高速切削加工技术的现状和发展

高速切削加工技术的现状和发展(1)中国工程院院士、山东大学艾兴教授一、概述机械加工的发展趋势是高效率、高精度、高柔性和绿色化，切削加工的发展方向是高速切削加工，在发达国家，它正成为切削加工的主流。50年来，切削技术的极大进步说明了这一点：今天切削速度高达8000m/min，材料切除率达150～1500cm3/min，超硬刀具材料硬度达3000～8000HV，强度达1000Mpa，加工精度从10um到0.1um。干（准）切削日益广泛应用。随切削速度提高，切削力降低大致为25～30％以上；切削温度增加逐步缓慢；加工表面粗糙度降低1～2级；生产效率提高，生产成本降低。高速切削技术不只是一项先进技术，它的发展和推广应用将带动整个制造业的进步和效益的提高。在国外，20世纪30年代德国Salomon博士提出高速切削理念以来，经半个世纪的探索和研究，随数控机床和刀具技术的进步，80年代末和90年代初开始应用并快速发展到广泛应用于航空航天、汽车、模具制造业加工铝、镁合金、钢、铸铁及其合金、超级合金及碳纤维增强塑料等复合材料，其中加工铸铁和铝合金最为普遍。不同材料的高速切削加工速度范围高速切削技术在国内起步较晚，20世纪80年代中期开始研究陶瓷刀具高速切削淬硬钢并在生产中应用，其后引起对高速切削加工的普遍关注，目前主要还是以高速钢、硬质合金刀具为主，硬质合金刀具切削速度≤100～200m/min，高速钢刀具在40m/min以内。但在汽车、模具、航空和工程机械制造业进口了一大批数控机床和加工中心，国内也生产了一批数控机床，随着高速切削的深入研究，这些行业有的已逐步应用高速切削加工技术，并取得很好的经济效益。二、高速切削加工理论基础(1)切屑形成特征不同材料在不同状态下的切屑形态:(a)供货状态，切削速度127.2m/min（b）硬度325HB，切削速度125.5m/min连续带状切屑（D.LEE）锯齿状切屑(c)硬度325HB，切削速度250m/min锯齿状切屑(d)硬度325HB，切削速度2600m/min即将分离的锯齿状切屑高速切削不同状态AISI4340钢（40CrNiMoA）时的切屑形态（纵截面微观照片）（（b）、（c）、（d）从komarduri）切削渗碳淬硬20CrMnTi钢（HRC60～62）在100～110m/min时的切屑形貌工件材料及其性能和切削条件对切屑形态起主要作用，其中工件材料及其性能有决定性的影响。一般低硬度和高热物理性能KρC（导热性K、密度ρ和比热容C的乘积）的工件材料如铝合金、低碳钢和未淬硬的钢与合金钢等，在很大切削速度范围内容易形成连续带状切屑。硬度较高和低热物理特性KρC的工件材料，如热处理的钢与合金钢、钛合金和超级合金，在很宽的切削速度范围均形成锯齿状切屑，随切削速度的提高，锯齿化程度增高，直至形成分离的单元切屑。(2)切削力学图中Fs为剪切力，Fm为高速切削时切屑动量改变所需的作用力；Ff为作用在后刀面上的摩擦力。直角切削时剪切角和前刀面受力简图剪切角φ和摩擦系数μ（＝tgβ）的关系可用Merchant公式估算实验证明在高速切削时计算的φ角与测量的结果有良好的一致性高速切削4340钢（40CrNiMoA）时剪切角φ的计算值与测量值的比较（Recht）在高速切削范围内，随切削速度提高，摩擦系数减少，剪切角φ增大，切削力降低。Al2O3基陶瓷刀具端铣调质45＃钢时的切削力（3）切削热和切削温度切削时的热量主要来自剪切变形功、刀－屑和刀－工件摩擦功。干切时，切削热主要由切屑、工件和刀具传出去，周围介质传出小于1％。切削时热的产生与传出立铣铝合金时，流入各部分的切削热量Al2O3基陶瓷刀具端铣淬硬钢T10A（HRC58～65）时的切削温度切削速度对切削温度的影响试验结果。随切削速度的提高，开始切削温度升高很快，但达到一定速度后，切削温度的升高逐渐缓慢，甚至很少升高。(4)表面粗糙度随V增加，加工表面粗糙度有所减少。实验用的ACE－V500加工中心最高转数为10000r/min，其一段和二阶固有频率分别为50Hz（3000r/min）和113Hz（6780r/min）。涂层立铣刀铣削沟槽时转速对加工粗糙度的影响高速切削加工技术的现状和发展(2)中国工程院院士、山东大学艾兴教授三、高速切削刀具材料(1)高速切削刀具材料金刚石天然金刚石聚晶金刚石(PCD)人工合成单晶金刚石金刚石涂层立方氮化硼(PCBN)陶瓷刀具：有氧化铝(Al2O3)基和氮化硅(Si3N4)基两大类TiC(N)基硬质合金（金属陶瓷）涂层刀具——优异的高速钢、WC基、TiC(N)基硬质合金和陶瓷为基体。复合涂层。a)硬涂层：CVD的TiCN+Al2O3+TiN；TiCN+Al2O3；TiCN+Al2O3+HfN，TiN+Al2O3和TiCN、TiB2等。PVD的TiAlN/TiN、TiAlN等b)软涂层：硫族化合物（MoS2，WS2）涂层的高速钢刀具超细晶粒硬质合金：细晶粒(0.2-0.5um)的WC基硬质合金，添加TaC、NbC等粉末冶金高速钢（PMHSS）和高性能高速钢HSS－E(2)高速切削刀具材料的合理应用高速切削时对不同工件材料要选用与其合理匹配的刀具材料和适应的加工方式等切削条件，才能获得最佳的切削效果。没有万能的刀具材料。刀具材料性能硬度大小：金刚石PCD立方氮化硼PCBNAl2O3基Si3N4基TiC(N)基硬质合金WC基超细晶粒硬质合金高速钢HSS。抗弯强度大小：HSSWC基TiC(N)基Si3N4基Al2O3基PCDPCBN。断裂韧性大小：HSSWC基TiC(N)基PCBNPCDSi3N4基Al2O3基。耐热性：PCD700℃-800℃；PCBN1400℃-1500℃；陶瓷1100℃-1200℃；TiC(N)基900℃-1100℃；超细晶粒硬质合金WC基800℃-900℃；HSS600℃-700℃。高速切削刀具材料合理应用加工铝合金：金刚石最适于高速切削。但复杂刀具可用整体超细晶粒硬质合金及其涂层刀具高速加工结构铝及其合金。加工钢和铸铁及其合金：Al2O3基陶瓷刀具适于软、硬高速切削；PCBN适于45-65HRC以上高硬钢的高速切削；Si3N4和PCBN更适于铸铁及其合金的高速切削，但不宜于切削以铁素体为主的钢铁；WC基超细硬质合金及其TiCN、TiAlN、TiN涂层刀具和TiC(N)基硬质合金刀具，特别是整体复杂刀具可加工钢和铸铁。加工超级合金：增韧补强的氧化铝基和Si3N4基陶瓷刀具（如SiC晶须增韧）和Sialon陶瓷刀具适于加工这类合金。PCBN刀具可以100-200m/min的切削速度加工。复杂刀具可用超细晶粒硬质合金及其涂层刀具。加工钛合金：一般可用WC基超细晶粒硬质合金和金刚石刀具。采用润滑性能良好的切削液，可获得较好的结果。四、高速切削加工的刀柄系统BT系统：刀柄锥度7：24，单面接触。HSK系统：刀柄锥度1：10，双面接触。BT刀柄（7：24）BT刀柄与主轴接合图HSK刀柄（1：10）HSK刀柄与主轴接合图刀柄与主轴接触不同刀柄系统，高速加工时，离心力有很大影响。BT主轴/刀柄联结主轴转速达到某一极限值(n=15000r/min，F=15kN)时，主轴/刀柄联接处大端的分离导致刀柄在切削力的作用下以刀柄为支承发生摆动，极大地降低了刀柄在主轴锥孔内的定位精度和重复定位精度，无法保证联结的可靠性。(a)联结面间的间隙(单位:m)(b)联结面间的接触应力(单位:N/m2)BT刀柄与主轴的联结(转速n=15000r/min,轴向拉力F=15kN)(a)联结面间的间隙(单位:m)(b)联结面间的接触应力(单位:N/m2)HSK-A63主轴/刀柄的联结(n=10000r/min)(a)BT40(b)HSK-A63旋转速度对径向间隙的影响BT40联结的最佳转速范围为0~12,000r/min，12,000~15,000r/min仍可使用，15,000r/min以上，由于精度降低，无法使用。HSK－63A刀柄系统最佳转速范围为0－30000r/min，超过这个范围精度降低。高速切削加工技术的现状和发展(3)中国工程院院士、山东大学艾兴教授五、高速切削加工的安全技术(1)高速旋转刀具的平衡高速切削旋转刀具系统必须平衡，但应根据其使用速度范围予以平衡，以达到最佳经济条件。一般在6000rpm以上必须平衡，以保证安全。要求G≤2.5,G为平衡品质(mm/s)，即反映刀具平衡量与转速关系的参数。e－偏心（g×mm/Kg）M－刀体质量（Kg）ω－角速度（r/s）m－不平衡量（g）N－转速（rpm）r－不平衡半径（mm）U－残余不平衡量（g×mm）残余不平衡量U=m×r动平衡线图SHENCK动平衡仪高速切削刀具的安全性：防止离心力造成刀体与夹紧零件破坏和刀片的夹紧不可靠。高速切削刀具破坏实例：在5000rpm时刀片甩出的面铣刀在36700rpm时爆碎的面铣刀36000rpm时弯曲与折断的直径12mm的带柄立铣刀（2）可转位刀具安全性（a）立装可转位铣刀（b）平装可转位铣刀螺钉分析可转位面铣刀刀片外移和螺钉弯曲旋转速度对刀具变形的影响金属去除率对螺钉最大等效应力的影响不同装夹方式下的螺钉极限转速分析结果表明：从安全性看，对可转位面铣刀刀具，旋转离心力造成刀片夹紧，螺钉的破坏和刀体的变形有最主要的影响，立装铣刀优于平装铣刀。（3）整体硬质合金（＜0.5um）立铣刀的安全性φ10mm立铣刀（三齿）仅受离心力作用的应力图(n=10,000r/min)φ10mm立铣刀（三齿）刀具受离心力、切削力作用的应力图(n=10,000r/min,Q=39cm3/min)金属去除率对φ10mm刀具应力的影响对于小直径整体式硬质合金铣刀而言，旋转离心力对刀具的变形、应力分布影响很小，完全可以忽略不计。其应力水平的高低是由切削力决定的。六、高速切削加工技术的应用实例陶瓷刀具车削淬硬钢（HRC60～62）30D箱体加工示意图七、高速切削加工技术展望高效率、高精度、高柔性和绿色化是机械加工领域的发展趋势。高速切削加工技术必将沿着安全、清洁生产和降低制造成本的方向继续发展，而成为21世纪切削技术的主流切削速度目标：铣加工铝及其合金10000m/min；铣加工铸铁5000m/min；铣加工普通钢2500m/min。钻削铝及其合金30000r/min，钻削铸铁20000r/min，钻削普通钢10000r/min。进给速度目标20～50m/min，进给量1.0～1.5mm/齿。铝及其合金等有色金属和碳纤维增强塑料等非金属材料的切削速度主要受限于机床主轴最高转速和功率。在高速加工机床领域，具有小质量、大功率的高速电主轴、高加速度的快速直线电机和高速精密数控系统，以及配套的高速轴承及其润滑技术、刀库技术和自动换刀装置及监控技术等正在迅速发展，可望达到更高的加工水平。铸铁、钢及其合金、钛及钛合金、高温耐热合金等超级合金以及金属基复合材料的高速切削加工目标主要受刀具寿命困扰，发展新型高温力学性能（硬度、强度与断裂韧性）和高抗热震性能更高的高可靠性的刀具材料对进一步发展高速切削技术具有决定性的意义。现有高速切削刀具材料PCD、CBN、陶瓷刀具、金属陶瓷、涂层刀具和超细硬质合金刀具等仍将起主导作用，并将得到新的发展。进一步发展新型高温力学性能和高抗热震性能的高可靠性的刀具材料（包括自润滑刀具材料），特别是为加工超级合金和高性能新型工程材料和高速干切削的刀具材料是发展的重点。金刚石刀具领域，人工合成单晶金刚石和金刚石厚膜涂层刀具具有更好的优越性，随技术日益成熟和成本降低，可望成为高速切削有色金属和非金属材料比较理想的刀具材料。陶瓷刀具有独特优越性，可望通过多种强韧化机理（如微－纳、纳－纳等）大幅度提高其性能，它将成为高速切削钢、铁材料的最有前途的刀具材料之一。涂层刀具在高速切削加工技术领域具有巨大潜力，通过深入研究涂层技术和涂层物质，如高强度的硬质合金粉末表面涂层、CBN涂层，纳米涂层等进一步提高其性能，可望成为高速切