高速切削加工技术

2018-07-27徐磊李强王冲

现代制造技术与装备 2018年6期

关键词：金属陶瓷氮化硼切削速度

徐磊李强王冲

（陕西长岭电子科技有限责任公司，宝鸡 721006）

用提高切削速度的办法来提高生产效率，是机械加工行业一直努力的方向，同时也是高速加工技术得以诞生并不断发展的原因。当前，机械制造业为实现高生产率，现代加工制造技术应用得越来越广泛和深入。

1 高速加工基础理论

高速加工的理论基于德国物理学家Carl.J.Salomon提出的Salomon曲线，如图1所示，横轴代表切削速度，纵轴代表切削温度。图形分三个区域，分别为常规切削区、不可用切削区、高速切削区。

图1 Salomon曲线

由图1可以看出，切削温度在A区、B区前半部分随切削速度增大而切削温度增高，在B区后半区、C区切削温度随切削速度进一步增大而降低。当切削温度达到m时，切削温度过高不利于切削的继续进行，所以在V1、V2之间形成了不可用切削区域；当切削速度大于V2时，切削温度下降小于m，进入高速切削区域，在高速切削区域内可以得到更高的切削效率。当切削温度超过m时，进入不可用切削区域，由于过高的切削温度对刀具材料的红硬性（高温下仍保持足够硬度的特性）要求显著提高，从而使传统的高速钢刀具、普通硬质合金钢刀具在应对更高的切削温度时，显得力不从心。而且，过高的切削温度会对被加工材料产生不良影响，如损伤非耐高温材料、改变材料组织状态、影响零件尺寸精度，所以这一区域不可用于切削。

2 高速加工技术特点

高速加工的主要技术特点在于高转速、较大的进给速度、较小的切削深度，简单来说是高速轻切削。采用轻切削主要是为了降低切削力、降低切削震动，在高转速的情况下得到小而一致的刀具弯曲应力（对多刃刀具尤为重要），最大程度避免切削震动的产生。高速加工设备与传统加工设备相比负载能力相对较低，为保证高转速要求，一般采用电主轴，也就是在机床主轴内嵌入电机，将主轴和电机融为一体，从而把电机到主轴传动链的长度缩减为零，从而减小传动震动。

由于主轴内嵌电机，主轴质量分布集中，所以其有较好的高速动平衡稳定性，而且多采用复合陶瓷轴承或磁浮轴承，由此可以看出机床主轴对震动的敏感性。较大的切削震动会通过刀具传递到主轴，对高转速下的机床主轴稳定性产生较大的影响，严重时不但会损伤主轴而且会造成人员伤害事故。另外，许多高速切削刀具使用高硬度材料，其材料本身较脆，过大的切削震动也会损伤刀具。

3 高速加工技术的优点

与传统切削加工相比，高速加工效率更高。加工速度为传统切削加工的3～6倍，加工时间显著降低，提高了劳动生产率。

相比传统切削加工，高速加工的切削力小、零件变形小。在高速加工中，由于切削深度小，所以受切削力较低。同时，切削时零件产生的切削应力较低，所以变形量较小，十分适合薄壁零件加工。

高速加工与传统切削加工相比零件温升低。在高速加工中，由于切削速度高，90%以上切削热量来不及传递给零件，就已经被与零件基体分离的切屑带走，所以零件温升较低。

高速加工与传统切削加工相比，零件表面质量高（粗糙度低）。由于加工速度高，加工平稳，加工表面质量好，其粗糙度一般比传统切削加工降低1～2个等级。

4 高速加工刀具

目前，国内外用于高速切削的刀具材料主要有：TiC（N）基硬质合金（也称金属陶瓷）、陶瓷刀具、聚晶金刚石（PCD）和立方氮化硼（CBN）等。几种刀具材料具有如下的对比关系（对比中未列入金刚石刀具的对比，主要原因是一般难加工材料主要为高硬度钢件、铸铁件或温合金材料，而金刚石由于铁碳亲和性不适合加工这类材料）。

从加工工件的硬度进行对比：立方氮化硼刀具（加工硬度在HRC50以上）＞陶瓷刀具（加工硬度在HRC40～55）＞金属陶瓷刀具（加工硬度在HRC45以下）。

从不同刀具加工硬质材料的切削速度进行对比：立方氮化硼刀具＞陶瓷刀具＞金属陶瓷刀具。

从刀具材料韧性进行对比：金属陶瓷刀具＞立方氮化硼刀具＞陶瓷刀具。

从加工材料范围看，金属陶瓷主要应用于各种钢件、铸铁件的半精加工和精加工；陶瓷刀具可加工普通钢、铸铁、淬硬钢、高锰钢、镍基高温合金、粉末冶金烧结件、玻璃钢等难加工材料，也可加工各种工程塑料；立方氮化硼适用于高速和超高速切削加工硬质材料（如铸铁、淬火钢的高速切削）、硬态切削（淬火工件HRC55以上）、难加工材料（淬硬钢、高合金耐磨铸铁、高温合金、高速钢、表面喷焊材料、烧结金属材料）；聚晶金刚石主要用于加工各种有色金属如铝、铜、镁及其合金、硬质合金和耐磨性极强的纤维增塑材料、金属基复合材料、木材等非金属材料。值得注意的是，氧化铝（Al2O3）基陶瓷刀具不适合加工铝材，因为刀具中的铝会与加工材料中的铝产生亲和反应；金刚石刀具不适合切削钢、铁件，金刚石是由碳元素组成，加工钢铁件产生高温时会发生铁碳亲和反应，金刚石中的碳元素（C）会析出，不但会在刀头发生“结瘤”现象，而且会溶于铁（Fe）中生成铁碳化合物（Fe3C），造成金刚石刀具的化学磨损。