高速加工工艺及应用

高速切削加工技术张支亮（合肥学院机械工程系09机制（3）班090601014）摘要：高速切削加工的定义，高速切削加工中机床的选择，高速切削加工刀具材料的介绍及高速切削加工工艺的有关知识。关键词：高速切削加工；高速切削刀具；高速切削工艺；引言：高速切削技术是近十年来迅速崛起的一项先进制造技术。由于高速切削技术具有切削效率高、加工质量高、能直接加工淬硬钢件和良好的经济性,使航空、模具、汽车、轻工和信息等行业的生产效率与制造质量显著提高,并引起加工工艺及装备相应的更新换代。因此如同数控技术一样,高速切削和高速加工已成为21世纪机械制造业一场影响深远的技术革命。目前,适应HSC要求的高速加工中心和其他高速数控机床在发达国家已呈普及趋势,我国近来也在加快发一、高速切削技术高速切削加工的特点是高效、高精度和低成本。在当今社会已经成为机械制造领域的新秀和主要加工手段。高速切削技术特征主要表现在如下方面：与传统加工相比，高速切削提高了切削速度，工件与前刀面的摩擦增大，切屑和刀具接触面温度急剧升高，很容易达到工件材料的熔点，使得工件变软甚至液化，大大减小了对切削刀具的阻力，使得切削变得中国金属加工在线版权所有轻快。由于加工产生热量的70%~80%都集中在切屑上，而高速切屑的去除速度很快，热量很难传导到工件上，从而提高了加工精度和质量、提高了生产效率。因此，高速切削加工是一种在不增加设备数量的同时，大幅度提高加工效率的一种高科技。二、高速切削刀具高速切削技术的关键是高速切削刀具，高速切削刀具是实现高速加工技术的关键。高速切削的切削速度很快,加工线速度主要受刀具限制,在目前机床所能达到的高速范围内,速度越高,刀具的磨损越快。因此,高速切削对刀具材料提出了更高的要求,除了具备普通刀具材料的一些基本性能之外,还应突出表现在高速切削刀具具备更高的耐热性、抗热冲击性、良好的高温力学性能及更高的可靠性。高速切削技术的发展在很大程度上得益于超硬刀具材料的出现及发展。目前常用的高速切削的刀具材料包括钛基硬质合金、涂层刀、陶瓷、聚晶立方氮化硼、具及金刚石等。（1）硬质合金刀具硬质合金刀具有极高的抗压强度，其材料性能全面提高钛基硬质合金刀具的硬度，硬度、强度、韧性和抗崩刃性都能得到明显提高，抗月牙洼磨损和抗粘结能力也明显增强。同时硬质合金的性能在不断改进，应用面不断扩大。首先，是开发了细颗粒、超细颗粒硬质合金材料，强度和韧性显着提高，用它制造金属加工在线版权所有的整体硬质合金刀具。其次，开发和使用硬质合金加压烧结等新工艺提高了硬质合金的内在质量。在作为化学涂层硬质合金刀片牌号的基体材料时，开发了具有良好抗塑性变形能力和韧性表层的梯度硬质合金，提高了涂层硬质合金刀片的切削性能和应用范围。涂层成为提高刀具性能的关键技术刀具的涂层技术在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用。采用涂层技术可使切削刀具获得非常优良的综合力学性能，不仅有效地提高刀具的使用寿命，还能大幅中国金属加工在线版权所有度地提高切削加工效率，因此涂层刀具成为高速切削技术中发展速度最快的刀具。（2）涂层刀具刀具的涂层技术是提高刀具性能的关键技术，在现代切削加工和刀具的发展中起着十分重要的作用。采用涂层技术不仅有效地提高刀具的使用寿命，还能大幅度的提高切削加工效率，因此涂层刀具成为高速切削技术中发展速度最快的刀具，在刀具中的比例已超过50%.涂层刀具的工艺主要应用在钻头、铰刀、丝锥、滚刀、插刀和硬质合金刀片等。（3）超硬刀具超硬刀具材料陶瓷的使用将明显增加陶瓷刀具有氧化铝基Al2O3和氮化硅基Si3N4两大类，有很高的硬度和耐磨性，耐热性高达1200℃以上，化学稳定性好，与金属的亲和力小，可提高切削速度3~5倍，可以加工65HRC的高硬度材料。然而陶瓷的抗冲击韧性差，所以对高速切削时的平稳性要求较高，即要求被加工材料材质均匀，对刀具接近工件的方向、角度和速度都有很严格的要求。陶瓷和金属陶瓷刀具材料在钢材、铸铁的精加工、半精加工中代替硬质合金，提高了加工效率和产品质量。论文发表，高速切削技术。（4）聚晶立方氮化硼刀具聚晶立方氮化硼是由软的六方氮化硼在高温高压下加入催化剂转化而成，化学稳定性优于金刚石，硬度高达8000~9000HV,耐磨性好，耐热性高达1400℃，与铁元素的化学惰性较大，适宜于加工硬度较高的材料，将成为高速切削黑色金属、难加工材料以及进行干切削、硬切削的主要刀具材料。（5）金刚石刀具用于生产切削的金刚石绝大多数是人造金刚石。人造金刚石分为三种：聚晶金刚石、化学气相沉积金刚石和高温人工合成的单晶金刚石。聚晶金刚石和单晶金刚石是高效精密加工有色金属、陶瓷、玻璃、石墨等非金属材料最佳的刀具。三、高速切削刀具的具体应用高速切削的研究历史，可以追塑到20世纪30年代有德国calsalomon博士首次提出的有关高速切削概念。50年代后期开始，高速切削的试验又进入各种试验研究，高速切削的机理开始被科学家们所认识。在高速切削的条件下切屑会由带状切屑转变为单元切屑，切屑与前刀面的摩擦将不再是切削力和切削热的主要来源之一；同样由于切削速度的提高，后刀面处工件材料的弹性变形也将由于变形速度逐渐跟不上切削速度而减少，后刀面的摩擦也因此而减少，从而对降低切削力和切削热产生有利的影响。因此在高速切削时，主要的切削热将由切屑导出，而工件和刀具的温升都非常小，高速切削也被成为“冷态切削”。研究证明高速切削需要一种理想的刀具。理想的刀具材料应具有较高的硬度和耐磨性,与工件有较小的化学亲和力,高的热传导系数,良好的机械性能和热稳定性能。硬质合金刀具具有良好的抗拉强度和断裂韧性,但由于较低的硬度和较差的高温稳定性,使其在高速硬切削中的应用受到一定限制。论文发表，高速切削技术。但细晶粒和超细晶粒的硬质合金由于晶粒细化后,硬质相尺寸变小,粘结相更均匀地分布在硬质相的周围,提高了硬质合金的硬度与耐磨性,在硬切削中获得较广泛应用。陶瓷刀具和立方氮化硼刀具是在高速硬车削和端面铣削中最常用的刀具。它们所具有的高硬度和良好的高温稳定性,使其能够承受在硬切削过程中高的机械应力和热应力负荷。论文发表，高速切削技术。为保证工件较高的尺寸精度和形状精度,高的热传导率和低的热膨胀系数也应是刀具材料所应具有的重要性质。因此,具有优良综合性能的立方氮化硼刀具是最适合用于高速硬切削的刀具。聚晶金刚石刀具的硬度虽然超过立方氮化硼刀具,但即使在低温下,其对黑色金属中铁的亲和力也很强,易引起化学反应,因此不能用于钢的硬切削。四、高速切削目前主要应用领域（1）大批生产领域如汽车工业，如美国福特汽车公司与Ingersoll公司合作研制的HVM800卧式加工中心及镗汽缸用的单轴镗缸机床以实际用于福特公司的生产线。（2）工件本身刚度不足的加工领域如航空航天工业产品或其他某些产品，如Ingersoll公司采用高速切削工艺所铣削的工件最薄壁厚仅为1mm。（3）加工复杂曲面领域如模具工具制造。（4）难加工材料领域如Ingersoll公司的“高速模块”所用切削速度为：加工航天航空铝合金2438m/min，汽车铝合金1829m/min，铸铁1219m/min，这均比常规切削速度高出几倍到几十倍。五、高速切削加工工艺高速切削加工工艺和常规切削加工工艺有很大的不同。常规切削认为高效率应由低转速、大切深、缓进给、单行程等要素决定。而高速切削则追求高转速、中切深、快进给、多行程等要素实现高效率。在高速切削加工中，必须对切削用量参数进行合理的选择，其中包括刀具接近工件的方向、接近角度、移动的方向和切削过程等。工艺路径的拟定是制定加工工艺的总体布局，目前主要考虑是如何选择各个表面的加工方法，确定各个表面的加工顺序等。拟定工艺路径时，先确定各个表面的加工方法，根据零件的实际情况保证加工精度与表面质量，再根据最优化原则，确定最短的走刀路线和最少的换刀次数，以减少加工辅助时间。当然切削刀具的选择也是加工工艺必须的程序。切削刀具现状已由传统的切削工具时代过渡到了高效率、高精度、高可靠性和专用化的数控刀具时代，实现了向高科技产品的飞跃。而选用合理的切削刀具，即在保证加工质量的前提下，能够获得最高刀具的耐用度，从而达到提高切削效率，节约时间，提高加工效率的目的，以满足高速切削加工的需求。在高速切削加工中会产生大量的高温热，切削必须及时的将它从工作台上清楚掉，避免使机床、刀具和工件产生热变型。合理的选择冷却润滑方式是保证加工质量的先决定条件。由于在高速切削加工时常规的冷却液很难进入加工区域，所以，目前干切削和微量油雾冷却是在高速加工过程中使用较多的工艺方法六、结束语高速切削加工技术是先进的制造技术，有广阔的应用前景。用高速切削加工代替EDM(或大部分代替)是加快模具开发速度，实现工艺换代的重大举措。论文发表，高速切削技术。推广应用高速切削加工技术应用于模具制造业，不但可以大幅度提高机械加工的效率、质量，降低成本，而且可以带动一系列高新技术产业的发展。因此，当前加强高速切削技术的基础研究，建立高速切削数据库、高速切削安全技术标准，提高机床和工具行业的开发创新能力，加快高速切削刀具系统、高速切削机床系统的研究开发与产业化，已是当务之急。【参考文献】[1]王先逵．《制造技术的未来》．中国机械工程，1994.[2]张根保．《先进制造技术》．重庆大学出版社，1996.[3]机械工程手册编辑委员会．《机械工程手册（第2版）》．机械工业出版社，1997[4]哀峰等.《高速切削技术的发展与研究》.2005[5]左敦稳.《现代加工技术》.北京航空航天大学出版社.2005.3.[6]倪小青等.《高速切削的关键技术与研究展望》机械，2007