高速加工的刀具選取
2008-09-12 16:07:47
刀具技術(shù)特別是刀具材料的進(jìn)步對(duì)高速切削加工的發(fā)展起到了很大作用。在高速切削領(lǐng)域，當(dāng)前主要使用金屬陶瓷、陶瓷、涂層和超硬材料四類刀具，它們各有其特性和應(yīng)用范圍，并相互補(bǔ)充。其中涂層刀具發(fā)展最快，而且在高速切削領(lǐng)域有巨大應(yīng)用潛力，目前在全部刀具中已占有50%以上的比重。
超硬材料刀具在高速切削領(lǐng)域獨(dú)占優(yōu)勢(shì)，其實(shí)際應(yīng)用與日俱增。在這類刀具中，PCD（聚晶金剛石）刀具是高速切削鋁合金和非金屬材料的最佳選擇，而金剛石涂層刀具則不僅已經(jīng)實(shí)用化且增長(zhǎng)勢(shì)頭很猛；PCBN（聚晶立方氮化硼）刀具適用于以更高速度切削鑄鐵、淬硬鋼等材料，CBN（立方氮化硼）涂層刀具也有望在近期取得重大技術(shù)突破。
為了使高速切削刀具有足夠的使用壽命和低的切削力，應(yīng)根據(jù)不同的工件材料選擇最佳的刀具幾何角度。與普通切削相比，高速切削刀具前角一般要小一些（甚至是負(fù)前角），后角要稍大一點(diǎn)，且常采用修圓或刀尖倒角來(lái)增大刀前角，以防止刀尖處的熱磨損。由于進(jìn)行高速切削的旋轉(zhuǎn)刀具要在很高的轉(zhuǎn)速下工作，離心力問(wèn)題非常突出，故要求其刀體結(jié)構(gòu)和刀片夾緊結(jié)構(gòu)應(yīng)十分可靠，同時(shí)需要在動(dòng)平衡儀上經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的動(dòng)平衡，最好能進(jìn)一步安裝在機(jī)床上與主軸組件一起進(jìn)行動(dòng)平衡。
在普通轉(zhuǎn)速下，刀具與主軸間廣泛采用的7∶24錐度聯(lián)結(jié)，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于實(shí)心錐柄不能像主軸孔那樣受離心力作用發(fā)生“脹大”，兩者之間出現(xiàn)間隙會(huì)導(dǎo)致刀具在錐孔內(nèi)擺動(dòng)，從而引起刀具的軸向定位誤差和破壞結(jié)構(gòu)的動(dòng)平衡。為了克服這種高速下聯(lián)結(jié)性能差的缺點(diǎn)，相繼開(kāi)發(fā)出了一些適合高速切削的聯(lián)結(jié)方式，如：HSK工具系統(tǒng)和Capto工具系統(tǒng)。
下面詳細(xì)介紹刀具、刀柄及切削用量的選取。
1. 刀具材料
要實(shí)現(xiàn)高速切削，刀具材料是關(guān)鍵。高速切削材料主要有硬質(zhì)合金、涂層刀具、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金剛石刀具。它們各有優(yōu)點(diǎn)，適合不同的工件材料和不同的切削速度范圍。必須注意的是刀具材料與工件材料之間有一個(gè)適配性問(wèn)題，即一種刀具材料加工某種工件材料時(shí)性能良好，但加工另一種工件材料時(shí)卻不理想，換句話說(shuō)，不存在一種可適用于所有工件材料高速加工的萬(wàn)能刀具材料。
高速切削刀具材料必須根據(jù)所加工的工件材料和加工性質(zhì)來(lái)選擇。一般而言，陶瓷刀具、涂層刀具及CBN刀具適合于鋼鐵等黑色金屬的高速加工；PCD刀具適合于對(duì)鋁、鎂、銅等有色金屬的高速加工；陶瓷刀具已應(yīng)用于加工各種鑄鐵、鋼件、熱噴涂噴焊材料、鎳基高溫合金等；金剛石刀具適合于加工非金屬材料、有色金屬及其合金。
由于金剛石的熱穩(wěn)定性差，切削溫度達(dá)到800℃時(shí)，就會(huì)失去其硬度。因?yàn)榻饎偸丸F有很強(qiáng)的化學(xué)親和力，在高溫下鐵原子容易與碳原子相互作用使其轉(zhuǎn)化為石墨結(jié)構(gòu)，刀具極容易損壞，因此金剛石刀具不適合于加工鋼鐵類材料，在切削有色金屬時(shí)，PCD刀具的壽命是硬質(zhì)合金刀具的幾十甚至幾百倍。
立方氮化硼刀具既能勝任淬硬鋼、軸承鋼、高速鋼、冷硬鑄鐵的粗、精車削，又能勝任高溫合金、熱噴涂材料、硬質(zhì)合金及其他難加工材料的高速切削。CBN刀具是實(shí)現(xiàn)以車代磨的最佳刀具之一。
2. 刀 具
以下介紹在加工中心上加工殼體常用的刀具。
（1）銑刀
在面銑時(shí)，由于銑刀和工件之間的關(guān)系，尺寸和位置是重要的因素。在選擇刀具時(shí)，工件的寬度決定銑刀的直徑。對(duì)于加工小件而言，一般刀具直徑比工件大30%是比較理想的，但是機(jī)床功率和穩(wěn)定性在許多情況下起決定作用。面銑常常需要幾次走刀才能完成。
在優(yōu)化銑削效果時(shí)，銑刀的刀片是另一個(gè)重要因素。在任何一次銑削時(shí)如果同時(shí)參加切削的刀片數(shù)多于一個(gè)是優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)參加切削的刀片數(shù)太多就是缺點(diǎn)。在切削時(shí)每一個(gè)切削刃不可能同時(shí)切削，所要求的功率和參加切削的切削刃多少有關(guān)。就切屑形成過(guò)程，切削刃負(fù)載以及加工結(jié)果來(lái)說(shuō)，銑刀相對(duì)于工件的位置起到了重要作用。在面銑時(shí)，用一把比切削寬度大約大30%的銑刀并且將銑刀位置在接近于工件的中心，那么切屑厚度變化不大。在切入切出的切屑厚度比在中心切削時(shí)的切削厚度稍稍薄一些。
為了確保使用足夠高的平均切屑厚度/每齒進(jìn)給量，必須正確地確定適合于該工序的銑刀刀齒數(shù)。銑刀的齒距是有效切削刃之間的距離。可根據(jù)這個(gè)值將銑刀分為3個(gè)類型——密齒銑刀、疏齒銑刀、特密齒銑刀。
和銑削的切屑厚度有關(guān)的還有面銑刀的主偏角。主偏角是刀片主切削刃和工件表面之間的夾角，主要有45度、90度角和圓形刀片。切削力的方向變化隨著主偏角的不同將發(fā)生很大的變化：主偏角為90度的銑刀主要產(chǎn)生徑向力，作用在進(jìn)給方向，這意味著被加工表面將不承受過(guò)多的壓力，對(duì)于銑削結(jié)構(gòu)較弱的工件是比較可靠。
主偏角為45度的銑刀其徑向切削力和軸向大致是相等的，所以產(chǎn)生的壓力比較均衡，對(duì)機(jī)床功率的要求也比較低，特別適合于銑削產(chǎn)生崩碎切屑的短屑材料工件。
圓形刀片的銑刀意味著主偏角從0度到90度連續(xù)變化，這主要取決于切削深度。這種刀片切削刃強(qiáng)度非常高，由于沿長(zhǎng)切削刃方向產(chǎn)生的<
