高速切削加工在机械加工中的应用

袁玉福

摘 要：机械加工是当前生产加工行业的重点发展内容，而高速切削是当前机械加工手段中最先进的方式之一。从其工艺角度分析，在加工的过程中可以从材料加工特性入手进行合理加工，因而无论在对轻金属、钢铁以及难以铸造加工的材料进行加工的过程中都具有专门的加工方案予以应用。

关键词：加工；高速切削；轻金属；铸铁；难加工材；料钢

数控机床的应用以及柔性加工系统的应用，是的当前的机械制造业飞速发展，而加工中心的应用更是大大缩短了机械加工过程中所产生的辅助工时，因而在所有的加工过程中切削占据了大部分工时，所以，有效提高进给速度以及切削速度可以有效提高生产效率。这也是高速加工的发展基础，而所谓的高速加工技术即采用超硬磨具以及刀具，通过高速、高精度、高自动化设备，实现材料的高效切削，从而完成一些高精度工件加工的先进技术。但是在高速切削中，针对不同的工件材料进行加工时需要使用不同的工艺方法以及刀具材料，并且对于切削参数的设置也有所差异，因此在高速切削应用中，对切削工艺进行把握也是重要的环节之一。

1 高速切削轻金属

轻金属是各类精密仪器的重要材料，例如，鋁是各类航天器材的主要部件、零件的制造材料也是各类仪表仪器的常用金属。由于铝的密度较低、质量轻，但是经过处理的合金材料强度却非常高。当前的生产生活中，铝的使用已经越来越广泛。轻金属在应用中最大的优势便是加工容易，其加工特性主要有以下几方面：首先，轻金属加工所使用的切削功率以及企鹅学历相对较小，相比较钢件的切削加工少70%；其次，加工过程中不会发生卷曲切屑也相对较短，因而进行高速加工时便于实现自动化排屑；再者由于轻金属的质地柔软，因而对刀具的磨损相对较小，采用多晶金刚石以及硬质合金刀具在高速状态下进行切削，则能够有效延长刀具使用寿命；若工件加工所需要的表面质量较高，那么即便是不经过任何加工以及研磨，也能够立刻获得很高的表面质量；最后，轻金属的加工可以采用很高的速度进行切削，并且加工时只需要保持室温状态，也可以获得较高的精度。

但是在轻金属的切削加工中，由于冲击荷载较大，因而切削时，氮化硼刀具以及金刚石刀具的使用寿命较短。另外进行轻金属的加工也不适用高速钢。当切削速度达到1000m/min时，可使用K型硬质合金刀具；当切削速度达到2000m/min时，应使用金属陶瓷刀具；当用更高切削速度加工时，特别是切削低熔点的硅铝合金材料时，要使用金刚石镀层硬质合金刀具，甚至PCD刀具；在铣削铝镁合金时，可使用K10硬质合金刀具。刀刃圆角半径对切削温度和微粒火花的影响都很大，PCD刀具或硬质合金刀具的刀刃半径必须精密刃磨到纳米级的水平。

2 高速铣削铸铁

铁制材料工件加工时，需要使用专用的圆刃刀具，如若不然，由于加工过程中刀具会因高脆性而出现损坏。另外切削效率以及切削速度都会受到刀具材料的影响，无论是何种材质的刀具，在高速切削中都会出现磨损，这也是加工过程中最主要的问题之一。在进行铸铁的铣削过程中，刀具后角同钢件情况相似。而针对脆性刀具，在铣削过程中，刀片的几何参数以及形状是影响刀具磨损的主要原因。而相比较于硬质合金刀具，金属陶瓷材料的刀片优势较为明显，不但密度低、强度高，并且还具有稳定的化学性能，因而耐用性相对较高，但是仅仅适用于切削速度在1000m/min以下的加工。无论是金属陶瓷到刀具还是硬质合金刀具，其进给速度越高，则耐用度越高。而在低速切削时，CBN以及氮化硅刀具较为适用。另外当适用CBN刀具作为切削刀具时，会受到切削材料中铁含量的影响，若切削铸铁材料为GG40铸铁，那么刀具的耐用度最低。这种情况下对刀具使用镀层则可以有效提高其使用寿命。另外在低速切削的状态下进行加工也只能使用氮化硅刀具以及CBN刀具，才能够对刀具寿命有所延长，尤其是CBN刀具最为明显。

3 高速切削难加工材料

难加工材料包括特殊合金钢、钛合金、镍合金等，这些材料由于强度大、硬度高、耐冲击，大多用于航空制造和动力部门。但加工中这些材料容易硬化，切削温度高，刀具磨损严重。在这些难加工材料的切削中，导致刀片失效的典型形式是刀具磨损，磨损的痕迹会产生在刀尖部位及刀具和工件之间的通道处，因而形成严重的刀口毛刺。刀刃的磨损改变了刀具的几何参数，增大了切削力，尤其在切削高强度合金时容易使刀片碎裂。刀片裂纹主要是由热应力造成的，特别是在切削特殊合金时，梳状裂纹很明显，然后裂纹继续擦伤扩大，形成磨痕。难加工材料的另一个特点是它们的粘附性，使切屑粘在刀刃上，随着切削速度提高，粘附的切屑增多，烧热的切屑堆积在刀具切入工件的切入点处，形成积屑。当磨损带宽度达到0.3mm以上时，引起切屑燃烧。在磨损严重加剧的情况下，强烈的发热能超过材料的熔化温度。虽然高速加工中工件的温度没有明显上升，但是切屑的温度大大升高了。刀具前角的变化范围是在8度～28度之间，在此前角范围内，加大前角可明显地减小切削力，加工上述所有材料时的刀具寿命都能提高。当前角为负时，刀具的切削稳定性提高，但寿命降低，这是因为在刀刃处切削负荷增加。提高切削速度后，切削消耗的功率更大，切削温度升高，加速了刀具磨损。但高切削速度也缩短了刀具和工件的接触时间，传递到工件上的切削热减少了，切削热主要由飞快的切屑带走。

4 高速铣削钢

进行钢材的铣削需要主要考虑的问题是在加工过程中所产生的刀具磨损，对切削参数进行优化主要是为了提高切除金属的效率，但这并非是唯一的目的，另外对切削参数进行优化还是为了降低切削例，从而提高工件精度，保证表面质量和形状，并降低由于加工而对刀具造成的磨损。进行钢材铣削的刀具相对于其他的刀具更加锋利，并且后角较大，通过这种方式能够最大程度降低铣削动作对于刀具的磨损，延长刀具使用寿命。但是一旦加工过程中需要提高进给速度，那么后角必然会缩小。若高速切削过程中，负前角对于切削力没有降低的作用，虽然切削相对较为稳定，但是会增大月牙洼磨损。在刀具的磨损影响中，轴向进给不会对其造成过多的影响，但是径向进给对于刀具的磨损相对较大，切削面越大，刀具的寿命就会随之降低。若切削的进给形式为径向进给时，由于切削速度较高，因而在加工过程中会由于高温令刀具失效。若使用径向进给时，应当适当的降低进给速度，那么刀具便有更多的时间进行冷却。所以，从整体进行分析，径向进给切削时，进给速度应当适当的放慢，保证进给量在刀具直径的8%左右最佳。另外，刀具磨损同材料硬度也休戚相关。若工件材料具有较大的抗拉强度，那么刀具容易受损，使用寿命便会缩短，因此需要对每齿进给量适当减小。而刀具的选择中，金属陶瓷材料相对于硬质合金具有更强的性能和更长的寿命，但是金属陶瓷刀具只能应用与小进给量切削以及小切深切削中。

5 结束语

机械加工领域的发展方向便是最大程度的提高生产效率，这也是机械加工领域全体人员的不懈努力的目标。HSM是现代机械生产中应用最为广泛的告诉加工，其应用不但提高了生产效率，同时还进一步提高了加工工件的质量、精度，并针对某些特殊材料难加工的问题给予了解决。所以，超高速加工技术已经开始成为了各国工业领域、科研领域重点研究的内容。

参考文献

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[2]赵云龙.先进制造技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.

[3]赵亮培.高速切削加工中刀具材料的合理选择[J].组合机床与自动化加工技术，2009.