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淬硬鋼的高速切削加工

發表日期:2015/12/15 10:16:00  來源:中國鋸片聯合網 切削技術

摘要:淬硬鋼以其優良的使用性能在模具行業中占著非常重要的地位。隨著高速加工中心在我國的應用的增加,高速加工已成為淬硬鋼等高硬度材料切削加工的主要手段。本文首先介紹了淬硬鋼高速加工的概況,針對使用涂層刀具加工淬硬鋼時出現的具體問題,結合實驗研究分析了切削刀具、加工工藝參數和走刀方式等對加工過程的影響,并提出一些實際加工中應注意的問題、改善加工條件和提高加工質量的方法。

1 前言

高速加工大幅度提高了生產率和加工精度,顯著地降低了制造費用,簡化了零件制造工藝流程,促進了生產模式的變革。在切削鋁合金等輕金屬材料時,高速加工已經取得了非常明顯的效果,而對淬硬鋼等難加工材料仍存在許多困難。加工鋁合金的切削速度超過臨界值時,切削力隨切削速度提高而顯著下降;但在加工淬硬鋼時切削力沒有明顯的臨界值,至多是隨切削速度提高,切削力的增加速度減緩。此外,加工淬硬鋼時刀具很容易磨損, 這限制了切削速度不能夠太高。雖然高速加工淬硬鋼不象加工鋁合金那樣可使加工成本顯著降低,但其切削效率和加工質量卻比傳統加工(如電火花和手工拋光加工)有了很大的改進,這對增強企業的競爭力無疑是非常重要的。加工淬硬鋼要求切削刀具有很高的硬度和韌性,能夠承受很大的沖擊載荷;另由于切削過程中刀刃切削部分的溫度很高,必須保證涂層在高溫下能與基體牢固地結合,不致脫落或氧化變質。目前,可用于淬硬鋼高速加工的刀具材料有涂層硬質合金、超細晶粒硬質合金、金屬陶瓷、陶瓷刀具、CBN、PCBN等。
我國陶瓷刀具在高速加工中的應用尚處于研發階段,而且由于陶瓷屬于脆性材料,多用于車削等連續加工的場合。立方氮化硼硬度很高,而且具有很強的沖擊韌性,但其價格昂貴,不完全適用于生產現場。常用的硬質合金刀具基體有WC基、TiC(N)基(金屬陶瓷) 等。與WC基硬質合金相比,TiC(N)基具有較好的高溫硬度、刀刃強度高、摩擦系數小,增加氮的含量可以提高硬度和抗彎強度,因此特別適合于淬硬鋼的加工。此外,可通過細化晶粒甚至使用納米晶粒硬質合金大幅度地提高硬度和韌性,但這些硬質合金價格昂貴,還難于推廣應用。
硬質合金涂層刀具使用壽命不及CBN刀具, 但是硬度、韌性都很好,而且價格適中,所以在工廠中得到了較為廣泛的應用。涂層刀具是通過5CV和PVD方法在硬質合金和高速鋼基體上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物等材料以提高刀具的切削性能。涂層的功能是使刀具和所切削的材料分隔開來,起到減小磨損、減少粘結和隔熱的作用,以延長刀具的使用壽命。涂層材料視其性能可分為硬涂層(TiN、TiCN、TiAlN、,TiAlCN等) 和軟涂層(MoS2、WS2等)。硬涂層具有較高的硬度,軟涂層有很小的摩擦系數。加工淬硬鋼宜采用硬涂層,其中采用PVD工藝的TiAlN刀具的高速切削性能優異,在實際生產中應用較多。采用超細晶粒硬質合金基體和TiAlN涂層的刀具是目前比較經濟可行的刀具。
本文通過正交實驗,分析了加工切削用量和刀具涂層對硬質合金刀具高速加工淬硬鋼時的刀具磨損和破損以及表面粗造度的影響;分析了刀具材料、刀具幾何角度和尺寸、切削用量、走刀方式、加工策略優選等問題。

2 實驗

切削實驗在立式加工中心YCM-V85A上進行(最高轉速8000r/min), 使用TR240表面粗糙度儀測量表面粗糙度, 用XTD20顯微攝影系統觀察刀具磨損。刀具為STANA整體硬質合金TiAlCN涂層平底立銑刀和未涂層立銑刀,直徑有6mm和8mm兩種,改變軸向切深ap, 徑向切深ae進行實驗。工件是45號鋼經整體淬火, 硬度達60HRC,部分工件由于材質不均,存在硬質點。高速切削淬硬鋼時通常不需要冷卻液,采用主軸中心孔噴壓縮冷空氣的方法可有效地進行冷卻,實驗采用干切削方式進行直線銑槽加工,總加工長度1.5m。

3 涂層刀具加工淬硬鋼的切削性能

(1)刀具結構形式

硬質合金銑刀按刀具結構的形式可分為平底銑刀、球頭銑刀和可轉位銑刀等。平底銑刀的刀尖最容易破損,刀具很容易失效。實際應用中,在同等條件下球頭銑刀的使用壽命要比平底銑刀長,主要原因是球頭銑刀刀尖沒有象平底銑刀刀尖那樣薄弱,并有利于切削刃上載荷的均勻分布。但是,球頭銑刀的制造比平底銑刀更困難?赊D位銑刀的刀片可以根據加工條件設計成各種有利于延長刀具壽命的形式,容易實現批量生產,并且可以輪流使用各刀刃來進行切削加工;但是要制作這種銑刀,刀具直徑一般要大于8mm,不能用于一些很小的型腔的加工。淬硬零件的粗加工應盡可能使用可轉位銑刀,精加工選擇整體式球頭銑刀或平底銑刀。

(2)刀具磨損及破損

如圖1所示的實驗結果表明,整體硬質合金涂層平底立銑刀高速加工淬硬鋼時,刀具的失效形式上主要有刀尖破損(圖1a)、非正常破損(圖1b)、切削刃疲勞磨損、涂層燒傷與脫落(圖1c、d)等。其中刀尖破損最為常見,這是因為刀尖處剛性差,而加工過程中,往往是刀尖先接觸工件。破損以后刀尖附近的涂層被破壞,加快了刀具失效的速度。由于刀尖破損失效在加工淬硬鋼時尤為突出,因此應該選擇刀尖剛性較好的刀具結構,如采用底刃與側刃有圓弧過渡的立銑刀。由于工件在淬火后硬度大大提高,若淬火后工件材質不均、有裂紋,將使它的可加工性能大大降低。當加工到淬火后出現的局部硬質點位置時,切削力會突然變大,容易出現崩刃現象。

(a)刀尖破損
(進給速度f=400mm/min)

(b)非正常破損
(由于切入工件時速度過大造成)

(c)由于進給速度過小刀具燒傷(f=50mm/min)

(d)未涂層刀具燒傷(f=50mm/min)
圖1 涂層刀在加工淬硬鋼時的磨損、破損形式(工件:45號鋼淬火60HRC, 切削速度Vc=110m/min,切削深度ap=0.05mm,干切削)
實驗結果表明,由于涂層的隔熱作用,涂層刀具要比普通刀具有更好的耐高溫性能(圖1c、d)。在實驗過程中,當刀具切削到硬質點時溫度突然升高,飛出的切屑呈現劇烈火花,切削完成后刀刃依然鋒利,說明實驗用的整體硬質合金涂層刀具切削性能良好,利用涂層刀具可以對淬硬鋼進行干式高速加工,而且可以獲得較好的表面質量(Ra%lt;0.5µm);而未涂層的硬質合立銑刀的加工表面質量很差,并且刀具被嚴重燒傷。
影響刀具磨損和破損的主要因素還包括刀具材料、幾何角度和直徑,切削用量和走刀方式等。

(3)刀具角度

影響立銑刀切削性能的角度主要有前角、后角、刃傾角(螺旋角)。由于加工淬硬鋼時刀具失效的主要形式為刀尖破損,因此,應當選擇適當的刀具角度以提高刀尖的抗沖擊強度, 如采用較小的前角和后角。某文獻采用TiAlN涂層刀具加工硬度為55HRC以上的淬硬鋼,用不同前角(+15°,+5°,-5°,-15°,)和螺旋角(30°,45°,60°)的刀具切削60HRC的材料,發現前角為-15°和螺旋角為60°的刀具磨損最小,表明大的螺旋角和負前角可以減小刀具磨損。
對于可轉位銑刀, 不同的刀片形狀有不同的刀尖強度,一般刀尖角越大,刀尖強度越大,反之亦然。如圖2所示,圓刀片(R型)刀尖角最大,35°菱形刀片(V型)刀尖角最小。加工淬硬鋼時應選用刀尖角較大的刀片,由于刀尖角越大切削力越大,要求機床具有良好的剛性和較大的功率。

圖2 可轉位刀具刀片形狀
直徑相同的銑刀,齒數越多,刀桿的剛性越好,并且可以采用的進給速度越大,因此切削效率越高;但是兩條切削刃之間的容屑空間小,排屑性變差。雙齒銑刀適合采用較大的切削深度加工材質較軟的工件,而多齒銑刀則適合用小切削深度加工高硬度(如淬硬鋼)材料。

(4)刀具直徑

刀具直徑越大,刀具的成本也越大。大直徑刀具容易給切削刃提供更大的支撐面,剛性好,因此大直徑刀具比小直徑耐磨。如圖3所示,對于兩種涂層立銑刀,在相同的切削參數和加工長度條件下,Ø6mm的銑刀刀尖的破損要比Ø8mm的嚴重,Ø8mm的刀具比Ø6mm的更加耐磨,兩者的加工表面質量相差不大。在用小直徑銑刀加工淬硬鋼時,要考慮整個刀桿能承受的最大載荷,因此,用小直徑銑刀時切削深度和進給速度一般都很小。由于加工過程的不穩定因素(如機床主軸的不穩定性和切削過程中載荷的變化等),使用小直徑銑刀時常常出現斷刀現象。

(a)Ø6mm銑刀的刀尖破損

(b)Ø8mm銑刀的刀尖破損
圖3 刀具直徑對刀尖破損的影響(工件: 45號鋼60HRC,Vc=110m/min,f=400mm/min,ac=0.05mm,干切削)
表1 試驗水平
水平主軸切削深度
ap(mm)
進給f
(mm/min)
轉速(r/min)Vc(m/min)
13000560.02250
24000750.03300
35000940.04350
460001130.05400
刀具:Ø6mm四刃TiAlCN涂層平底立銑刀,45號鋼淬火60HRC。

圖4 切削用量對加工質量的影響

(5)切削用量

通過對正交實驗結果的分析,研究了切削用量對工件表面質量的影響,如表1及圖4所示。圖4表明,在所選的各種試驗水平中,當主軸轉速為6000r/min(Vc=110m/min), 進給f=400mm/min,ac=0.05mm時工件的表面質量最好;進一步提高這三個參數還可以降低表面粗糙度,但是此時刀具壽命可能會很低,需作進一步研究、試驗。三個因素中,切削速度變化引起Ra的變化范圍的最大,即它對粗糙度的影響最大,其次是進給量,而切削深度的影響最小。
下面分別討論各種切削用量對加工過程的影響和實際應用中應注意的問題:
  1. 切削速度
    切削速度是影響刀具壽命的主要原因之一。在傳統的切削加工中,總是先選好切削深度和進給速度,再根據刀具耐用度選擇合適切削速度,就是因為提高切削速度會使刀具壽命大大下降。在高速加工中,當切削速度的提高到一定值時,可以使被加工部位先“軟化”再切除,從而使切削力降低或使它的提升減緩,在一定程度上改善了切削條件。確定適當的切削速度對高速加工非常重要,但由于加工淬硬鋼沒有明顯的“臨界速度”, 而且用不同的機床和刀具加工不同的材料時其值相差很大,目前還沒有完善的高速加工工藝參數表可供參考,所以工藝人員應勇于嘗試并根據刀具的實際使用情況以優選切削速度。日本安田公司采用YASDA YBM-640V進行切削試驗獲得了切削速度與刀具壽命的關系曲線(圖5a)。試驗表明切削硬度為50HRC的材料,Vc=150~200m/min時,刀具壽命較長。

    (a)切削速度
    (徑向切深ap=0.5mm)

    (b)切削深度
    (切削速度310mm/min)
    圖5 切削速度、切削深度與刀具壽命的關系(Ø10mm TiAlN涂層六齒立銑刀, 軸向切深ap=10mm, 每齒進給0.1mm,工件材料硬度50HRC)
  2. 進給速度
    高速加工的進給速度對刀具壽命、加工效率和加工精度都有著很大的影響。在很高的切削速度下進給速度也必須達到一定水平,不允許有明顯的滯后。過低的進給速度不但切削效率低,甚至會使工件表面和刀具燒傷(如圖1c所示)。然而,當進給速度太高時,加工表面質量會降低,切削力提高,刀具容易磨損甚至出現斷刀現象(如圖1b所示)。
  3. 切削深度
    切削深度是提高效率的重要因素。對于提高切削效率,粗加工和精加工的要求不同,粗加工表現為單位時間內去除切屑的體積,而精加工為刀具在單位時間內切削面積。高速加工提倡的是以較小的切削深度切削同時用很高的進給速度提高切削效率,這在精加工時非常適用。但是對粗加工,有時從增大切削深度(尤其是軸向切削深度)來提高效率會更加明顯,而且增加切削深度可以減少進刀次數,對刀具有一定的好處。YASDA機床的切削試驗表明增大徑向切深可延長刀具壽命(圖5b)。
選擇切削用量時,應兼顧加工效率和刀具壽命,不能一味地提高切削速度和進給速度。如果切削過程刀具磨損很快,或者加工精度達不到要求,再快的切削速度也沒有用。良好的切削方法應對各種因素的影響進行綜合考慮。如日本的福井雅彥教授提出的“Fukui Climbing”切削法,這種方法主要用于深腔的粗加工,切削速度不是很高,主要利用平底銑刀的側刃來銑削,切削過程采用較大的軸向切削深度和較小的徑向切削深度,這種切削方法減少刀尖與工件的接觸時間,充分利用了側刃的銑削功能, 從而降低刀具因刀尖破損而報廢損失,提高了切削效率。

(6)走刀方式

走刀路徑不合適是引起刀具非正常破損的主要原因。在高速加工淬硬鋼時必須使切削過程盡量平穩,走刀方向突然改變和載荷的突然增加都可能使刀具破損。良好的走刀路徑可有效地延長刀具的使用壽命和提高加工效率。余擺線式走刀和螺旋走刀是兩種較優的高速銑走刀方法(圖6)。余擺線式走刀主要用于加工溝槽類型腔,采用直徑小于槽寬的銑刀沿余擺線走刀可避免刀具以全刀寬切入工件,有效地減小了加工淬硬鋼的切削力及刀具與工件的接觸面, 延長刀具壽命; 螺旋走刀是一種連續的走刀方式,除了可以提供更為平穩的刀具路徑外,還避免了在環切中的環間移刀和等高加工時的層間移刀,大大地減少了切入切出和走拐角時加減速的次數,故高速加工淬硬鋼時應盡量采用螺旋走刀。受CNC機床加工工藝條件的限制,一些特殊型面的加工很難由CNC機床完成,如窄槽和幾個平面相交出現尖角(銳角)的地方,刀具切削刃難以到達,另外窄槽加工也存在難點。對這些型面應在零件設計時盡量避免,必須采用的時候可用電火花加工和線切割來完成。

(a)余擺線式走刀與傳統走刀方法對比

(b)螺旋走刀
圖6 高速加工走刀方式

4 結論

涂層刀具是目前高速加工淬硬鋼比較經濟可行的刀具,高速加工淬硬鋼時刀具的主要失效形式為刀尖破損,應當選擇適當的刀具角度,如大的螺旋角、較小的前角和后角以及刀尖(刀刃)的剛性較好的涂層刀具。切削速度變化對粗糙度的影響最大,其次是進給量,切削深度的影響最小。高速加工淬硬鋼的切削用量因工件和刀具而異,應兼顧加工效率和刀具壽命。在選擇高速加工淬硬鋼走刀方式時應盡量使切削過程平穩,盡量采用螺旋走刀。
本文作者:廣東工業大學機電學院 曾寶平 王成勇 鄧敏和 廣西大學機械學院 胡映寧
原載:《機電工程技術》2002年第6期
關鍵詞:淬硬鋼的高速切削

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