細晶粒硬質合金制造,并涂覆耐熱、耐摩擦的潤滑涂層,在高速濕式加工結構鋼和合金鋼(SCM)時,切削速度200m/min,進給速度1600mm/min,加工效率提高了2.5倍,刀具壽命提高2倍;干式鉆孔時,切削速度150m/min,進給速度1200mm/min。


            2.涂層提升到開發厚膜、復合和多元涂層的新階段

            現如今,涂層已進入到開發厚膜、復合和多元涂層的新階段,新開發的TiCN、TiAlN多元超薄、超多層涂層(有的超薄膜涂層數可多達2000層,每層厚約1nm)與TiC、TiN、Al2O3等涂層的復合,加上新型抗塑性變形的基體,在改善涂層的韌性、涂層與基體的結合強度、提高涂層的耐磨性方面有了重大進展,全面提高了硬質合金的性能。

            涂層刀具已成為現代切削刀具的標志,在刀具中的使用比例達到60%。涂層硬質合金刀具的產品現已呈現品牌化、多樣化和通用化的趨向。例如,德國施耐爾(Schnell)公司用納米技術推出的一種超長壽命LL涂層立銑刀,用其加工零件硬度超過70HRC淬硬模具鋼材時,刀具壽命可延長2-3倍。

            瑞典Sandvik公司新推出的3種涂層刀片(GC4225、GC4240、GC1030)具有較廣的通用性,GC4225(突破一號)作為GC4025(P25)牌號的升級產品,用其加工汽車曲軸鋼鍛件時,在相同切削條件下的刀具壽命為每個切削刃可加工41個零件,而GC4025每個切削刃能加工的零件數目為14個。

            山高(Seco)Jabro全新推出的整體硬質合金通用加工銑刀Solid2系列刀具不僅采用了新材質,更導入新的涂層,可適用的加工溫度由普通刀具的800攝氏度提高到了現有的1100攝氏度,顯著提高了加工效率和刀具壽命。同時,Solid2系列均采用了刃口鈍化處理和徑向全周鏟背處理技術,使得刀具的涂層與材質結合更加完美,刀具的可重磨次數也大幅提高。

            美國Kennametal公司推出的H7刀片系TiAlN涂層,專為高速銑削合金鋼、高合金鋼和不銹鋼而設計。而德國Guhring公司推出的商品名為“Fire”的孔加工刀具涂層,則是一種通用性的復合涂層—融匯有TiN、TiCN和TiAlN三種涂層,兼具這三種涂層材料的優點,既適用於干切削和硬切削,也適合普通切削。

            特別值得強調的是,近幾年發展起來的在硬質合金表面涂覆金剛石的技術,使硬質合金不僅在黑色金屬領域,而且在有色金屬領域中的切削效率獲得了全面提高。由此可知,硬質合金今後仍將是制作高速加工刀具的主要基體材料。

            目前,美國、瑞典和日本都相繼推出了金剛石涂層的絲錐、鉆頭、立銑刀和帶斷屑槽可轉位刀片(如Sandvik公司的CD1810和美國Kennametal公司的KCD25牌號)等產品,用於有色金屬和非金屬材料的高速精密加工。而另一種適於加工鋼鐵材料的CBN涂層也已開發成功,并正走向工業試用階段。


            對刀具幾何參數和斷屑槽的要求

            1.幾何參數

            高速切削和干切削時,刀具的主要失效原因是月牙洼磨損和刀尖處的熱磨損。這是由於刀具與切屑、以及刀具與工件接觸區界面上溫度較高所引起的。因此,高速加工比普通切削加工時的刀具前角要取得稍大一些,以降低切削區溫度,并在刃口上作出負倒棱。

            為防止刀尖處熱磨損,主副切削刃連接處應采用修圓刀尖或倒角刀尖,以增大刀尖角,加大刀尖附近刃區切削刃的長度和刀頭材料的體積,以提高刀具剛性和減少切削刃破損的概率。

            美國Carboloy公司推出的一種適於干切削用的ME-13新型硬質合金刀片,其具有大前角(達34°)、加強刃并有一個帶筋的前刀面,顯著減少了切屑與刀片前刀面之間的接觸面積,使產生熱量被切屑帶走。據稱,這種刀片工作時的溫度比傳統刀片要低400℃,能顯著減小切削力并使刀具壽命提高一倍以上。該公司用大前角的涂層硬質合金齒冠立銑刀高速銑削硬度高達55HRC模具鋼時,切削速度120m/min,進給速度7.6m/min,軸向吃深0.51mm,徑向吃深0.25mm,采用干式切削,刀具使用壽命則長達1.5h。

            國外還開發了帶正前角的螺旋形切削刃銑削刀片,使刀具有更合理的幾何參數,刀片沿切削刃幾乎有恒定不變的前角,背前角或側前角可由負變正或由小變大,切削更加輕快平穩,使可轉位面銑刀、立銑刀和槽銑刀的切削性能提高到一個新的水平,刀具壽命可提高50%-250%,切削效率提高30%-40%。

            美國一家公司采用這種新型刀片制作的立銑刀干銑削17-4PH不銹鋼的周邊,切削用量為:銑削速度304m/min,進給速度1270mm/min,每齒進給量為0.14mm/z,20S去除余量36cm3。


            2.斷屑槽型

            為能穩定地斷屑和卷屑,刀片上須作出合適的斷屑槽型。目前,可轉位刀片上三維曲面斷屑槽型的設計和制造技術已較為成熟,針對不同的工件材料和不同的切削用量,業已開發出相應的通用斷屑槽型系列。

            如瑞典Sandvik公司推出的R、M和F等槽型系列(鋼材粗加工、半精加工和精加工相應采用PR、PM和PF的槽型,切不銹鋼時用MR、MM和MF的槽型,切鑄件和有色金屬用KR、KM和KF的槽型),以及以色列Iscar公司以“霸王刀”為典型的槽型設計都獨樹一幟。

            這些刀片上斷屑槽的斷屑范圍寬,適應性好。它們都具有空間切削刃和曲面前刀面,切削刃上的法前角可調整為零度或負值,而工作前角為合適的正值,所以切削力小,刃口強度高,抗高速時的磨損能力強,預示著高速加工刀具刃形結構發展的方向。


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