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金刚石刀具高速精密切削加工的研究

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:14:57

1 引言

精密切削加工通常是指加工尺寸精度为0.1～1µm，加工表面粗糙度达R_a0.02～0.1µm的切削加工。精密切削加工技术是机械制造业最重要的基础技术之一，在某种程度上可代表一个国家制造技术的整体水平。但目前在大多数生产过程中，为获得高的加工精度，精密加工切削速度通常低于常规加工切削速度，如实际生产中精密加工铝合金零件的切削速度多在v=100m/min 左右，大大低于铝件普通加工的切削速度(v=200～300m/min)。这就导致精密零件加工效率较低，生产成本较高，产品开发周期和在制时间较长。随着精密加工的应用范围日趋广泛，现代精密加工技术不仅应达到很高的加工精度，同时要求能以较低加工成本获得较高的生产效率和产品合格率。因此，研究在高速切削条件下实现精密切削加工具有重要的现实意义。为此，我们在高速数控车床上采用金刚石刀具进行了精密切削试验，通过优化切削用量，获得了高精度加工表面，并探讨了刀具状况、切削方式(干切削或湿切削)、切削用量等因素对加工表面粗糙度的影响规律。

2 高速精密切削试验

试验条件
- 工件材料：LY12高强度铝合金，工件尺寸Ø140×150mm。
- 切削刀具：①聚晶金刚石刀具：刃口经研磨后R_a<0.02µm，直线形修光刃b_e=0.11mm；②天然金刚石刀具：刃口经研磨后R_a<0.02µm，圆弧型刀尖r_e=0.9mm。
- 机床：Hawk150 型高速数控车床，切削液为专用乳化液；
- 切削用量：ap=0.025～0.1mm，f=0.005～0.02mm/r，v=400～1200m/min。
加工表面粗糙度测量
采用微机辅助轮廓仪测量工件表面粗糙度。轮廓仪对加工表面进行触针扫描，表面微观不平度信息以电模拟量(电压)形式输出，再通过采样和A/D转换得到一组离散型表面微观不平度数据，经计算机专用软件处理后打印输出R_a、R_z、R_y、s、s_m测量结果及轮廓曲线v=500，800，1100m/min，f=0.01mm/r，a_p=0.05mm，直线修光刃be=0.2mm，加乳化切削液)。由试验结果可知，刀具研磨质量的影响十分显著。

摘要：采用聚晶金刚石刀具和天然金刚石刀具对LY12高强度铝合金进行了高速精密切削试验，系统研究了切削条件、切削用量对加工表面粗糙度的影响规律。结果表明，在比常用切削速度高8 倍的高速切削速度范围内(v=800～1200m/min)，采用圆弧刃天然金刚石刀具可获得R_a0.04～0.06µm的高光洁加工表面；采用直线刃聚晶金刚石刀具可获得R_a0.07～0.1µm的光洁加工表面。切削速度对加工表面粗糙度的影响主要受到机床动态特性的制约；进给量的选择范围较大；背吃刀量对加工表面质量影响极大，为获得较小表面粗糙度必须合理选用背吃刀量。

干、湿切削方式的影响

高速切削加工铝合金时，干、湿切削方式对加工表面粗糙度影响较大。干式切削时(尤其当背吃刀量a_p<5µm时)，切屑呈薄絮状，由于切削速度高，加工表面的切痕和粘结现象十分明显，表明此时积屑瘤较严重。湿式切削时(加特制乳化切削液)，加工表面粗糙度显著改善，可达到与普通速度精密切削(加润滑油)相同的效果。

4 切削用量对加工表面粗糙度的影响

高速精密切削时，切削用量的选择是影响加工质量和加工效率的主要因素。对应于不同的工艺条件，需要通过切削试验来确定合理的切削用量。在本切削试验中，根据高速数控车床的性能特点，并为了进行比较，选用的切削速度范围从常用的200m/min直至超高速切削的1200m/min；选用进给量范围为0.002～0.02mm/r；采用经精密研磨的人造金刚石刀具切削LY12铝合金(加乳化切削液)。通过优选切削用量，获得了R_a=0.04～0.10µm的高光洁表面，即在比常用切削速度高8 倍的切削条件下获得了相当于▽11 光洁度的加工表面。下面分析各切削用量对加工表面粗糙度的影响。

切削速度的影响
传统的精密、超精密加工大都在较低切削速度下进行，如生产中对LY12铝合金进行高精度加工(R_a≤0.06µm)时，切削速度通常为v=80m/min 左右，而且对操作人员的加工经验具有较高要求。在本切削试验中，切削速度v 对加工表面粗糙度的影响结果如
1. 在高速精密切削中使用特制的乳化切削液，可使加工表面粗糙度大为改善，达到与使用润滑油进行常规精密切削相同的加工效果。
2. 天然金刚石刀具的加工表面质量优于聚晶金刚石刀具，可使表面轮廓曲线波动的较大高度值R_y显著下降，但聚晶金刚石刀具具有成本优势，可以较好的经济效益满足高速精密切削的要求。
3. 切削速度的选择主要受机床和工艺系统振动特性的影响，应在振动较小的转速范围内合理选用切削速度。
4. 在一定的取值范围内(f≤0.02mm/r)，进给量变化对天然金刚石刀具加工表面粗糙度的影响很小，可根据加工效益要求尽可能选择较大进给量。
5. 天然金刚石刀具可选用相对较小的背吃刀量，但选用最小的背吃刀量并不能获得光洁度最高的加工表面，可通过切削试验确定最佳背吃刀量值。对于聚晶金刚石刀具，加工表面粗糙度值将随着背吃刀量的增大而缓慢提高，因此应尽量选用较小的背吃刀量。

表2 研磨质量不同的聚晶金刚石刀具的加工表面粗糙度
刀具研磨质量	加工表面粗糙度R_a(µm)
刀具研磨质量	v=500m/min	v=800m/min	v=1100m/min
研磨(▽12)	0.210	0.180	0.235
精研(▽14)	0.109	0.102	0.132

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