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高速切削在铸铁和合金钢加工中的应用研究 |
| 来源：信息中心 时间：2009-2-1 10:41:59 |
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本文简要地介绍了高速切削技术和目前应用在模具制造中的铸铁和合金钢高性能加工方面的进展。文章内容主要包括：
- 在高硬度材料高速铣削过程中，刀具崩刃和刀具寿命的理论及试验研究；
- 在加工雕塑曲面时，通过改变主轴转速和进给速率优化数控程序，来保持几乎恒定的切屑负载；
- 预测切削刀具上的切屑流、应力和温度及加工曲面层的残余应力。
一、前言
随着机床、刀具和高速旋转的端铣刀技术的进步，“高速加工(HSM)”已经成为一种高效的加工过程，能够完成高精度和高表面质量零件的加工。直到最近，航空工业中才把高速铣削应用于复杂的铝合金零件的加工。随着机床、主轴和数控系统或控制单元的显著改进，高速加工已被成功地利用。近来，随着切削刀具技术的进步，高速加工已应用于加工合金钢(HRC>30)，广泛地应用在汽车和电子元件产品中的冲压模，还有塑料模具零件等。高速加工的定义依赖于被加工的工件材料的类型。材料去除率高，研制周期短，切削力低，切屑移除带走的热量使工件的变形小。然而，同高速加工的应用相关的问题主要依赖工件材料和所需的产品几何形状。高速加工的缺点为：过多的刀具磨损，需要特别昂贵的机床，并且这些机床必须有良好的主轴、控制器单元和夹具，具有动平衡的刀柄，最重要的是要有先进的刀具材料和涂层材料。
减少了精加工的时间，热处理后精加工零件变形消失，材料去除率高，加工费用低和表面质量高。在工具钢的冲模和铸模的加工方面，硬材料的高速加工取代了缓慢的放电加工过程，而硬钢件的高速切削会在工件和刀具接触表面产生高的温度和应力。所以，高速加工的应用，需要从根本上理解切削用量、刀具寿命和加工表面质量之间的关系。这就必须掌握在高速切削中产生的温度和应力是如何影响刀具磨损的，刀具过早崩刃和加工表面出现残余应力。
试验数据表明：当加工硬钢件时，工件材料的微观结构和热性能影响切削流。一般来说，硬度高的工件产生的切削力也大，而不同热性能的刀具材料可以降低切削力。为了更好地掌握切削过程和提高切削刀具的性能，变形理论和数字技术的应用产生了。
在加工高硬度材料方面，切削速度从低到高和合适的进给速率时，可以发现连续的切屑变形，如锯齿形切屑形成的原因为刀具前刀面周期性的断裂变形，如1000～50000r/min，主轴功率：7.5～40kW，进给速率：10～60m/min)。高速加工要求有高稳定性、具有微小振动的刚性主轴，用热配合平衡刀柄。伺服系统和控制单元必须是先进的，能够支持预先计算和快速反应，具有传输容量大的程序能力，且不会出现数据丢失现象。计算机制造系统和预先计算系统必须允许机床最有效地加速和减速来实现刀补，目前的机床技术渐渐采用高速线性马达驱动，3-D轮廓进给速率约为12m/min，加减速率接近9.8m/s2。立方氮化硼和氮化硅加工铸铁，氮化钛和碳氮化钛涂层的合金刀具加工洛氏硬度达 42的合金钢，氮化钛铝和铝氮化钛涂层合金刀具加工洛氏硬度为42甚至更高的合金钢。在特殊方面的应用上，尤其是高硬度的车刀(HRC60-65)和具有合适切削刃的聚晶立方氮化硼刀片也得到了成功的应用。
表1 先进切削刀具材料和涂层的特性
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| 刀具材料
| 涂层材料
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| PCD
| CBN
| RC
| SiN
| AlO
| TiN
| TiCN
| TiAlN
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| 维氏硬度
| 6000
| 3500
| 1500～1800
| 1700
| 1600
| 2900
| 3000
| 3300
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| 无冷却加工的摩擦系数
| -
| 0.24
| 0.6
| -
| -
| 0.4
| 0.4
| 0.3～0.5
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| 较大工作温度/℃
| 600
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| 600
| 400
| 815
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| 热传导率/(W/m·K)
| 500
| 100
| 40～80
| 15～35
| 14～17
| -
| -
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模具的高速切削加工
在注射模、铸模、锻模和覆盖件冲压模中，模具是由功能组件和支撑组件组成的。通常凸模和凹模是从模具钢加工出来的。但是，大型冲压模经常铸造成接近最终尺寸，保留加工余量。支撑部件都是标准件，以保证工装组件的总体功能，如定位、零件注射、加热或冷却。通过应用标准的模具组件，可减少加工模具的时间，机械加工主要生产凸模和凹模等部件。
- 模具材料
- 根据最近的调查，50%的模具制造商加工注射模。在美国，最常用的模具材料为3Cr2Mo模具钢(HRC30)，锻模和铸模常用材料为4Cr5MoV1Si钢，HRC45～HRC60的锻模和HRC46～HRC50的铸模。表2列出了最常用的模具材料。
表2 美国应用最广泛的模具材料
| 模具类型
| 模具材料
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| 注射模
| 3Cr2Mo、4Cr5MoV1Si和Cr6WV
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| 冲压模
| 铸铁、Cr12MoV和Cr6WV
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| 铸模
| 4Cr5MoV1Si、3Cr2Mo
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| 锻造模
| 4Cr5MoV1Si和FX钢 |
- 表面质量
- 精加工需要较大份额地占有研制周期，对于注射模、铸模和锻模约为整个研制周期的25%～30%。对大型冲压模，精加工占用了整个制造时间的大部分，同时对钳工(磨和抛光)加工时间也有影响，铸模和注射模约为15%，钣金成型模约为20%。采用小的刀间距加工，残留高度将减小，同时钳工加工时间也将减少。
- 注射模的表面精度要求比锻模和冲模高。表3为各类模具尺寸误差和形位误差的平均值。在模具制造中，高速铣的主要目的是减少或消除手工抛光，同时减少精加工时间。采用如下两种方式可获得低的表面粗糙度：增加精加工路径或采用大直径的铣刀。步距ae 和刀具直径D决定理论表面粗糙度Rth。
表3 模具的公差要求
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| 尺寸公差平均值/mm
| 形位公差平均值/mm
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| 注射模
| 0.020
| 0.015
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| 铸造模
| 0.046
| 0.041
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| 冲压模
| 0.061
| 0.043
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| 锻模
| 0.028
| 0.023 |
- 因较大的刀具直径常被零件几何形状限制，理论表面粗糙度值只能通过减小刀间距来减小。如果刀间距减小50%，刀具路径将自动增加100%，这意味着精加工时间将增加二倍。为补偿增加的时间，高的进给速率是必须的。高的进给速率要求高的主轴转速来保证恒定的切屑的厚度，同时也需要高的切削速度，相应地温度和刀具磨损将无法避免。
三、高速铣的应用
- 铝合金的高速铣加工已众所周知，且应用于航空工业已10多年。最近，高速加工主要用在硬材料的车削、模具和铸件的加工。表2中所列的为应用在高速铣中的工件材料：铸铁，CR12MOV (HRC59)，3Cr2Mo(HRC30)和4Cr5MoV1Si(HRC46)。GM类别的合金铸铁GM241(HRN210)主要用来加工冲压模，3Cr2Mo模具钢是加工注射模最常用的钢。因含碳量低，通常预先热处理到HRC30时加工，然后在淬火到HRC50～HRC55。在压铸模的的应用中，热锻模具钢4Cr5MoV1Si在HRC46状态时进行精加工。
- 高速铣研究的目的是测定先进刀具的性能，验证推荐采用的切削速度和进给速率，而研究的焦点在加工时间和表面粗糙度上。因此，铣削试验在四轴高速卧式加工中心进行，如精加工铸铁时，立方氮化硼切削刀具的应用最广，因为它们在刀具寿命和工件表面粗糙度方面具有良好性能。具有金属粘接相和立方氮化硼含量高的较硬聚晶立方氮化硼，如PCBN2，其使用性能比具有陶瓷粘接相且立方氮化硼含量低的聚晶立方氮化硼好。刀具寿命和表面质量在采用顺铣和逆铣方式时几乎没有差别。
- 高强度耐磨塑料模具钢3Cr2Mo的高速铣削
- 加工3Cr2Mo模具钢时，未涂层的合金刀片性能比其他的切削刀具材料差，甚至只能采用最低的切削速度(V=300m/min)，这是因为加速了刀面和凹陷的磨损，如
- 机床
- 机床结构的刚性要好，提供高速进给的驱动器(快进速度约40m/min，3D轮廓加工速度为10m/min)，能够提供0.4m/s2到10m/s2的加速度和减速度。
- 主轴和刀柄
- 可提供10000～50000r/min的转速，通过主轴压缩空气或冷却系统控制刀柄和主轴间的轴向间隙不大于0.0002英寸。
- 控制单元
- 控制单元应为32或64位RISC处理器，具有高的数据传输率，能够自动加减速。
- NC程序策略
- 可提供高的进给速率和同一切削负载。
- 刀具材料和涂层材料
- 能承受高的切削温度，避免磨损和切屑引起的过早崩刃。
- 可靠性与加工工艺
- 提高机床的利用率(6000h/y)和无人操作的可靠性，工艺模型有助于对切削条件和刀具寿命之间关系的理解。
- 工艺建模
- 借助商用有限元模拟软件，开发基于大塑性变形的分析方法，可对高速切削过程的温度场和应力分布进行模拟分析。
- 同其他较新的和领先的加工技术相似，高速切削的应用领域将继续扩大。高速切削中产生的高温和应力主要受刀具设计影响。调查表明，采用有限元分析和合理的精度控制，能够预测切削温度和应力。将来，我们期望工艺模型有助于优化刀具设计和消除过早的刀具崩刃，这将扩大高速切削技术的应用领域。
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