目前高速加工刀具工艺参数的优化

高速加工刀具工艺参数的优化

摘要：以几种典型模具材料的高速加工为例，介绍了德国Darmstadt 工业大学PTW研究所对高速加工刀具工艺参数优化的研究成果。

1 引言

高速加工作为一种先进的切削技术，自二十世纪八十年代以来得到了日益广泛的应用。高速加工采用远高于常规加工的切削速度和进给速度，不仅可提高加工效率，缩短加工工时，同时还可获得很高的加工精度。随着高速加工主轴技术的发展，与其配套的新型刀具不断出现，对高速加工用刀具工艺参数的优化研究也不断深入。目前，德国、美国、日本等工业发达国家对高速加工技术的研究和应用处于世界领先地位，特别是德国对高速加工的研究起步较早，成果较多。早在19南京栖霞山化肥厂产84 年，德国国家研究技术部(DFG)就出资700 万马克资助德国Darmstadt 工业大学生产技术和机床研究所(PTW，Institute of Productionand Engineering and Machine Tools)与41 家公司进行了为期4 年的合作，全面开展对高速加工切削机理、高速加工工艺、高速加工用机床与刀具的研究。由于政府的高度重视和大力资助，研究工作取得了丰硕必须提高位移测试精度来满足使用者的要求成果。德国不少公司很快掌握了高速加工技术，并不断支持和推动该项技术的深入研究与发展。

本文对德国PTW研究所近年来在高速加工刀具工艺参数优化方面的最新研究成果作一介绍，希望能为国内的高速加工研究及应用提供有益的参考。

2 高速加工的特点

高速加工(High Speed Cutting，简称HSC)通常是指在高于常规加工速度5～10倍的条件下进行的切为贯彻实行制造强国战略削加工。在高速加工中，必须根据不同的加工材料、加工方式、加工工艺、刀具参数并考虑刀具使用寿命和加工表面质量来选择切削速度。表1为加工不同工件材料时HSC 铣削与常规加工的切削速度比较。表2 为采用不同加工方式切削合金钢时HSC 与常规加工的切削速度比较。表1 加工不同材料时HSC铣削与常规加工的切削速度比较

被加工材料常规切削速度

(m/min)HSC切削速度

(m/min)纤维增强塑料～～9000轻金属～800200～5000而在食品工业领域铜合金～～45000铸铁～～3000普通工具钢～250700～2000钛合金～80200～1000镍基合金～20100～300

表2 加工合金钢时HSC 与常规加工的切削速度比较

加工方式常规切削速度

(m/min)HSC切削速度

(m/min)钻削～100～200拉削～40～80精镗～10～300

3 高速加工刀具工艺参数的优化

高速加工的实现与刀具材料、刀具几何形状曲折实验时(ASTMD790 、D6272和ISO178)、被加工材料及加工参数等密切相关。下面以应用广泛的模具材料如铝合金、工具钢和铸铁的高速加工为例，介绍德国PTW研究所近年来对高速加工刀具工艺参数优化研究的成果。

3.1 高速加工铝合金的刀具工艺参数优化

1) 刀具材料

加工铝合金时，可供选择的刀具材料有硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、聚晶金刚石等。硬质合金是高速切削铝材的主要刀具材料。实际加工中通常使用无涂层的硬质合金刀具，这是因为较厚的涂层会导致刀尖圆弧钝化，而较薄的涂层则会在加工时迅速磨损，均难以起到延长刀具寿命的作用。由于P系列和M系列硬质合金中含有TiC成分，而TiC与铝的亲和性好，不利于切削，因此在粗加工时宜选用K系列硬质合金刀具。陶瓷材料材质较轻，常用于大型刀具；陶瓷刀具亦可用于铝材的高速切削，但Al2O3陶瓷刀具因脆性较大而不常使用。多晶金刚石刀具的使用寿命在相同切削条件下可比硬质合金刀具显著延长，但昂贵的价格使其难以得到广泛使用；在加工Si含量较高的Al-Si合金时，由于硬质合金刀具磨损很快，使用聚晶金刚石刀具则较为经济。近年来，综合了聚晶金刚石和硬质合金两者优点的CVD 聚晶金刚石涂层硬质合金刀具已得到越来越广泛的应用。

2) 刀具几何参数

刀具几何形状的选择取决于铝合金材料的抗拉强度和Si成分含量。研究表明，刀具前角和刀尖钝圆半径是影响铝合金加工质量的主要因素。刀具后角的选取会影响刀具刚度，增大后角有利于提高刀具寿命，但会降低刀刃刚度。为此可采用双倒棱后角，在增大后角的同时保证刀具刚度。此外，刀尖圆弧半径的选择应适当，圆弧半径过大或过小都会降低刀具使用寿命。整体刀具的螺旋角优化值为20°～25°。表3 列出了加工不同铝合金材料时刀具几何参数的优化经验值。表3 加工铝合金材料的刀具几何参数优化经验值

工件材料抗拉强度

或Si含量刀具材料后角前角刃倾角刀尖圆弧半径

(mm)铝塑合金Rm 300N/mm2硬质合金13 ～18 10 ～15 ≥25 0.005～0.01铝塑合金Rm 300N/mm2硬质合金12 ～15 12 ～18 ≥20 0.005～0.01铝铸铁合金Si含量 12%硬质合金12 15 0 0.01～0.02铝铸铁合金Si含量 12%聚晶金刚石12 0 0 0.01～0.02

3) 加工工艺参数

研究表明，适合高速加工铝合金材料的加工工艺优化参数为：切削速度：≥4000m/min；每齿进给量：0.005～0.5mm；进给速度：加工Al-Si合金(Si12%)时vf=1～8m/min；切削率：加工Al-Si合金( Si 12%)时为40～70cm3/mm·kW。加工Al-Si合金时应使用冷却液(10%～15%乳化液，20～40巴)或微量冷却润滑技术(MVL，MinimumVolume Lubrication)，合理的冷却润滑可使刀具寿命提高50%。

4) 加工表面质量

影响工件表面加工质量的主要因素有：①刀具径向跳动。②刀具磨损：当VB>0.2mm时，加工表面质量明显降低，因此精加工时必须将刀具磨损量控每一年包装材料的生产需求量达6700万吨制在VB