中山市东凤镇昌新五金机械厂

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机械加工知识

     当今制造业的发展要求交货期短、加工成本低,传统的生产方式已难以适应,因此,CNC复合车削中心类的集约型机床备受关注。零件已趋于多种复合形状一体化的结构,由圆柱面和平面组成、不同侧面上分别有孔等等。要加工这类零件,除了车削以外,还必须具备其它的切削加工能力。如采用CNC复合车削中心就能在一台机床上完成多项加工工序,实现集约型加工。随着这种趋势的出现,用于CNC复合车削中心的车削刀具应运而生。

    另外,随着高速铣削的出现,切削速度和进给速度越来越倾向于高速化。虽然车削的切削速度及进给速度也在提高,但却没有铣削变化大,其原因在于车削(连续切削)与铣削(断续切削)的切削方式不同,主要体现在以下几个方面:

   (1)由于车削通过工件旋转进行切削,所以保持工件的夹紧刚性、减少不平衡量、提高切削速度较困难。

   (2)与断续切削的铣削相比,连续切削的车削对于刀具寿命会产生更为不利的影响。

    因此,车削时如采用与高速铣削一样的小切深、高切速、快进给的切削条件,则很难实现高精度及高效率加工。但车削加工也在寻求新的发展,正在进行能使加工集约化、生产快速化、生产设备简单化、加工周期短期化以及成本低廉化所要求技术的开发。CNC复合切削是一种发展趋势,它要求可采用车削刀具和回转刀具,且可加工多种形状的产品。

    本文就如何应对车削加工的最新需求以及高附加值加工工具的最新动向作一介绍。

    2 车削用刀具的最新动向

    用于车削加工的刀片一直以涂层硬质合金为主,要求刀片寿命长、可靠性高、能适应高速切削等特性。由于工件毛坯净成形技术的发展,加工余量逐渐减小,使切削更稳定,因此刀具寿命就成了选择刀具的关键。提高刀具使用寿命的方法并不像立铣刀那样改进切削刃形状,而是针对刀具材质制定对策,以提高硬质合金涂层的耐磨性来延长刀具寿命。另外,几年前就已出现了在不降低切削表面光洁度的情况下提高进给量的特殊刀尖形状(具有铣刀修光刃效果的形状)的可转位刀片。

    2.1 刀具材料

    车削用可转位刀片以涂层硬质合金为主这一点变化不大,但近年来以高速切削和提高刀具寿命为目的的新型涂层和基体材料的开发有了很大进展。涂层硬质合金近年来也有了新的发展,如金属陶瓷具有很高的抗粘结性,在HRC40以下钢材的精加工时可进行高速切削,且表面粗糙度低;但它在切削时的耐热性和抗冲击性较差,所以适用范围有限。若使用金属陶瓷(平滑的PVD TiAlN涂层)涂层,就可以既能保证表面粗糙度低,又能通过提高耐磨性达到延长刀具寿命的目的。

    以前采用CBN刀具加工硬度达HRC50的高硬度钢材,现在由于涂层硬质合金刀片性能的提高,也完全能够胜任对高硬度钢的切削加工,从而使涂层硬质合金刀片的适用范围日趋扩大。

    车削用可转位刀片主要采用CVD涂层工艺提高涂层的结合强度和可靠性,其耐磨性和抗崩刃性能等与过去相比有了大幅度提高,下面作具体介绍:

   (1)耐磨性提高

    在实际应用中,可以通过细颗粒的Al2O3平滑涂层的厚膜化来提高硬质合金基体与涂层的附着强度,从而提高耐磨性;也可以通过提高TiAlN涂层中Al的比例来增强耐磨性能。

    车削铸铁用的可转位刀片通过除去前刀面的TiN层和添加特殊涂层(提高结合强度和前刀面耐磨性能),可以满足高速切削条件,延长刀具寿命。Si系复合膜(非结晶Si-N纳米复合结构的涂层)具有耐氧化特性(氧化初始温度为1100℃以上,一般的TiAlN涂层为900℃以上)和高硬度的特征,能够高速切削铸铁(300m/min以上)。

   (2)抗崩刃性提高

    对硬质合金基体(超细颗粒合金)进行表层强韧化处理,能防止切削时刀片刃口的崩刃及破损等,因此刀具制造商对涂层基体的改进从未间断过。同时,在涂层硬质合金方面采用了改善基体与涂层的结合强度作为提高刀具可靠性和寿命的关键措施。例如,有实验报告表明,如果提高硬质合金基体的表面粗糙度,就会加大涂层的结合强度,因此,有关硬质合金基体表面特性的研究成果指日可待。

  (3)粘结现象减少

    在质软且韧性高的SCM系钢材车削加工中,刀片切削刃容易发生材料粘结现象,引起涂层剥离及崩刃的发生。采用特殊Ti化合物使涂层表面平滑的刀片可以抑制崩刃及粘结现象的发生。

  (4)刀片刃口更加锋利

    为防止涂层硬质合金刀片刃部涂层剥离,一般的方法是将刃口做成R形状。在小零件和沟槽切削时所用刀片的刀刃很锋利,所以,PVD涂层厚度控制在3μm最适用。

    2.2 刀刃形状

    最近,可以减小切削阻力的正前角三维复杂曲面形状的断屑槽增多,主要分为双面断屑槽和单面断屑槽,前者适用于切深小的轻切削,后者适用于切深大的重切削。

    由于刀刃形状采用三维CAD设计方法,开发能力显著提高,随着成形技术的进步,已可精确地显示出自由曲面的形状。例如,刀尖刀刃部位的倒棱形状等细微部分的精确成形更有利于切削性能的提高。

    两个角带有45°角的四角形刀片的独特刀刃形状可满足中、粗切削中高速快进给的切削条件,抑制边界磨损的发生,有望在耐热合金和钛合金的车削中提高加工效率,延长工具寿命,提高切屑处理能力。

    为追求车削加工的高效率和高精度,前几年各切削工具生产厂家就研制出了具有修光刃功能的刀刃形状,即刀尖R与直线刀刃连接处有一个类似于铣刀刀片修光刃的刃部。采用修光刃和R形刀尖刀片进行精加工时,在不降低光洁度的情况下,可提高进给速度,实现高效率及高精度的加工。

    采用具有修光功能的刀片进行CNC切削时,由于它与传统圆角刀片的刀刃位置不同,编程时需要进行修正。

    对于切槽和切断刀片,采用压制成型的独立断屑槽形状和刀尖部位能承受切削力的凹形。这种用成型技术制成的形状复杂的高性能切槽、切断刀片,已有专业切削工具厂家在生产。

    3 车削用刀柄的最新动向

    在实现高效率、高精度的切削目标中,刀柄的作用越来越大。

    3.1 充分发挥刀片性能的刀柄

    众所周知,车削中通常采用可转位车刀,其刀片装夹的刚性对工具寿命的稳定、延长以及加工精度起着决定性作用。如同时采用固定销和压板压紧的刀片固定方式,这种方式具有很高的刚性及可靠性,用途广泛。

    3.2 刀柄一体化的车刀

    随着CNC复合车削中心的普及,出现了能与加工中心通用的工具设计方案,该方案中车削刀具与刀柄集成一体,与加工件的接近性好,能保证稳定而精密的切削。尤其是复合型刀柄,可同时安装三把不同的车刀,节省了换刀时间,可完成粗车、精车、车外圆、车螺纹等不同工序的连续加工,从而实现了高效加工,刀柄配有可同时向两把车刀供应冷却液的(喷雾冷却剂、空气、切削液)注入孔,能够顺利冷却。

    4 车削工艺的最新动向

    4.1 多功能切削刀具

    用于CNC复合车削中心的多功能切削刀具由于刀刃形状及刀具结构的不同,使得切削加工呈现多样化。使用这种刀具加工零件与使用内外径车刀、内外螺纹车刀、立铣刀及钻头等通用刀具相比,实现了多功能刀具的简单化。市场上已出现了能适应小型零件加工的涂层硬质合金整体多功能切削刀具。

    4.2 用于车削加工的铣削刀具

    车削中通常用车刀加工圆柱体,如果采用立铣刀加工圆柱体,则可达到效率高、断屑易的效果。众所周知,与车削的连续切削相比,立铣刀的断续切削在延长工具寿命方面十分有利。随着CNC复合车削中心的普及,采用车削和铣削的复合切削的加工方式将会不断增加。

    5 结语

    采用立铣刀等铣削工具部分替代车削加工使得切削加工进入了一个多样化的时代,CNC复合车削中心的出现使切削加工的生产方式迎来了一个巨大的转折期。

    车削工具与加工中心的共有化和多功能化等新构想正不断涌现,在品种和产量多变的生产中,CNC复合切削技术以其集约性、工期短、成本低的优越性而备受关注。为了完成复杂的加工工序和合理的切削加工需要很多切削工具,刀库的容纳能力有限,所以人们期待开发以最少数量的切削工具、刀片形状及高寿命的工具材质应对多种形状、尺寸及精度的加工。

    切削工具制造商,刀柄、工具系统制造商,CNC机床制造商以及用户应该携起手来,共同推进车削加工技术的进步。

    生产率与切削速度是有很密切关系的,切削速度的提高可以提高生产率,同时精密和超精密加工技术的发展也对切削速度有了更进一步提高的要求。

    高速切削加工的概念提出后,经过长期的探索、研究和发展,才在近期被广泛应用于工业生产。今天,在加工钢件时切削速度已达到3000m/min,加工铸铁时达到3000m/min,加工铝合金则达到7000m/min,比常用的切削速度高了许多倍。除了高速切削外,高速磨削技术也已进入实用阶段。常规磨削速度为30~40m/s,而超高速磨削的速度已达到150m/s以上了。高速切削和磨削除了能大幅度提高生产率以外,还可以提高加工质量,特别是改善已加工表面质量。

   高速切削是指在比常规切削速度高出很多的速度下进行的切削加工。目前各国对高速切削的速度范围没有统一的定义,有时候也称为超高速切削(Ultra-High Speed Machining)。通常把比常规切削速度高5~10倍的切削称为高速切削。

    传统的切削速度和刀具寿命的关系被假定为线性关系,即刀具的速度越高,刀具的磨损越快。20世纪上半叶,一些研究人员开始发现,在某些加工过程中,切削速度达到某个值后,情况开始发生变化,刀具磨损加剧,但是速度继续上升,超过这一阈值,又可以恢复正常加工。经过长期的生产实践,人们意识到对于某一特定的被加工材料来说,在比现行使用的切削速度高许多倍的区域可能存在一个十分理想的切削条件,在这个切削条件下,生产率高,刀具耐用度长,而且切削力也比较小。


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