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高速切削在铸铁和合金钢加工中的应用 |
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作者：三江航天集团 王德跃 王华侨 张杰 |
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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：(1)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；(2)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；(3)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。图1为高速加工不同材料时普遍采用的切削速度。例如，高速加工合金钢采用的切削速度为500m/min，而这一速度在加工铝合金时常采用顺铣。
高速加工的主要优点有：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。
图1 高速切削中不同材料的速度范围
随着高速加工应用范围的扩大，对新型刀具材料的研究、刀具设计结构的改进、数控刀具路径新策略的产生和切削条件的改善也有所提高。而且，切削过程的计算机辅助模拟也出现了，这项技术对预测刀具温度和应力，延长刀具使用寿命很有意义。铸造、冲模和铸模加工的应用代表了铸铁、铸钢和合金钢的高速切削应用范围的扩大。工业领先的国家在冲模和铸模制造方面，研制时间大部分耗费在机械加工和抛光加工工序上。如图2表明，冲模或铸模的机械加工和抛光加工约占整个加工费用的2/3，而高速铣正好用来缩短研制周期和加工费用。
图2 模具制造周期对比
二、主要理论概述
1.高速切削中的加工工艺技术
采用先进的机床和切削刀具加工合金钢(HRC>30)是一项节约成本的技术。而且，高速切削硬的合金钢有如下优点：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，如图3a所示。图3b为较高的进给速率产生的锯齿形切屑。锯齿形切屑形成的形式在切削力和冲出力间不断的变化，同时产生高频振动，进而影响刀具寿命和崩刃。
图3 硬度钢加工中切屑形成图例
对断续切削的微观图进行研究后表明：锯齿形切屑形成的原因为刀具前刀面周期性的断裂变形，如图3b所示。工件表面的折断传至切屑内部，直至变为高的应力状态区域。
在硬度零件加工中，连续切屑为薄的未变形切屑，锯齿切屑为厚的未变形切屑。根据最近的观察，产生锯齿形切屑的频率很高，切屑刃承受高频力振动。人们还未能较好地理解切屑形成对刀具磨损和表面质量的影响，但是，切屑形成肯定影响切削力。
2. 高速切削中的机床系统
(1)机床和控制器
高速铣削加工机床有多种不同的配置，三轴立式和卧式加工中心是最常用的配置。尽管立式加工中心有去除切屑方面的缺点，它们仍是较经济的选择，且比卧式加工中心应用广泛。在高速加工的调研中发现，人们多数采用的是卧式加工中心。四轴加工中心能够倾斜铣刀来改善切削条件；五轴机床带有可交换的主轴单元，可以实现粗加工、半精加工和精加工。
市场上有多种高性能的加工中心(主轴转速：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。图4为在高速加工试验室采用的四轴卧式加工中心(Makino A55 Delta)。
图4 高速加工中心Makino A55 Delta
(2)切削刀具
在加工铸铁和合金钢的切削刀具中，硬质合金是最常用的刀具材料。硬质合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。为提高硬度，硬质合金刀具采用硬的涂层材料进行涂层，如氮化钛、氮化钛铝和碳氮化钛等，最近也采用双层软基涂层材料，如MOVIC等。加工中采用的其他刀具材料有陶瓷、金属陶瓷和聚晶金刚石。
总的来说，直径在0.5英寸到1.5英寸范围内，且有碳氮化钛涂层的硬质合金刀片能够加工洛氏硬度小于42的材料；而氮化钛铝涂层的刀具能够加工洛氏硬度为42甚至更高的材料。可根据使用要求，选用不同的刀具材料和涂层材料。表1给出了切削刀具材料的性能特点。应用于高速切削的刀具和涂层材料可分为：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
 3. 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。
(1) 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
 (2)表面质量
精加工需要最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
 因最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，如图4所示。试验采用可换的球头铣刀刀片，两个刀片中有一个打磨，可避免刀具径向跳动时刀具磨损的影响。
聚晶立方氮化硼、未涂层的、氮化钛、碳氮化钛和铝氮化钛涂层的几种合金刀片的性能进行了比较。图5为刀片几何参数和刀具规格。含90%立方氮化硼的PCBN 2用来加工四种工件材料。在铸铁上的试验用PCBN 0加工，它含有65%的立方氮化硼。PCBN刀片含有约0.8mm厚的PCBN层，铜焊在硬质合金基体上。加工铸铁、3Cr2Mo和4Cr5MoV1Si时，PCBN刀片的切削刃只有25μm，而加工CR12MOV的刀片切削刃有一20×0.1的倒角和25μm的磨损。
图5 切削刀具的几何形状和刀具寿命
1. 铸铁的高速铣削加工
在铸铁的加工中，涂层硬质合金、立方氮化硼和氮化硅刀具是最常用的。在最近的研究中，主要调查立方氮化硼的等级和涂层硬质合金。采用涂层合金刀具代替非涂层的合金刀具可提高生产率约25%，而刀具寿命也可延长5倍多。此外，在任一切削速度下，铝氮化钛涂层刀片使用的时间为氮化钛或碳氮化钛涂层刀片的3倍，如图6所示。而聚晶立方氮化硼刀片使用性能优于涂层合金刀片。加工面积到1.6m2时停止试验，经测量PCBN2涂层的刀具最大磨损为60μm，而PCBN 0涂层的刀具最大磨损为85μm。磨损和热疲劳用磨损机械装置识别，立方氮化硼含量高且硬度高的刀具表现出良好的耐磨性。
图6 珠光体铸铁加工中刀具寿命试验的比较
为研究曲面精加工时切削速度的影响，立方氮化硼刀具以每齿0.5mm的进给速度，以2.8～10m/min的切削速度运行。在此低切削速度(2.8～10m/min)条件下，因切削刃的形式不同表面质量较差，增加切削速度曲面粗糙度降低。一旦切削速度超过300m/min，将产生崩刃。图7为切削速度为750m/min时测量的粗糙度值8.3μm。经试验发现不同的涂层材料(如氮化钛、碳氮化钛和铝氮化钛)和立方氮化硼有相似的结果。
根据研究分析和在模具厂取得的经验可知：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。
图7 精加工铸铁面时切削速度的影响
2. 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，如图8所示。可以肯定加工时切削刃上的温度已经超过极限，同时给合金刀具产生一层氧化层。氮化钛涂层合金刀具的性能比铝氮化钛和碳氮化钛涂层刀片好；PCBN 2涂层对刀面的磨损比氮化钛涂层刀具小，但在精加工面积为0.56m2后产生了崩刃。
在同一进给速率、切削速度为500m/min的条件下，试验表明在涂层刀片上产生了磨损。即使切削条件相同，氮化钛涂层刀片比铝氮化钛和碳氮化钛涂层刀片耐用；以很低的速度加工面积为1.27m2后，PCBN 2涂层刀片上产生了磨损，经测量刀片磨损为VB=82μm；以800m/min的切削速度、加工面积为0.375m2后，PCBN 2涂层刀片磨钝了。以500m/min和800m/min两种速度进行试验比较，刀具寿命几乎相同，当采用PCBN 2刀片代替涂层合金刀片时，生产率可以提高30%。
加工铸铁时，PCNB2 涂层刀片获得的表面粗糙度最低。如图9所示，以500m/min和800m/min的切削速度加工，PCNB涂层刀片可获得不大于5μm的粗糙度值Rz。尽管加工低硬度的工件，PCBN2涂层刀具也可用来精加工3Cr2Mo钢，而保持切削速度为300m/min的切削条件将导致刀片崩刃。
图8 高速加工3Cr2Mo模具钢时不同刀具材料的性能
图9 高速加工3Cr2Mo模具钢时不同刀具材料获得的表面粗糙度
3. 高耐磨冷作模具钢Cr12MoV的高速铣削
加工Cr12MoV工具钢(HRC59)时，尽管切削刃采用了0.1mm×20°的倒角来提高刀片的稳定性，但切削距离比加工4Cr5MoV1Si和3Cr2Mo钢短，图10为加工Cr12MoV工具钢时刀具寿命试验的结果。所有的刀片磨损相似。当刀面不断磨损达到VB=100μm时，切削刃的崩刀显示了刀具寿命的极限，此时的最大加工面积为90cm2，加工时的切削速度为150m/min。以Vc=60m/min的切削速度，PCBN刀具使用寿命为氮化钛涂层刀片的两倍。当切削速度增加到Vc=150m/min时，PCBN刀具寿命提高65%。在同样的切削条件下，高于550m/min的切削速度没有能够实现，因为压力过载刀片折断了。这主要由于81μm的切屑厚度太大，刀片上承受的负载超过了它的机械强度。建议减小切屑厚度、切削步距和每齿进给速度。
图10 Cr12MoV工具钢刀具切削寿命试验
四、小结
最近几年，高速切削技术渐渐用于加工铸铁和硬铝合金，尤其是加工大型覆盖件冲压模、锻模、压铸模和注射模的加工。高速切削的高效应用要求机床系统中的部件都必须先进，主要表现在以下几个方面：
(1)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。
(2)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。
(3)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。
(4)NC程序策略 可提供高的进给速率和同一切削负载。
(5)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。
(6)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。
(7)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。(end)
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(12/16/2004) |
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