難加工材料的切削加工技術(shù)

發(fā)布日期:2012-11-18    蘭生客服中心    瀏覽:2433

難加工材料的界定及具體品種,隨時代及專業(yè)領(lǐng)域而各有不同,例如,宇航產(chǎn)業(yè)常用的超耐熱合金、鈦合金及含有碳纖維的復(fù)合材料等,都是該領(lǐng)域的難加工材料。宇航業(yè)的工程技術(shù)人員開展了加工技術(shù)的研究與開發(fā)工作,已經(jīng)研究出適合該領(lǐng)域使用的切削工具和加工方法。近年來,機械制品多功能、高功能化的發(fā)展勢頭十分強勁,要求零件必須實現(xiàn)小型化、微細化。為了滿足這些要求,則所用材料必須具有高硬度、高韌性和高耐磨性,而具有這些特性的材料其加工難度也特別大,因此又出現(xiàn)了新的難加工材料。難加工材料就是這樣隨著時代的發(fā)展及專業(yè)領(lǐng)域的不同而出現(xiàn),其特有的加工技術(shù)也隨著時代及各專業(yè)領(lǐng)域的研究開發(fā)而不斷向前發(fā)展。?

另一方面,隨著信息化社會的到來,難加工材料切削技術(shù)信息也可通過因特網(wǎng)互相交流,因此,今后有關(guān)難加工材料切削加工的數(shù)據(jù)等信息將會更加充實,加工效率也必然會進一步提高,本文以難加工材料的切削加工為核心,介紹該技術(shù)近年來的發(fā)展動向。?

切削領(lǐng)域中的難加工材料


在切削加工中,通常出現(xiàn)的刀具磨損包括如下兩種形態(tài):(1)由于機械作用而出現(xiàn)的磨損,如崩刃或磨粒磨損等;(2)由于熱及化學作用而出現(xiàn)的磨損,如粘結(jié)、擴散、腐蝕等磨損,以及由切削刃軟化、溶融而產(chǎn)生的破斷、熱疲勞、熱龜裂等。
切削難加工材料時,在很短時間內(nèi)即出現(xiàn)上述刀具磨損,這是由于被加工材料中存在較多促使刀具磨損的因素。例如,多數(shù)難加工材料均具有熱傳導(dǎo)率較低的特點,切削時產(chǎn)生的熱量很難擴散,致使刀具刃尖溫度很高,切削刃受熱影響極為明顯。這種影響的結(jié)果會使刀具材料中的粘結(jié)劑在高溫下粘結(jié)強度下降,WC(碳化鎢)等粒子易于分離出去,從而加速了刀具磨損。另外,難加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高溫條件下產(chǎn)生反應(yīng),出現(xiàn)成分析出、脫落,或生成其他化合物,這將加速形成崩刃等刀具磨損現(xiàn)象。?

在切削高硬度、高韌性被加工材料時,切削刃的溫度很高,也會出現(xiàn)與切削難加工材料時類似的刀具磨損。如切削高硬度鋼時,與切削一般鋼材相比,切削力更大,刀具剛性不足將會引起崩刃等現(xiàn)象,使刀具壽命不穩(wěn)定,而且會縮短刀具壽命,尤其是加工生成短切屑的工件材料時,會在切削刃附近產(chǎn)生月牙洼磨損,往往在短時間內(nèi)即出現(xiàn)刀具破損。?

在切削超耐熱合金時,由于材料的高溫硬度很高,切削時的應(yīng)力大量集中在刃尖處,這將導(dǎo)致切削刃產(chǎn)生塑性變形;同時,由于加工硬化而引起的邊界磨損也比較嚴重。?

由于這些特點,所以要求用戶在切削難加工材料時,必須慎重選擇刀具品種和切削條件,以獲得理想的加工效果。?

難加工材料在切削加工中應(yīng)注意的問題


切削加工大致分為車削、銑削及以中心齒為主的切削(鉆頭、立銑刀的端面切削等),這些切削加工的切削熱對刃尖的影響也各不相同。車削是一種連續(xù)切削,刃尖承受的切削力無明顯變化,切削熱連續(xù)作用于切削刃上;銑削則是一種間斷切削,切削力是斷續(xù)作用于刃尖,切削時將發(fā)生振動,刃尖所受的熱影響,是切削時的加熱和非切削時的冷卻交替進行,總的受熱量比車削時少。?

銑削時的切削熱是一種斷續(xù)加熱現(xiàn)象,刀齒在非切削時即被冷卻,這將有利于刀具壽命的延長。日本理化研究所對車削和銑削的刀具壽命作了對比試驗,銑削所用刀具為球頭立銑刀,車削為一般車刀,兩者在相同的被加工材料和切削條件(由于切削方式不同,切削深度、進給量、切削速度等只能做到大體一致)及同一環(huán)境條件下進行切削對比試驗,結(jié)果表明,銑削加工對延長刀具壽命更為有利。

利用帶有中心刃(即切削速度=0m/min的部位)的鉆頭、球頭立銑刀等刀具進行切削時,經(jīng)常出現(xiàn)靠近中心刃處工具壽命低下的情況,但仍比車削加工時強。?

在切削難加工材料時,切削刃受熱影響較大,常常會降低刀具壽命,切削方式如為銑削,則刀具壽命會相對長一些。但難加工材料不能自始至終全部采用銑削加工,中間總會有需要進行車削或鉆削加工的時候,因此,應(yīng)針對不同切削方式,采取相應(yīng)的技術(shù)措施,提高加工效率

切削難加工材料用的刀具材料


CBN的高溫硬度是現(xiàn)有刀具材料中最高的,最適合用于難加工材料的切削加工。新型涂層硬質(zhì)合金是以超細晶粒合金作基體,選用高溫硬度良好的涂層材料加以涂層處理,這種材料具有優(yōu)異的耐磨性,也是可用于難加工材料切削的優(yōu)良刀具材料之一。?

難加工材料中的鈦、鈦合金由于化學活性高,熱傳導(dǎo)率低,可選用金剛石刀具進行切削加工。CBN燒結(jié)體刀具適用于高硬度鋼及鑄鐵等材料的切削加工,CBN成分含量越高,刀具壽命也越長,切削用量也可相應(yīng)提高。據(jù)報道,目前已開發(fā)出不使用粘結(jié)劑的CBN燒結(jié)體。?

金剛石燒結(jié)體刀具適用于鋁合金、純銅等材料的切削加工。金剛石刀具刃口鋒利,熱傳導(dǎo)率高,刃尖滯留的熱量較少,可將積屑瘤等粘附物的發(fā)生控制在最低限度之內(nèi)。在切削純鈦和鈦合金時,選用單晶金剛石刀具切削比較穩(wěn)定,可延長刀具壽命。?

涂層硬質(zhì)合金刀具幾乎適用于各種難加工材料的切削加工,但涂層的性能(單一涂層和復(fù)合涂層)差異很大,因此,應(yīng)根據(jù)不同的加工對象,選用適宜的涂層刀具材料。據(jù)報道,最近已開發(fā)出金剛石涂層硬質(zhì)合金和DLC(Diamond Like Carbon)涂層硬質(zhì)合金,使涂層刀具的應(yīng)用范圍進一步擴大,并已可用于高速切削加工領(lǐng)域。?

切削難加工材料的刀具形狀


在切削難加工材料時,刀具形狀的最佳化可充分發(fā)揮刀具材料的性能。選擇與難加工材料特點相適應(yīng)的前角、后角、切入角等刀具幾何形狀和對刃尖進行適當處理,對提高切削精度和延長刀具壽命有很大的影響,因此,在刀具形狀方面決不能掉以輕心。但是,隨著高速銑削技術(shù)的推廣應(yīng)用,近來已逐漸采用小切深以減輕刀齒負荷,采用逆銑并提高進給速度,因此,對切削刃形狀的設(shè)計思路也有所改變。?

對難加工材料進行鉆削加工時,增大鉆尖角,進行十字形修磨,是降低扭矩和切削熱的有效途徑,它可將切削與切削面的接觸面積控制在最小范圍之內(nèi),這對延長刀具壽命和提高切削條件十分有利。鉆頭在鉆孔加工時,切削熱極易滯留在切削刃附近,而且排屑也很困難,在切削難加工材料時,這些問題更為突出,必須給以足夠的關(guān)注。?

為了便于排屑,通常在鉆頭切削刃后側(cè)設(shè)有冷卻液噴出口,可供給充足的水溶性冷卻液或霧狀冷卻劑等,使排屑變得更為順暢,這種方式對切削刃的冷卻效果也很理想。近年來,已開發(fā)出一些潤滑性能良好的涂層物質(zhì),這些物質(zhì)涂鍍在鉆頭表面后,用其加工3~5D的淺孔時,可采用干式鉆削方式。?

孔的精加工歷來采用鏜削方式,不過近來已逐漸由傳統(tǒng)的連續(xù)切削方式改變?yōu)椴捎玫雀呔切削這類間斷切削方式,這種方式對提高排屑性能和延長工具壽命均更為有利。因此,這種間斷切削用的鏜削刀具設(shè)計出來后,立即被應(yīng)用于汽車零件的CNC切削加工。在螺紋孔加工方面,目前也采用螺旋切削插補方式,切螺紋用的立銑刀已大量投放市場。

如上所述,這種由原來連續(xù)切削向間斷切削的轉(zhuǎn)換,是隨著對CNC切削理解的加深而進行的,這是一個漸進的過程。采用此種切削方式切削難加工材料時,可保持切削的平穩(wěn)性,且有利于延長工具壽命。?

難加工材料的切削條件


難加工材料的切削條件歷來都設(shè)定得比較低,隨著刀具性能的提高,高速高精度CNC機床的出現(xiàn),以及高速銑削方式的引進等,目前,難加工材料的切削已進入高速加工、刀具長壽命化的時期。?

現(xiàn)在,采用小切深以減輕刀具切削刃負荷,從而可提高切削速度和進給速度的加工方式,已成為切削難加工材料的最佳方式。當然,選擇適應(yīng)難加工材料特有性能的刀具材料和刀具幾何形狀也極為重要,而且應(yīng)力求刀具切削軌跡的最佳化。例如,鉆削不銹鋼等材料時,由于材料熱傳導(dǎo)率很低,因此,必須防止切削熱大量滯留在切削刃上,為此應(yīng)盡可能采用間斷切削,以避免切削刃和切削面摩擦生熱,這將有助于延長工具壽命和保證切削的穩(wěn)定。用球頭立銑刀對難加工材料進行粗加工時,工具形狀和夾具應(yīng)很好配合,這樣可提高刀具切削部分的振擺精度和夾持剛性,以便在高速回轉(zhuǎn)條件下,保證將每齒進給量提高到最大限度,同時也可延長工具壽命。?

結(jié)束語


如前所述,難加工材料的最佳切削方法是不斷發(fā)展的,新的難加工材料不斷出現(xiàn),對新材料的加工總是不斷困擾著工程技術(shù)人員。最近,新型加工中心、切削工具、夾具及CNC切削等技術(shù)發(fā)展非常迅速,而且在切削加工之外,CNC磨削、CNC電加工等技術(shù)也得到空前的發(fā)展,難加工材料的加工技術(shù)選擇范圍已大為擴展。?

當然,有關(guān)難加工材料加工信息的收集與對該技術(shù)的深入理解,還不能盡如人意,正因為如此,而對難加工材料的不斷涌現(xiàn),人們總是感到加工技術(shù)有些力不從心。?

例如,前述車削加工由連續(xù)切削向間斷切削轉(zhuǎn)換,便有利于延長工具壽命,新型涂層硬質(zhì)合金刀具的使用,使難加工材料切削技術(shù)水平得到進一步提高。在難加工材料的切削加工中應(yīng)特別重視工具壽命的穩(wěn)定,不僅工件材料要和刀具性能妥善配伍,而且對加工尺寸、加工表面粗糙度、形狀精度等的要求也極嚴格,因此,不僅應(yīng)特別注意刀具選用,對工件的夾持方式等相關(guān)技術(shù)也不能掉以輕心。

今后,難加工材料零件的加工將采取CAD/CAM、CNC切削加工等計算機控制的生產(chǎn)方式,因此,數(shù)據(jù)庫的建構(gòu)、工具設(shè)計與制作等工具管理系統(tǒng)的完善,都極為重要。難加工材料切削加工中,適用的刀具、夾具、工序安排、工具軌跡的確定等有關(guān)切削條件的數(shù)據(jù),均應(yīng)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)加以積累,使零件生產(chǎn)方式沿著以IT化為基礎(chǔ)的方向發(fā)展,這樣,難加工材料的切削加工技術(shù)才能較快地步入一個新的階段。

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