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刀具是数控加工的最终执行者 合理选择至关重要(附图)

中国机械工业联合会机经网  发布时间:2016-06-22 10:35:57  来源:中国航空报社


刀具作为数控加工的最终执行者,零件的加工效率、加工质量、加工过程的稳定性等都与其有直接关联。以XXC.13.001为例,一把合适的刀具将其粗加工过程中的一个工步由原本8小时的加工时间缩短至3小时,由此可见刀具对数控加工的重要影响。
    刀具作为数控加工的最终执行者,零件的加工效率、加工质量、加工过程的稳定性等都与其有直接关联。以XXC.13.001为例,一把合适的刀具将其粗加工过程中的一个工步由原本8小时的加工时间缩短至3小时,由此可见刀具对数控加工的重要影响。

  现代切削刀具材料经历了从碳素工具钢、高速钢,发展到硬质合金、陶瓷、PCBN、PCD,刀具的切削性能越来越好,直接促进了数控加工的极大发展。高速钢刀具热硬性高,有较高的耐磨性、强度和韧性,与硬质合金相比,其最大优点是可加工性好并具有良好的综合力学性能。由于其良好的性能,目前高速钢仍是世界各国应用最广泛的刀具材料之一。硬质合金刀具由硬度和熔点很高的碳化物(硬质相)和金属粘接相经粉末冶金方法而制成,其硬度远高于高速钢,在540℃时,硬度仍可达82~87HRA,与高速钢常温时硬度相同。硬质合金刀具的硬度和韧性随着金属粘接相的含量而变化,一般随着金属相含量的增多,硬度降低而韧性增强。陶瓷刀具研制成功以来,由于其良好的性能,颇受市场欢迎。陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好,摩擦因数低,耐高温、耐热性好等优点,陶瓷刀具已经成为高速切削及难加工材料加工的主要刀具之一。但是陶瓷刀具抗弯强度低,承受冲击载荷能力较差,当加工面出现凸凹或加工过程振动较大时容易崩刃,不适于在低速和冲击负荷下切削。陶瓷刀具承受热冲击载荷能力较差,切削过程不能使用冷却液,可以实现干式切削。CBN刀具在硬度和导热率方面仅次于金刚石,具有高的硬度和耐磨性,很高的热稳定性,优良的化学稳定性,较好的热导性,较低的摩擦因数等,基本上具备完美刀具的一切性能,但强度和韧性较差,使用时应避免过大的冲击造成刀具崩刃,因此一般采用负前角高速切削。CBN刀具昂贵的价格也是制约其普遍使用的重要因素。
  


  在刀具材料的发展过程中,涂层技术的产生和应用为刀具的强度、硬度和韧性之间的矛盾关系找到了缓解办法,成为切削刀具发展史上的一次革命。刀具涂层技术主要是采用物理或者化学气相沉积的方法,在刀具表面上获得几微米到十几微米厚的硬质膜。刀具涂层具有高的硬度耐磨性,高的化学稳定性和抗粘结性能,低的摩擦因数等优点。在刀具基体表面添加涂层,可以很好地解决硬质合金等刀具硬度较软、耐磨性较差、高温时容易氧化等问题。当涂层的性能与基体性能差距较大或与基体材料粘结不牢固时,可以采用多层涂层,逐步改善涂层的韧性、涂层与基体的结合强度、涂层的耐磨性等问题。涂层技术大大增强刀具硬度、韧性,提高刀具耐磨性和抗氧化性,进而延长刀具使用寿命和改善刀具的切削加工性能。

  铝镁合金硬度和强度较低,导热性能较好,属于易切削材料。切削线速度可以达到1200m/min左右的水平。切深和切宽可以给较大的参数,粗加工过程中尽量采用小切深、高转速、快进给的方式来提高效率,但切深不宜过浅,免得切屑产生自燃。加工过程中,刀具选择时,选择较大的前角和后角,刀具切削刃应该锋利、光滑。

  不锈钢材料热强度高、韧性大、粘附性强、导热系数低,加工硬化现象严重,切削过程中振动强烈,容易损坏刀具。选择合理的切削参数和合适浓度及压力的切削液,使用一般的硬质合金涂层刀具都可以达到较为理想的切削效果。

  钛合金和镍基高温合金属于公司比较难加工的材料,实现难加工材料的有效加工,关键在于:优选刀具材料:高性能高速钢、新型硬质合金、涂层刀具、陶瓷刀具、CBN刀具和金刚石刀具;选择合适的刀具几何参数;采用适当的冷却润滑条件;采用优化的加工参数。

  钛合金的导热系数低,切削温度可比切削45#钢时高出数百度以上;钛合金的弹性模量低,已加工表面回弹现象严重,后刀面与已加工表面摩擦,切削温度升高,刀具后刀面磨损严重;切屑与前刀面的接触长度短,接触面上的应力大;钛合金的化学活性大,与刀具亲合力大,容易与大气中的多种元素产生化学反应,形成硬而脆的外皮,刀具容易产生积屑瘤,切削过程中刀具容易产生粘结磨损。由于钛合金回弹严重,切削加工时刀具的后角要大,选择10°左右,为保证刃口强度,刀具前角不能过大,大约5°左右。钛合金铣削时,尽量使用大螺旋角铣刀,在保证刀具强度的前提下增加刀具的锋利程度。切削加工过程中大量使用不含氯元素的切削液。

  高温合金导热系数很低,低于45钢的三分之一,切削温度高;高温强度高,在600~900℃时仍然达到中碳钢的室温强度,切削力是切削一般钢材的两到三倍;合金中有大量的组织致密的固溶体,切削时晶格扭曲严重,冷硬现象严重;含有大量的金属碳化物、硼化物、氧化物以及金属间化物的硬质点,刀具极易磨损。以公司XX.44.003零件为例,材料为GH710,硬度大约为42~44HRC,由于材料内部含有大量硬质点,实际硬度远不止于44HRC,加工过程中刀具容易因为切削温度过高,冷却效果不到位而发生氧化和磨损。刀具也容易在切削过程中遇到硬质点而崩刃。车削加工时,刀片尽可能选择较大的前后角,提高刀片强度,铣削时尽量采用大螺旋角铣刀。使用陶瓷刀具和CBN刀具切削时,务必采用负前角的刀具,以免在切削加工过程中因过大的冲击载荷而崩刃。

  实际切削加工过程中,刀具的选择和相对应的切削参数的选择应根据加工状况而定,综合加工成本、加工效率、金属切除量等因素,选择最合适的刀具才是最好的刀具。
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责任编辑:机经网编辑部 yaoyu
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