模具高速切削刀具技术研究概况
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摘要:系统地介绍了模具高速切削刀具技术在各个领域的发展现状,包括:刀具材料、刀具磨损、刀具动平衡、刀具与机床的连接、刀具的可靠性、刀具的监测技术和刀具的几何参数。指出发展模具高速切削刀具技术,要从以下几个方面展开工作:研制和开发新的刀具材料,同时进行PCBN刀具切削性能的研究,推广其应用范围;进行模具高速切削刀具磨损机理的研究,进一步提高刀具寿命;做好刀具的动平衡,防止刀具的破损,保证工作人员的安全;进一步加强刀具监测技术的研究,以获得良好的加工质量;建立模具高速切削数据库,以便有效地利用刀具,提高刀具的寿命;大力推进有限元模拟技术在高速切削刀具技术中的应用。

1 引言

近年来,高速切削技术获得了迅速的发展,各种高速切削加工机床不断涌现,应用范围也越来越广。目前,高速切削加工技术已经成功应用到模具制造领域。应用高速切削进行模具制造,具有以下优点:
  1. 高速切削大大提高加工效率,不仅机床转速高、进给快,而且粗、精加工可一次完成,极大地提高了模具生产率。结合CAD/CAM技术,模具的制造周期可缩短约40%。
  2. 高速切削可加工淬硬钢,硬度可达60HRC左右,表面粗糙度低于Ra0.6µm,取得以铣代磨的加工效果,不仅节省了大量修模时间,还提高了加工的表面质量。
因此,发展模具高速切削技术对促进我国模具技术发展以及应对新挑战是一个有效途径。而模具高速切削技术的发展,是建立在机床、刀具、CAD/CAM系统的快速发展的基础之上的,本文重点探讨模具高速切削刀具技术。

2 刀具材料

在高速切削过程中,刀具和切屑之间温度很高,既有热的性质,又有化学特性,所以刀具材料和工件材料的匹配很重要。高速切削刀具与加工的模具材料必须有较小的化学亲和力、优良的力学性能、热稳定性和良好的抗冲击、耐磨损和抗热疲劳的特性。选择刀具的4大要素为:模具材料、刀具材料、工具几何形状和切削条件。高速加工的刀具材料必须根据模具材料和加工性质来选择。目前,陶瓷、立方氮化硼(CBN)、涂层硬质合金等刀具均可作为高速切削模具钢件的刀具材料。其中,陶瓷以化学稳定性好,具有良好的耐磨性,能以比硬质合金更高的切削速度进行切削加工,然而它的硬度、韧性低于CBN,可用于加工硬度<50HRC的模具材料。而CBN以其高硬度、极强的耐磨性、高温化学稳定性及良好的导热性,用于铣削淬硬钢、冷硬铸铁、钛合金等材料;涂层硬质合金因涂层不同而具有切削多种材料的能力。PCBN(聚晶立方氮化硼)则是由CBN(立方氮化硼)微粉与少量牯结相(Co、Ni或TiC、TiN、Al203)在高温高压下烧结而成。PCBN组织中的微小晶粒呈无序排列状态,因此PCBN硬度均匀,无方向性,具有一致的耐磨性和抗冲击性,并具有很高的硬度和耐热性(1300℃~1500℃)、优良的化学稳定性和导热性以及较小的摩擦系数,而且与Fe族元素亲和性很低,困此它是高速切削黑色金属较理想的刀具材料。从目前的研究结果来看,在所有的模具高速切削刀具材料中,PCBN的性能相对较好,是进行淬硬钢模具加工的主要刀具材料。

3刀具的磨损

3.1 刀具的主要磨损形态

高速切削时,刀具的主要磨损形态为后刀面磨损、微崩刃、边界磨损、片状剥落、前刀面月牙洼磨损、塑性变形等,如图1所示。

后刀面磨损

微崩刃

边界磨损

片状剥落

月牙洼磨损

塑性变形
图1 高速切削刀具的主要磨损形态
后刀面磨损是高速切削刀具经常发生的磨损形式,可看作是刀具的正常磨损。后刀面磨损带宽度的加大会使刀具丧失切削性能,在高速切削时常采用后刀面上均匀磨损区宽度的VB值作为刀具的磨损极限。
微崩刃是在刀具切削刃上产生的微小缺口,常发生在断续高速切削时,通过选用韧性好的刀具材料、减小进给量、改变刀具主偏角以增加稳定性等措施,可减小微崩刃的发生概率。通常只要将刀具微崩刃的大小控制在磨损限度以内,刀具仍可继续使用。
边界磨损发生在刀具后刀面的刀——工接触边缘处,形状通常为一狭长沟槽,因此也称为沟槽磨损。高速切削不锈钢、高温合金(如Inconel718)时刀具容易发生边界磨损,其原因是工件表面的加工硬化使刀具——工件接触边界的工件材料硬度最高。加工外圆时,刀——工接触边界的切削速度最高,因此也容易形成边界磨损。
片状剥落多发生在刀具的前、后刀面上,其原因是刀——屑或刀——工接触区的接触疲劳或热应力疲劳所致。当剥落很小时,被认为是磨损;但在很多情况下,由于疲劳裂纹源距刀具表面具有一定深度,裂纹扩展后所形成的剥落块往往大于刀具的磨损限度,一旦发生剥落,即可使刀具失效,形成剥落破损。
前刀面月牙洼也是高速切削加工中一种磨损形式。塑性变形多发生在切削温度较高而刀具红硬性较差的切削条件下,超硬刀具材料在切削速度很高时也可能发生塑性变形现象。

3.2 常用的几种刀具材料的磨损

  1. 陶瓷刀具 陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性能及高温力学性能优良、化学稳定性好、不易与金属发生粘结等特点。陶瓷刀具的最佳切削速度通常可比硬质合金刀具高3~10倍,适用于高速切削钢、铸铁及其合金等。陶瓷刀具用于高速切削时,切削温度可高达800℃~1000℃甚至更高,切削压力也很大。因此,陶瓷刀具的磨损是机械磨损与化学磨损综合作用的结果-“,在高速切削时以高温引起的粘结磨损、氧化磨损和扩散磨损为主。
  2. 立方氯化硼刀 具立方氮化硼(CBN)是氮化硼的致密相,PCBN的CBN含量、晶粒尺寸、粘结相等均会影响其性能:CBN含量越高,PCBN的硬度和导热性也越高;CBN晶粒尺寸越大,其抗破损性越弱,刀刃锋利性越差;采用金属材料Co、Ni作为粘结相时,PCBN有较好的韧性和导电性,采用陶瓷材料作为粘结相时则具有较好的热稳定性。。
    一般认为,CBN刀具的磨损是由于切削过程中的高温、高压、切屑与前刀面间的摩擦以及工件材料中有关化学元素与之发生粘结、亲和而引起的,即其磨损机制主要包括:氧化磨损和相变磨损;粘结磨损;摩擦磨损;颗粒剥落与微崩刃。造成CBN刀具磨损的E述多种因素并非只是独立存在、单独作用,而是相互影响、共同加剧,如氧化磨损和相变磨损必然伴随着粘结磨损,并出现摩擦磨损、剥落磨损和微崩磨损。
  3. 涂层刀具涂层刀具具有很强的抗氧化性能和抗粘结性能,因而具有良好的耐磨性和抗月牙洼磨损能力。涂层的摩擦系数较低,能有效降低切削时的切削力及切削温度,因而可大大提高刀具耐用度。涂层刀具用于高速切削时,由于切削温度较高,可使涂层与基体的结合强度削弱,容易产生剥落、崩碎等损伤。
  4. 硬质合金刀具 硬质合金一般用来进行硬度较低的模具钢(<30HRC)的高速切削加工。在切削速度较低时,其磨损形式为粘着磨损;在切削速度较高时,其磨损形式为氧化和扩散磨损。

4 刀具系统的动平衡技术

刀具系统(刀刃——刀柄——刀盘——夹紧装置)不平衡会缩短刀具寿命,增加停机时间,并会增大加工表面粗糙度,降低工件加工尺寸精度和主轴轴承使用寿命。高速切削刀具系统的平衡更为重要。一般来说,对于小型刀具,平衡修正量只有百分之几克;对于紧密型刀具,采用静平衡即可;对于悬伸长度较大的刀具则必须进行动平衡。
引起高速切削刀具系统不平衡的主要因素有:刀具的平衡极限和残余不平衡度、刀具结构不平衡、刀柄不对称、刀具及夹头的安装(如单刃镗刀)不对称等。设刀具在距离旋转中心e(mm)处存在等效的不平衡质量m(g),则刀具不平衡量U(gmm)可定义为刀具不平衡质量与其偏心距的乘积,即U=m×e。设G为反映刀具平衡量与旋转速度G(r/ram)之间关系的参数,则
G=ω×e=πn×U=πUn
30m30m
式中:ω——角速度
产生的惯性离心力Fe(N)为
Fe=me[πn]2×10-6=U[πn2]10-6
3030


图2 惯性离心力和主轴转速与刀具不平衡度的关系
图2为因刀具不平衡引起的离心力与主轴转速和刀具不平衡量的关系。离心力会使主轴轴承受到方向不断变化的径向力作用而加速磨损并引起机床振动,甚至可能造成事故。当主轴转速提高时,惯性离心力将以平方倍数增大。因此,高速切削刀具(主要是旋转刀具)使用前除进行静平衡外还必须进行动平衡,应根据其使用速度范围进行平衡,以实现最佳加工效益。对高速切削刀具进行平衡时,首先需对刀具、夹头、主轴等各个元件单独进行平衡,然后对刀具与夹头组合体进行平衡,最后将刀具连同主轴一起进行平衡。推荐采用微调螺钉进行精细平衡,或直接采用内装动平衡机构的镗刀,通过转动补偿环移动内部配重以补偿刀具不平衡量。目前国内外尚无统一的刀具平衡标准,对采用IS01940-1标准中的G值作为平衡标准也有不同看法。国外一些企业以G1(即刀具以10000r/min的转速回转时,回转轴与刀具中心轴线的偏心距为1µm)作为平衡标准;有的企业对转速6000r/min以上的高速切削刀具以G2.5作为平衡标准。

5刀具与机床的连接技术

高速切削用的刀具尤其是高速旋转刀具,由于旋转速度很高,无论从保证加工精度方面考虑,还是从操作安全方面考虑,对它的装夹技术都有很高的要求。弹簧夹头、螺钉等传统的刀具装夹方法已经不能满足高速加工的需要。开发新型的刀柄和刀具夹头已经成为高速刀具技术的一个重要组成部分一。
HSK刀柄是一种新型的高速锥形刀柄,其接口采用锥面和端面两面同时定位的方式,刀柄位中空,锥体长度较短,有利于实现换刀轻型化及高速化。由于采用端面定位,完全消除了轴向定位误差,使高速、高精度加工成为可能。这种刀柄在高速加工中心中应用很普遍,被誉为“21世纪的刀柄”。
1987年美国肯纳金属(Kennametal)公司及德国威迪亚(Widia)公司联合研制了1:10短锥空心KM刀柄,并首次提出了端面与锥度双定位原理。KM刀柄采用1:10短锥配合,锥柄的长度仅为标准7:24锥柄长度的1/3,由于配合锥度较短,部分解决了端面与锥面同时定位锁产生的干涉问题。刀柄设计成中空的结构,在拉杆轴向拉力作用下,短锥可径向收缩,实现端面与锥面同时接触定位。由于锥度配合部分有较大的过盈量(0.02mm~0.05mm),所需的加工精度比标准的7:24长锥配合所需要的精度低。与其他类型的空心锥连接相比,相同法兰外径所采用的锥柄直径较小,主轴锥孔在高速旋转时的扩张量小,高速性能好。这种系统的主要缺点时:主轴端部需要重新设计,与传统的7:24锥连接不兼容;短锥的自锁会使换刀困难;由于锥柄是空心的,所以不能用作刀具的夹紧,夹紧所需由刀柄的法兰实现,这样增加了刀具的悬伸量,对于连接刚度有一定的削弱。由于端面接触定位是以空心短锥和主轴变形为前提实现的,主轴的膨胀会恶化主轴轴承的工作条件,影响轴承的寿命。
另外,还有Sandvik公司生产的CAPTO刀柄、日本株式会社日研工作所的NC5刀具系统、BIG PLUS刀柄、H.F.C刀柄、3LOCK刀柄、WSU刀柄以及SHOWA D-F-C刀柄等许多适合于高速切削加工的刀柄。但目前来看,高速切削刀柄仍然以HSK和KM刀柄为主,它们的应用范围最广,且代表将来高速切削刀柄发展的主流方向。

6 刀具的安全性

高速切削刀具安全性涉及的主要对象是高速旋转的铣刀和镗刀,尤其是高速铣刀,因为高速铣削是目前高速切削应用的主要工艺。加工实践表明,普通铣刀的结构和强度不能适应高速切削的要求,因此高速铣刀安全性的研究更具有紧迫性和现实性。

图3 失效过程和转速的关系曲线
高速切削用可转位铣刀的安全性除了刀体强度要求外,还包括对零件、刀片夹紧等的可靠性要求。高速切削时,离心力是造成铣刀破损的主要因素,防止离心力造成破坏的关键在于刀体应具有足够的强度。为了能在设计阶段对刀具结构强度在离心力作用下的受力和变形情况进行定性和定量分析,目前一般利用高速铣刀的有限元(FEM)模型来计算不同转速下应力的大小,模拟刀具失效过程,改进设计方案。在实际应用中,将模拟设计计算与离心力实验相结合,根据实验获得的刀具变形、刀片位移等数据建立FEM模型的边界条件。根据计算和实验,可转位铣刀在超高速切削中主要有两种失效形式:夹紧刀片的螺钉被剪断,刀片或其他夹紧元件被甩飞;刀体爆碎。在多数情况下,首先出现前一种失效,即在较低转速时出现零件甩飞现象;随着转速进一步提高,达到刀体强度临界值时即出现后一种失效。图3所示为模拟计算显示的两种失效过程与转速的关系曲线。在静止状态下,刀片的夹紧力对刀体产生一个向心变形,随着转速增加,刀体发生弹性膨胀,刀片随刀体一起向外膨胀;同时刀片的离心力克服螺钉夹紧力,使向心夹紧力和变形量逐渐减小,直至完全脱离刀座的径向支撑,此时夹紧已完全失效,即达到图3所示曲线上的拐点,通过拐点后刀片开始迅速外移直至甩飞。

7 刀具监测技术

高速切削刀具监测技术对于高速切削加工的安全性十分重要。刀具监测技术主要包括通过监测切削力以控制刀具磨损;通过监测机床功率以间接获得刀具磨损信息;监测刀具断裂(破损)等。目前国内外对高速切削刀具监测技术的研究及开发应用还不够充分。
由于声发射信号对刀具载荷比较敏感,因此MyeonyChang Kang等利用声发射对高速切削中的刀具状况和刀具磨损进行监测,并取得了较好的效果。另外Jean-Ha Kim等利用数码照相机和专用夹具进行高速切削刀具磨损的研究。

8 刀具的几何参数的选择

刀具的几何参数的选择会对高速切削及其刀具的寿命产生巨大的影响,也是我们应予以高度重视的部分。
高速切削刀具与普通刀具前后角相比,一般高速切削比普通切削的前角约小10°。,后角约大5°~8°。同时HSC刀具的切削部位应尽量短,以提高刀具的刚性和减小刀刃的破损率。
表1 不同材料的高速切削加工刀具的合理的γ0、α0
工件材料γ0α0
铝合金12°~15°13°~15°
0°~5°12°~16°
铸铁12°
高速切削时,刀具的合理几何参数依据加工材料的不同而不同,在加工工具钢时,起重要作用的刀具几何角度是α0、γ0等,HSC时刀具的合理70、咖的经验值见表1。此外,为获得较佳的刀具几何参数,还可以采用合适的刀体材料和安全的结构,使用较短的切削刃,提高刀具的整体剐性;采用较大的刀尖角,合适的断屑措施等。

9 结束语

综上所述,大力发展模具高速切削刀具技术,就要从以下几个方面展开工作:
  1. 研制和开发新的刀具材料(主要是研制开发新的具有更高韧性的陶瓷刀具和具有更高性能的涂层刀具),同时进行PCBN刀具切削性能的研究,推广其应用范围。
  2. 进行模具高速切削刀具磨损机理的研究,进一步提高刀具寿命
  3. 做好刀具的动平衡,防止刀具的甩飞和破损,保证工作人员的安全。
  4. 进一步加强刀具监测技术的研究,以获得良好的加工质量
  5. 优化高速切削刀具的结构,积累适当的模具高速切削加工参数,建立模具高速切削数据库,以便有效的利用刀具,提高刀具的寿命。
  6. 大力推进有限元模拟技术在高速切削刀具技术中的应用。
目前,我国高速切削地应用还远远落后于发达国家的一个主要原因就在于刀具技术的落后,因此研制出适合高速切削的刀具是促进我国高速切削发展和应用的一个主要途径。
本文作者:唐山学院机械工程系 杨国权 大连理工大学模具研究所 李国和 蔡玉俊
原载:《锻压技术》2005年第2期
上载于:2009-7-3 12:17:35

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