高速加工刀具工艺参数的优化
1 引言
高速加工作为一种先进的切削技术，自二十世纪八十年代以来得到了日益广泛的应用。高速加工采用远高于常规加工的切削速度和进给速度，不仅可提高加工效率，缩短加工工时，同时还可获得很高的加工精度。随着高速加工主轴技术的发展，与其配套的新型刀具不断出现，对高速加工用刀具工艺参数的优化研究也不断深入。目前，德国、美国、日本等工业发达国家对高速加工技术的研究和应用处于世界领先地位，特别是德国对高速加工的研究起步较早，成果较多。早在1984年，德国国家研究技术部(DFG)就出资700万马克资助德国Darmstadt 工业大学生产技术和机床研究所(PTW，Institutof Productionand Engineering and Machine Tools)与41家公司进行了为期4年的合作，全面开展对高速加工切削机理、高速加工工艺、高速加工用机床与刀具的研究。由于政府的高度重视和大力资助，研究工作取得了丰硕成果。德国不少公司很快掌握了高速加工技术，并不断支持和推动该项技术的深入研究与发展。
本文对德国PTW研究所近年来在高速加工刀具工艺参数优化方面的最新研究成果作一介绍，希望能为国内的高速加工研究及应用提供有益的参考。
2 高速加工的特点
高速加工(High Speed Cutting，简称HSC)通常是指在高于常规加工速度5-10倍的条件下进行的切削加工。在高速加工中，必须根据不同的加工材料、加工方式、加工工艺、刀具参数并考虑刀具使用寿命和加工表面质量来选择切削速度。表1为加工不同工件材料时HSC铣削与常规加工的切削速度比较。表2 为采用不同加工方式切削合金钢时HSC与常规加工的切削速度比较。
表1 加工不同材料时HSC铣削与常规加工的切削速度比较
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被加工材料
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常规切削速度
(m/min)
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HSC切削速度
(m/min)
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纤维增强塑料
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-800
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1200-9000
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轻金属
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-800
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200-5000
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铜合金
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-400
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1200-45000
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铸铁
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-300
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1000-3000
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普通工具钢
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-250
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700-2000
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钛合金
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-80
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200-1000
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镍基合金
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-20
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100-300
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表2 加工合金钢时HSC 与常规加工的切削速度比较 加工方式
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加工方式
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常规切削速度
(m/min)
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HSC切削速度
(m/min)
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钻削
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-100
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-200
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拉削
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-40
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-80
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精镗
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-10
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-300
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3 高速加工刀具工艺参数的优化
高速加工的实现与刀具材料、刀具几何形状、被加工材料及加工参数等密切相关。下面以应用广泛的模具材料如铝合金、工具钢和铸铁的高速加工为例，介绍德国PTW研究所近年来对高速加工刀具工艺参数优化研究的成果。
高速加工铝合金的刀具工艺参数优化
刀具材料
加工铝合金时，可供选择的刀具材料有硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、聚晶金刚石等。硬质合金是高速切削铝材的主要刀具材料。实际加工中通常使用无涂层的硬质合金刀具，这是因为较厚的涂层会导致刀尖圆弧钝化，而较薄的涂层则会在加工时迅速磨损，均难以起到延长刀具寿命的作用。由于P系列和M系列硬质合金中含有TiC成分，而TiC与铝的亲和性好，不利于切削，因此在粗加工时宜选用K系列硬质合金刀具。陶瓷材料材质较轻，常用于大型刀具；陶瓷刀具亦可用于铝材的高速切削，但Al2O3陶瓷刀具因脆性较大而不常使用。多晶金刚石刀具的使用寿命在相同切削条件下可比硬质合金刀具显著延长，但昂贵的价格使其难以得到广泛使用；在加工Si含量较高的Al-Si合金时，由于硬质合金刀具磨损很快，使用聚晶金刚石刀具则较为经济。近年来，综合了聚晶金刚石和硬质合金两者优点的CVD聚晶金刚石涂层硬质合金刀具已得到越来越广泛的应用。
刀具几何参数
刀具几何形状的选择取决于铝合金材料的抗拉强度和Si成分含量。研究表明，刀具前角和刀尖钝圆半径是影响铝合金加工质量的主要因素。刀具后角的选取会影响刀具刚度，增大后角有利于提高刀具寿命，但会降低刀刃刚度。为此可采用双倒棱后角，在增大后角的同时保证刀具刚度。此外，刀尖圆弧半径的选择应适当，圆弧半径过大或过小都会降低刀具使用寿命。整体刀具的螺旋角优化值为20?-25?。表3 列出了加工不同铝合金材料时刀具几何参数的优化经验值。
表3 加工铝合金材料的刀具几何参数优化经验值
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工件材料
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抗拉强度
或Si含量
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刀具材料
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后角
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前角
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刃倾角
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刀尖圆弧半径
(mm)
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铝塑合金
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Rm<300N/mm2
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硬质合金
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13?～18?
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10?～15?
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≥25?
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0.005～0.01
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铝塑合金
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Rm>300N/mm2
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硬质合金
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12?～15?
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12?～18?
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≥20?
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0.005～0.01
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铝铸铁合金
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Si含量<12%
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硬质合金
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12?
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15?
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0?
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0.01～0.02
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铝铸铁合金
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Si含量>12%
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聚晶金刚石
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12?
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0?
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0?
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0.01～0.02
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加工工艺参数
研究表明，适合高速加工铝合金材料的加工工艺优化参数为：切削速度：≥4000m/min；每齿进给量：0.005-0.5mm；进给速度：加工Al-Si合金(Si<12%)和铝铜合金时vf=1-12m/min，加工Al-Si合金(Si>12%)时vf=1-8m/min；切削率：加工Al-Si合金( Si< 12%)和铝铜合金时为50-90cm3/mm?kW，加工Al-Si合金(Si> 12%)时为40-70cm3/mm?kW。加工Al-Si合金时应使用冷却液(10%-15%乳化液，20-40巴)或微量冷却润滑技术(MVL，Minimum Volume Lubrication)，合理的冷却润滑可使刀具寿命提高50%。
加工表面质量
影响工件表面加工质量的主要因素有：①刀具径向跳动。②刀具磨损：当VB>0.2mm时，加工表面质量明显降低，因此精加工时必须将刀具磨损量控制在VB<0.2mm以内。③刀具工艺参数。④冷却方法：使用刀尖圆弧半径小于1?m的人造金刚石刀具并辅以冷却润滑，可获得良好的加工表面质量(表面粗糙度可达Ra0.1?m)；采用P系列和K系列超细颗粒硬质合金刀具(刀尖圆弧半径2-3?m)加工时，表面粗糙度分别可达Ra0.3-0.4?m和Ra0.4-0.6?m；使用金属陶瓷刀具得到的加工表面质量介于使用硬质合金刀具和金刚石刀具之间。⑤与常规加工类似，高速加工时进给速度对表面加工质量影响较大，但切削速度对表面加工质量影响甚微。
高速加工工具钢的刀具工艺参数优化
工具钢种类繁多，下列优化工艺参数适用于除奥氏体钢及淬硬钢外的工具钢高速加工。
刀具材料
高速加工工具钢时，原则上应选用热强度高的P20/30系列涂层硬质合金刀具，其加工性能优于仅含WC-Co成分的K系列硬质合金刀具。该刀具采用TiN-PVD涂层，可获得较长的使用寿命。
金属陶瓷刀具因不含WC成分，扩散性较小，亦可获得较长的使用寿命，但由于脆性较大，只适于切深和进给量较小的精加工时使用。
氮系陶瓷刀具一般在切削速度大于1600m/in时使用，且进给量应控制在硬质合金刀具的50%，同时应严格选择vc、fz、ap、ae等切削参数值，以避免因刀刃破损降低刀具使用寿命。
加工淬火钢时推荐使用CBN刀具，其性能价格比较合理，加工时通常应选取较小的进给量(与使用陶瓷刀具接近)。
刀具几何参数
高速加工工具钢时最重要的刀具参数是后角和刀尖圆弧半径，刀具前角对加工性能影响不显著(通常取为0?)。因高速加工时单位切削力减小，刀具后角可取16?-20?(大于20?后刀具稳定性将明显降低)。对于硬质合金刀具和金属陶瓷刀具，在进给量较小时(如fz=0.2-0.3mm)可选用锋利的刃型；在进给量较大时采用倒棱(如0.2?20?)则可改善刀刃保持性；使用陶瓷刀具和CBN刀具时亦应采用刀刃保护棱。
加工工艺参数
在200-400m/min切削速度下切削钢材时，会形成较多积屑瘤，严重影响刀具使用寿命。当切削速度提高到600m/min以上时，因排屑速度提高减少了积屑瘤形成的接触时间，可使加工条件得以改善。此外，当切削速度低于600m/min时，产生的切削高温会加速刀具中的碳化物向被加工材料中扩散，从而破坏刀具材料的晶格结构。因此，切削速度600m/min时的切削温度常作为切削性能改善的转折点。此外，刀具寿命与被加工材料性能密切相关，材料抗拉强度增大会降低刀具使用寿命。
对于整体硬质合金刀具，每齿进给量fz的选择范围为0.2-0.3mm。对于可更换刀片的刀具，目前还难以给出理想的fz优化值，由于其fz值远大于整体硬质合金刀具的fz值，且与其它参数(特别是ae值)密切相关，因此其可优化范围很小，这也给其它参数的优化带来困难。
采用陶瓷刀具和CBN刀具加工时，工艺参数的选取与此类似，但进给量只能达到硬质合金刀具的50%左右。
加工表面质量
当切削速度vc=600-800m/min时，加工表面质量最好。随着切削速度的提高，表面粗糙度值最初变化不大，然后有所下降。表面粗糙度值随着进给量的增加而增大。高速加工钢材时，使用冷却液不仅不能提高加工表面质量，反而会大大降低刀具使用寿命，因此对钢材的高速加工一般宜采用干切削，其加工表面质量可达Ra0.1?m。
高速加工铸铁的刀具工艺参数优化
刀具材料
可用于高速加工铸铁(灰铸铁、球墨铸铁)的刀具材料主要有硬质合金、金属陶瓷、氮化硅陶瓷和CBN等。
对铸铁的高速切削可分为750-1250m/min和1250-4500m/min两个速度范围，但应尽可能在较高切削速度范围内加工。在1250-4500m/min速度范围内切削铸铁时，最好使用Si3N4陶瓷刀具或CBN刀具。Si3N4陶瓷刀具的优化切削速度为2000m/min，CBN刀具的优化切削速度为3000-4500m/min。CBN刀具使用寿命较长，但价格昂贵，应视具体情况选择。
若机床主轴转速、进给速度及刀具几何参数不允许在高于1250m/min的速度下切削，则应选用硬质合金刀具和金属陶瓷刀具。研究表明，涂层硬质合金刀具与无涂层硬质合金刀具的使用寿命可相差10倍；金属陶瓷刀具与无涂层硬质合金刀具的使用寿命可相差2-3倍。因此，选用P系列或K系列涂层硬质合金刀具可获得较满意的加工效果(推荐选用P20/30系列带TiC/ TiN多层涂层的硬质合金刀具)，刀具的具体选择则应根据加工材料和加工参数而定。
刀具几何参数
高速切削铸铁的刀具几何参数与切削工具钢时相似，但后角取值应在12?左右。硬质合金刀具、金属陶瓷刀具和CBN刀具应有10?m左右的刀尖圆角半径；陶瓷刀具通常应带有0.1?10?的刀刃保护棱。
加工工艺参数
在750-1250m/min切削速度下，可采用硬质合金刀具或金属陶瓷刀具进行加工，此时可选用较大的每齿进给量(如fz=0.8mm)，因为在一定范围内刀具寿命可随进给量的增大而提高；在1250-4500m/min切削速度下，可采用Si3N4陶瓷刀具或CBN刀具进行加工，与前一种切削速度范围相比，此时每齿进给量应减小50%左右，由于切削速度高，此时获得的进给速度仍比前一速度范围高4-5倍。
与钢的高速切削类似，高速加工铸铁时也建议采用干式切削。
加工表面质量
一般情况下，加工表面质量可随切削速度及进给速度的提高而改善。但在加工铸铁时应注意，铸铁的纵向和横向表面粗糙度相差较大，这主要是由加工时产生的鳞刺造成的(可在粗加工表面观察到)。加工铸铁工件的最终表面粗糙度可达Ra0.2?m。
其它材料的高速加工
石墨、纤维增强塑料、镁合金、铜合金、表面淬火和整体淬火钢、高合金钢、钛合金、镍基合金等材料也可通过高速切削进行加工，但对这些材料的高速加工仍存在不少技术难点，对有关切削机理的研究目前还在继续进行。
4 结语
由于高速加工过程及其机理相当复杂，目前仍缺少成熟、可靠的加工仿真技术，因此对高速加工刀具工艺参数的优化仍主要依赖于切削试验。由于切削试验条件与实际加工条件不完全一致，因此试验结果还需在加工实践中进一步校验修正。此外，德国与中国在使用的加工机床和刀具材料等方面存在较大差别，因此本文介绍的高速切削刀具工艺参数优化结果仅供国内有关人员借鉴参考。
我国在二十世纪九十年代初期才开始对高速加工的各项关键技术进行系统研究，与国外相比起步较晚，在模具制造领域差距更大。我们应立足于我国的刀具、材料及技术条件，适当借鉴国外先进经验，加强对高速加工技术的研究及应用，迅速提高我国高速加工技术水平。