高速切削加工中的刀具技術

發布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：2200

高速切削(HSC)加工中，切削線速度高達普通切削線速度的5～10倍，使機床主軸轉速常在20000～30000r/min 以上，進給速度隨之上升至15～50m/min或更高，并要求進給軸的運動加速度、CNC系統的控制速度與功能乃至CAD/CAM系統的速度與功能都相應提高增強。
機械運動參數數值提高近一個數量級，對工藝裝備中運動部件的物理力學性能和結構提出了不同尋常的高要求。本文以下集中討論由此而引起的刀具技術的革新與發展。

1 刀具系統的機械故障與預防保護措施


機械零部件的旋轉離心慣性力隨著轉速升高以二次方規律增大，造成生產實踐中高速切削刀具系統發生特殊的、不同尋常的機械故障，主要有以下幾種形式：

















    圖1 刀柄無法定位和傳遞動力

    圖2 刀體(刀盤)爆裂破損

    圖3 刀片緊固裝置發生位移或破損

    圖4 SK系列刀柄與HSK系列刀柄結構形狀

  1. 如果主軸頭部壁厚差別較大，當離心慣性力大幅度增大后，薄壁處剛度低徑向擴張量顯著增大，使刀柄徑向晃動、無法定位，同時可能發生軸向錯位移動而深入主軸，如圖1所示。

  2. 如果刀體(刀盤)結構有明顯薄弱之處，在很大的離心慣性力作用下會發生爆裂，如圖2所示。

  3. 在離心慣性力作用下，刀片和緊固楔塊可能發生徑向位移而增大旋轉半徑，或者刀片緊固螺釘被剪斷，如圖3 所示。這是高速切削刀具容易發生的主要機械故障。


可見，要預防和避免以上機械故障，首先要盡可能減小離心慣性力，尤其是不平衡離心慣性力。在此條件下，再進一步增強刀具與夾緊裝置的強度、剛度和穩定性。離心慣性力分別與旋轉質量和旋轉半徑的大小成正比，因此對刀具與夾緊裝置的基本要求是不平衡質量小，在工作旋轉時的實際同軸度高，結構設計安全可靠，保證在高轉速下能夠正常工作。HSC 加工中需要采取以下具體措施：

  1. 在制造過程中，刀具與刀柄夾緊裝置經過嚴格的靜、動平衡，各自的不平衡質量大小必需降低到低于DIN/ISO 1940標準規定的數值：

  2. 采用不平衡質量小、夾緊力大的液壓彈力夾頭刀柄、熱壓裝配刀柄以及與刀具一體的刀柄：

  3. 必要時采用全套在線、實時可調動平衡刀柄及附件裝置，但其價格昂貴：

  4. 刀具實際工作的轉速，不超過刀具與刀柄夾緊裝置制造廠家注明的允許最高轉速，必要時可選用直徑較小的刀具與刀柄夾緊裝置來提高允許最高轉速：

  5. 采用新型的HSK 系列短錐空心刀柄或更先進的空心桿刀柄，代替傳統的ISO(SK)刀柄，以提高刀具軸向和徑向定位精度、軸向剛度，并具有過載保護作用，如圖4所示：

  6. 采取其它有利于提高刀具與夾緊裝置的強度、剛度和穩定性的結構設計措施，例如用力鎖緊機構來增強或代替形狀鎖緊機構：

  7. 安裝防護罩和防彈玻璃，保護機床操作人員不受刀具與夾緊裝置破裂碎片的傷害。


2 刀具材料


高速切削常用的刀片材料，有涂層硬質合金、陶瓷、立方氮化硼和金剛石。
碳化鎢(WC)為基的涂層硬質合金分為P、M、K 三大類，可用于高速切削各種黑色和有色金屬以及非金屬材料，并且價格實惠，應用最普遍。主要局限是切削速度不能太高，刀具耐用度較低。
其中涂層材料，主要分為鈦的化合物(TiC，TiN，TiCN，TiAlN，TiNAlOX)和鋁的化合物(Al2O3，AiON)兩大類。實際應用當中，可以將兩類涂層材料或者不同的鈦化合物搭配起來構成2層或3層涂層，由內向外各層分別具有抗摩擦、防擴散、潤滑等作用，能夠顯著增強硬質合金刀具的切削能力并延長壽命。如果在TiN或TiAlN硬涂層外覆蓋上二硫化鉬(MoS2)軟涂層，并注意主切削刃不要被覆蓋，可以提高刀具耐用度1至2倍。國外正在研究釔、釩類新的涂層材料。經過不斷研究改進，金剛石薄膜涂層刀片已經越來越多地進入市場，并且正在開發立方氮化硼薄膜涂層刀片。
TiCN基質刀片又稱為金屬陶瓷，是一種先進的硬質合金材料，能夠承受比WC硬質合金較高的切削溫度，在高速切削下的耐高溫和耐磨性好、壽命長，工件加工表面光潔。它化學穩定性高，抗氧化抗擴散，幾乎沒有生成積屑瘤和發生切屑粘接的危險，包括切削軟而粘性的材料時。國外最近開發出以純鈷作粘結劑的金屬陶瓷刀具，可用于加工高速鋼。根據粗略估計，金屬陶瓷在日、美等國的應用占全部刀具材料總量的20%以上。它的局限在于性脆，韌性、強度、耐沖擊性均不如WC硬質合金，且導熱能力不強，主要用于鋼和鑄鐵小切削深度和小進給量的高速精加工。
HSC線速度及轉速高，刀具尺寸向小型化發展。這時，小直徑棒銑刀、鉆頭的刀刃和刀桿如果采用相同的硬質合金材料整體制造，既方便又可以提高刀具的強度和剛度，缺點是成本較高。立方氮化硼(CBN)是一種性能優良的人工合成刀具材料，但和金剛石一樣，刀片價格昂貴，只有用于高速硬切削淬硬鋼時才能夠顯示出其經濟性。此外，氧化物陶瓷、金屬陶瓷以及某些涂層硬質合金刀具材料也可用于硬切削淬硬鋼工件。
另一種超硬刀片材料金剛石(PCD)，適合于高速切削(2500～5000m/min)有色金屬尤其是含硅鋁合金，以及非金屬的復合地板面料。添加硅元素可以改善鋁合金的澆鑄性能或提高地板的耐磨性，但它對刀片有很強的磨蝕作用，只有非常耐磨的金剛石特別是單晶金剛石刀片例外。無論金屬陶瓷、陶瓷、CBN還是PCD，都比WC硬質合金脆得多，因此用這些材料制成的刀片不能夠經受太大壓力，需要通過結構設計加強支撐、合理地分散壓力。

3 緩解刀具壽命下降的工藝措施


隨著切削速度和進給速度大幅度提高，HSC加工中刀具的壽命普遍降低，需要從以下各方面采取措施，盡可能減少刀具壽命的降低。

  1. 根據工件材料選用合適的刀具材料。針對不同工件材料進行的切削試驗結果表明，選用不同刀具材料后其使用壽命差別很大，甚至超過一個數量級。本文上節一般介紹了HSC加工常用的刀具材料及其應用范圍。問題是工件材料和刀具材料的品種、牌號、生產廠家均浩繁龐雜，要從中篩選出最優的具體組合，只能通過試驗和長期積累使用經驗。

  2. 根據工件材料優化刀具幾何參數。通過試驗切削發現，適當增大刀刃的后角、盡可能縮短刀具的懸伸長度以及HSC加工鑄鐵件時適當增大刃口圓弧半徑，都可以提高刀具的相對壽命。

  3. 根據工件材料優化切削參數，包括切削速度vc，每齒進給量fz和徑向切深。圖5試驗結果表明，隨著工件-刀具材料組合的變化，以刀具相對壽命最長為目標的vc、fz和刀具徑向切深最佳數值也發生變化，并且它們之間存在一定的牽連關系。









    圖5 切削參數對刀具壽命的影響


  4. 優化切削幾何關系，合理選取球頭銑刀軸線相對于工件表面法線的傾角bf。圖6球頭銑刀軸線在進給平面中沿進給方向向前傾斜一定角度實行拽切(牽拉銑削)時，刀具的相對壽命最高，而且可以大大降低已加工表面粗糙度。









    圖6 球頭銑刀軸線傾斜方向


  5. 選取有利的走刀路線。例如圖7中半圓柱曲面，可以采用幾種不同的走刀路線加工出來。經過試切，選取拽切和順銑結合的走刀路線時刀具相對壽命最高，已加工表面粗糙度也較低，但空刀路程比拽、鉆和順、逆交替銑削的走刀路線長得多。









    圖7 銑削曲面走刀路線


  6. 采用最小量冷卻潤滑。根據統計，切削加工中用于冷卻潤滑的開支甚至可能超過用于刀具的開支。出于節約和保護生態環境的考慮，歐美工業國家正在大力研究推廣干切削加工技術，即最小量(<100ml/h)冷卻潤滑。例如用TiAlN 涂層整體硬質合金鉆頭在X90CrMoV18高合金模具鋼上以1123r/min 的高轉速鉆孔，采用最小量冷卻潤滑后刀具壽命比完全不用冷卻潤滑提高近7倍，進一步采取優化刀具基質材料的措施后刀具壽命提高15倍多，最后加上優化刀具幾何參數和在TiAlN硬涂層上覆蓋MoS2軟涂層兩項措施，刀具壽命總共提高近32倍。


4 激光刀具檢測系統


在新近引進的一臺5軸聯動數控高速銑削立式加工中心上，配備了一套激光刀具檢測系統，能夠在線以非接觸方式測量刀具的長度和直徑，檢測刀具的破損和磨損情況，能夠進行溫度補償，能夠對單個切削刃實行控制，或者對多個直線或圓弧切削刃進行刀具形狀控制。它的檢測范圍包括能夠在機床上安裝使用的所有刀具，即直徑≤125mm，長度≤300mm，重量≤8kg。系統能夠檢測的刀具最小直徑為0.03mm，重復測量精度可以達到±1µm。
該激光刀具檢測系統的硬件簡單而不顯眼。緊靠機床正面觀察操作位置左方安放激光發生器，沿機床Y軸向后到底的對面安放檢波器，分別用氣動遮板和吹凈裝置來保護光學元件免受冷卻潤滑劑和切屑污染。檢測系統還要求機床必須配備油霧吸收凈化裝置。系統的硬件通過纜線及管道連接到機床CNC控制系統。激光束是波長為0.67µm 的紅色可見光，輸出功率小于1W。當機床主軸帶著刀具沿X軸向左移動到遮擋住70%的激光束時，檢測系統便發信號給機床CNC 控制系統，由后者起動常駐軟件把光束與刀具接觸點的坐標同控制系統刀具數據表中的已知值進行比較。系統通用的CNC 接口，可以同Fanuc、SIEMENS Sinumerik、HEIDENHEIN iTNC 530 等多種主流數控系統連接。系統具備宏編程功能，可用G 或M 代碼來指令運行大多數例行的檢測程序。刀具檢測位置距離換刀位置很近，便于檢測后必要時及時換刀。
在系統用于檢測之前，必須按三根坐標軸逐一進行校準標定。標定時，先把三個圓柱形參考銷的已知尺寸作為已知的長度、高度和半徑尺寸輸入到機床控制系統的校準表中，然后分別把參考銷安裝到機床主軸上，每次用激光束來測定一個空間尺寸。把實測的三個空間尺寸分別同已知的三個尺寸進行比較，二者之間的偏差即是三根軸的偏置量。把這些數值存放在刀具表中，就可以精確檢測任何刀具。
該激光刀具檢測系統檢測精度、效率和自動化程度高，檢測范圍大，功能多，已經越來越多地替代傳統的機械式對刀儀。

5 結束語


高速切削加工涉及材料、驅動和傳動、機床與刀具、控制和數控、信息、測試監控、工藝、冷卻潤滑等眾多領域，是一項綜合技術或者說系統工程。當機床設備安裝調試完畢進入長期使用后，刀具將逐漸占據舉足輕重的地位，從硬件方面作為易損消耗品時時不斷地決定或制約高速切削加工的質量、效率、成本，需要始終加以關注研究而不能夠“一勞永逸”。本文表明，高速切削刀具涉及材料、機械設計和制造、工藝、檢測等多項技術，同樣表現出綜合性、系統性。

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