控制加工中的切削热
阅读3508次
您的位置:切削技术首页>技术专题>理论分析与管理>控制加工中的切削热
点击此处:以获得带文本搜索器的该文页面
在高速切削和硬切削加工中,控制切削热是最重要的因素,只要能控制切削热,就向成功控制加工过程迈出了一大步。
在高速切削和硬金属切削中,控制切削热是最重要的因素之一。过去几十年来,在模具制造、航空航天、医疗器件等行业,高速切削和淬硬金属切削已变得相当普遍,虽然其加工工艺并未发生太大变化,但对切削刀具的要求却已不可同日而语。

对刀具的要求

为了对模具和其他零件进行有效的高速切削和硬切削,要求刀具能够承受更高表面切削速度引起的切削热。此外,还必须对刀具的切削刃进行制备,使其能够承受高速铣削产生的切削力和磨损。

(1)刀具涂层

采用涂层是提高刀具耐热性最重要的方式。在加工硬度超过HRC40的淬硬钢或在进行表面切削速度超过245m/min(800sfm)的高速切削时,TiAlN(AlTiN)涂层刀具是最佳的选择。但是,由于有许多不同的企业都在生产涂层刀具,因此每一种涂层都会有许多不同的变化。为了确定哪一种涂层的加工效果更好,惟一的方式就是通过切削试验。尽管大多数刀具制造商都会对自己生产的涂层刀具进行切削试验,但也有些刀具制造商可能并没有专门针对高速切削和硬切削进行刀具性能试验。因此,为了帮助开发性能最佳的适用涂层,需要寻找一家对淬硬金属材料进行了广泛切削试验的刀具制造商。
目前,AlTiN涂层仍然是最佳选择,而在将来,在涂层的组分中可能会包括硅(Si)元素。随着加工中心主轴转速的不断提高,涂层与硬质合金基体的组合性能也必须与时俱进,能够承受加工中产生的更高温度。在涂层中加入Si元素,将会大大提高其抗氧化性能,从而使涂层能在高达1,100℃的温度下工作。

图1 具有三维螺旋面的球头铣刀片

图2 大进给铣削刀片

图3 用大进给刀片式铣刀加工P20钢工件材料

(2)刀具几何形状

刀具几何形状也能对控制切削热发挥重要作用。为了利用切屑带走切削热,刀具几何形状的设计必须考虑其切屑去除性能。现在开发出一种球头型刀片(图1),其上有磨制的三维螺旋结构,它能使切削更平滑、振动更小、排屑性能更好,所有这些特点都有利于减少切削热的产生。为了有效利用这些新型刀具,需要采用新的加工方法。通常,为了保持切屑流动和带走热量,应该采用较高的主轴转速、较大的进给率和较小的切深量。
在确定刀具几何形状时,必须遵循一些指导性原则。例如,必须仔细核查所用刀具的精度要求,对刀具的直径、刀尖圆弧半径和径跳误差都要加以考虑。刀具的精度越高,加工出的零件就越精确。保持较小的刀具径跳,就能获得更好的加工表面光洁度和尺寸精度,以及更长的刀具寿命。
一种具有较大芯径的双刃球头铣刀似乎最适合复杂三维廓形的铣削加工。我们并不推荐采用具有更多刀刃的铣刀,因为增加的刀刃会妨碍排屑。此外,如果用铣刀端部进行切削,在铣刀端部只有两个刀刃,而在三刃铣刀的端部则只有一个刀刃。
  1. 刀片式铣刀
    用于模具加工和普通加工的刀片式铣刀的技术水平已经能够无故障地完成大多数加工任务。采用刀片式铣刀可以进行各种加工操作,尤其是对大中型模具型腔和型芯的加工,因为刀片式铣刀的直径非常适合此类加工。
    刀片式铣刀(直径12mm以上)在粗加工和精加工中都具有很好的切削性能。直径较小的刀片式铣刀主要用于精加工以及某些载荷较轻的粗加工。
  2. 整体硬质合金铣刀
    在某些加工领域,整体硬质合金铣刀仍然具有优势。最明显的例子是,当刀具直径小于6mm时,需要选用整体硬质合金铣刀,因为直径如此之小的刀片式铣刀尚未开发成功。
    一种称为“摆线铣削”的加工新方法也需要选用整体硬质合金立铣刀。摆线铣削方式主要用于铣槽,但也有些CAM软件开发人员正将其应用于型腔铣削。
    摆线铣削必须采用大切深和很小的步距,其加工运动为非常平滑的圆弧转圈切削,每转一圈前进的距离大致等于其步距量。这种加工一般使用整体硬质合金立铣刀,因为它具有多个切削刃,允许采用很高的进给率。通常,还应该采用具有大螺旋角的螺旋槽铣刀,它能实现非常平滑的切削,并加工出极好的表面光洁度。摆线铣削加工的一个缺点是,如果刀具的悬伸量较大,在加工时则容易发生挠曲。
  3. 采用整体硬质合金刀体的刀片式铣刀
    过去的切削理论认为,刀具悬伸长度与切削直径之比,是确定应该选用整体硬质合金铣刀还是刀片式铣刀的决定性因素。而现在,随着将新型整体硬质合金刀体引入刀片式铣刀,这种理论也受到了质疑。
    现在,在刀具直径超过12mm的铣削加工中,已很少有选用整体硬质合金铣刀的充足理由。以前,钢制刀体往往缺乏用大悬伸量刀具进行大切削参数加工时所需要的刚性。如今,在此类加工中,可以采用在硬质合金刀体上夹持成本相对低廉的刀片,而不必采用成本更昂贵的整体硬质合金立铣刀。刀片式铣刀的其他优势还包括更好的灵活性、重复精度和加工部位可达性(刀具更长)。
  4. 粗加工软材料用的大进给刀片式铣刀
    用当今的刀具铣削加工预先经过热处理的工件材料可能已比较容易。而一种用于粗加工软材料的新型刀片式铣刀也已被开发出来。这种铣刀的几何形状适合以高转速、大进给和小切深进行加工,与传统铣刀相比,其切削速度更快,加工效率更高。

加工案例

以下是使用这种几何形状刀具的一个加工实例。加工条件:机床:FPT Dino五轴加工机床(最大主轴转速:10,000r/min);刀具直径:25.4mm;切削深度:0.9mm,切削宽度:19mm;主轴转速:3,800r/min;进给率:7,874mm/min;刀具悬伸量:100mm;油雾冷却。
在加工中,由于该机床的主轴在较低转速范围内扭矩有限,因此用户未在该机床上进行前序粗加工。采用3,800r/min的主轴转速进行加工,就有可能处入该机床主轴的功率范围之内。与以前采用更大直径的刀具进行粗加工相比,采用直径为25.4mm的刀具加工能够获得更接近最终形状的工件。

精加工

如今,通过刀具、机床和涂层的优化组合,对于大多数模具材料,都能以超过365m/min(1,200sfm)的表面切削速度进行精加工,有些精加工的切削速度甚至可以达到915m/min(3,000sfm)。由于切削速度和进给率都很高,从而为缩短加工循环时间,同时提高工件表面质量提供了机会。
精加工获得成功的关键在于,确保半精加工后的工件形状尽可能接近其最终形状,从而使精加工刀具的材料去除量不会发生大幅波动。在精加工中,刀具的材料去除量越均匀一致,刀具承受的切削力就越稳定,从而可以提供可预测性更好的刀具寿命,并能缩短加工循环时间。在精加工工件的主要外形之前,对过于锋利的刀尖进行钝化处理也有利于延长刀具寿命,提高加工表面光洁度,并能应用于无人值守加工。
在对大多数模具材料进行精加工时,可以采用压缩空气喷吹或油雾冷却方式。在高速切削时,不宜采用冷却液浇注式冷却,因为在切削产生的高温和冷却液降温的交替热冲击下,可能会使硬质合金刀具发生碎裂或产生裂纹。油雾冷却能够提供最佳的加工表面光洁度,同时有利于延长刀具寿命。

图4 高速切削加工材质为P20钢的模具

小结

在高速切削和硬切削加工中,控制切削热是最重要的因素,只要能控制切削热,就向成功控制加工过程迈出了一大步。
硬铣削加工对刀柄和刀具切削刃提出了很高的要求,同时还需要对铣削参数进行某些调整。完全淬硬的工件材料很难切削,加工时刀具要承受更多切削热。如果加工条件允许,采用球头铣刀可将切削热的有害影响降至最低。
在硬铣削中,为了减少切削热,应该减小切深和步距。由于减小切深而附带产生的切屑减薄效应,使刀具能以更高的每齿进给量(fz)进行加工。螺旋面铣刀、牛鼻铣刀和方肩铣刀可能也适用于硬铣削加工,而切削刃越锋利(刀尖圆弧半径越小),刀具的抗热性就越差。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2010年第4期
上载于:2013-8-12 12:14:40

声明: 切削技术网站刊载此文不代表同意其说法或描述,仅为提供更多信息。

发给好友 收藏 投稿给我们 打印本页

切削技术微信



本文微信分享码

沪ICP备05002856号 不良信息举报
谷歌搜索
本站:
全网:

本页链接

上海金切协会:关于筹备第十一…
上海金切协会:关于筹备换届选…
CCMT2018刀具展品综述
在汽轮机行业金切网2018北…
2018财年肯纳金属全球增长…
山特维克机械2018年上半年…
德国发布切削工具品牌在德市场…
CCMT2018 展会车刀展…
关于召开第八届现代切削与测量…