數(shù)控高速切削技術(shù)是近20年來(lái)迅速崛起的一項(xiàng)提高前輩制造技術(shù)，在以高效率、高質(zhì)量為特點(diǎn)在航空、航天、汽車(chē)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。在航空新材料不斷發(fā)展的今天，高強(qiáng)度鋼、高溫合金、鈦合金、復(fù)合材料等難加工材料日益增多，這對(duì)推動(dòng)和促進(jìn)數(shù)控刀具技術(shù)的發(fā)展起到了重要的作用。在數(shù)控高速切削技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，刀具及刀具技術(shù)的樞紐地位日益顯現(xiàn)。



 
數(shù)控刀具技術(shù)
1 數(shù)控高速切削對(duì)刀具材料的要求 
在數(shù)控高速切削時(shí)產(chǎn)生的切削熱和對(duì)刀具的磨損要比普通速度切削時(shí)高得多，因此，數(shù)控高速切削使用的刀具材料與普通速度切削用的刀具材料有很大的不同，對(duì)刀具材料有更高的要求，主要包括： 
?高硬度、高強(qiáng)度和耐磨性；
?韌度高，抗沖擊能力強(qiáng)；
?高的熱硬性和化學(xué)不亂性；
?抗熱沖擊能力強(qiáng)。 
目前已泛起不少新的刀具材料，但要同時(shí)知足上述要求的刀具材料是很難找到的。因此，在具有比較好的抗沖擊韌度的刀具材料基體上，鍍上高熱硬性和耐磨性鍍層的刀具技術(shù)發(fā)展很快。另外，還可以把CBN和金剛石等硬度很高的材料燒結(jié)在抗沖擊韌度好的硬質(zhì)合金或陶瓷材料的基體上，形成綜合切削機(jī)能非常好的數(shù)控高速加工刀具。



 
2 數(shù)控高速刀具材料選擇
跟著高強(qiáng)度鋼、高溫合金、鈦合金及復(fù)合材料等難加工材料在航空領(lǐng)域的應(yīng)用不斷增加，現(xiàn)代數(shù)控刀具材料已不能局限于目前廣泛使用的高速鋼和普通硬質(zhì)合金，應(yīng)根據(jù)不同的加工材料，并考慮刀具使用壽命和加工質(zhì)量來(lái)選擇刀具材料。以下按海內(nèi)航空制造業(yè)中常用材料的分類(lèi)對(duì)數(shù)控刀具材料進(jìn)行選擇：
 
數(shù)控鈦合金銑削
(1）鋁合金：鋁合金在航空領(lǐng)域應(yīng)用最多，常用的數(shù)控刀具材料有鋁高速鋼、K10和K20 等系列硬質(zhì)合金。
（2）普通鋼：對(duì)于普通鋼的數(shù)控切削，在海內(nèi)航空制造業(yè)中主要采用鈷高速鋼M42、硬質(zhì)合金和金屬陶瓷等作為刀具材料。
（3）高強(qiáng)度鋼、高溫合金：在航空制造領(lǐng)域，高強(qiáng)度鋼、高溫合金在材料中占的比重越來(lái)越大，加工此類(lèi)零件的刀具主要采器具有高強(qiáng)度、高韌性和高耐磨性的超細(xì)晶粒合金基體與TiAlN涂層組合的硬質(zhì)合金材料及金屬陶瓷材料來(lái)加工。
（4）鈦合金：鈦合金強(qiáng)度高，沖擊韌性大，其加工硬化現(xiàn)象非常嚴(yán)峻，在切削加工時(shí)泛起溫度高、刀具磨損嚴(yán)峻的現(xiàn)象，加工鈦合金材料時(shí)常選用鈷高速鋼M42及株洲鉆石切削刀具股份有限公司出產(chǎn)的KMG405等系列硬質(zhì)合金涂層刀具材料。
（5）復(fù)合材料：復(fù)合材料已在航空領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，且用量正迅猛增長(zhǎng)，加工此類(lèi)材料主要采用PCD涂層硬質(zhì)合金和陶瓷作為刀具材料。



 
3 數(shù)控高速切削對(duì)刀具幾何參數(shù)和切削參數(shù)的要求
（1) 數(shù)控高速切削對(duì)刀具幾何參數(shù)的要求。除了刀具材料的選擇外，準(zhǔn)確選擇刀具切削刃的幾何參數(shù)以及刀具的斷屑方式等對(duì)數(shù)控高速切削的效率、加工表面質(zhì)量、刀具壽命以及切削熱量的產(chǎn)生等都有很大影響，這是數(shù)控高速刀具技術(shù)中的一個(gè)重要因素。刀具切削刃的幾可參數(shù)選擇應(yīng)從以下幾方面考慮：
?合適的刀具后角和公道的進(jìn)給速度，能產(chǎn)生足夠大的切屑厚度，以便帶走熱量，避免切削硬化。
?刀刃前角是影響刀具切削載荷的重要參數(shù)，應(yīng)公道選擇。
?切削載荷與刀具每切刃的進(jìn)給量有關(guān)。對(duì)于多片鑲嵌刀具，切削載荷作用于每一個(gè)刀片上；對(duì)于實(shí)體刀具，切削載荷作用在每個(gè)齒上。因此，應(yīng)該在一個(gè)公道的數(shù)值之間選擇進(jìn)給量。
 
一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控高速刀具的幾何角度大都與傳統(tǒng)的刀具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。選擇公道的刀具參數(shù)，除了使刀具保持刃鋒利的切削和足夠的強(qiáng)度外，一個(gè)重要目的是能形成足夠厚度的切屑，讓切屑成為切削過(guò)程的散熱片。切削速度越高，產(chǎn)生的熱量越多，所以在數(shù)控高速切削過(guò)程中，很樞紐的題目是要想辦法把切削熱盡可能多地傳給切屑，并利用高速切離的切屑把切削熱迅速帶走。
（2) 根據(jù)工件材料和加工工序，準(zhǔn)確選擇刀具材料和切削參數(shù)，是保證數(shù)控高速切削能夠達(dá)到預(yù)期效果的重要環(huán)節(jié)。目前，數(shù)控高速切削參數(shù)還不能像普通切削加工那樣通過(guò)有關(guān)切削手冊(cè)來(lái)選擇，數(shù)控高速加工還沒(méi)有完整的工藝參數(shù)表和數(shù)控高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于每一種刀具也還沒(méi)有特定的公式來(lái)確定最佳的切削參數(shù)組合。在實(shí)際出產(chǎn)中，要根據(jù)所加工的材料、工序特征等因素通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定最佳的切削速度和進(jìn)給速度。



 
4 數(shù)控高速切削對(duì)刀體的要求
（1）高連接強(qiáng)度的鑲嵌式刀具。數(shù)控高速切削中，大量應(yīng)用鍍層、壓層刀具技術(shù)和鑲嵌式刀具。對(duì)于鑲嵌式刀具，嵌入刀體的刀片假如沒(méi)有足夠的連接強(qiáng)度，就會(huì)在很大的離心力作用下與刀體分離，轉(zhuǎn)速在10000r/min以上的刀具都有這種危險(xiǎn)。因此，在高轉(zhuǎn)速下只靠一個(gè)夾緊螺釘來(lái)壓緊刀片是不安全的。高速切削使用的嵌入式刀具同普通刀具不一樣，刀片要安全地嵌入刀體中，即緊嵌入刀體的卡槽里，并且在與離心力垂直的方向上用螺釘把刀片緊固在刀體上。
（2）刀具和刀柄的連接方法。對(duì)于數(shù)控高速切削使用的刀柄和刀具夾頭的要求是：夾緊精度高；傳遞扭矩大；結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性好，有利于刀具的動(dòng)平衡；形狀尺寸小，但應(yīng)適當(dāng)加大刀具的懸伸量，以擴(kuò)大加工范圍。5數(shù)控高速切削對(duì)刀具動(dòng)平衡的要乞降其他要求在數(shù)控高速切削中，應(yīng)考慮動(dòng)平衡題目。影響數(shù)控高速切削的動(dòng)平衡主要表現(xiàn)在刀具與刀柄的不平衡和機(jī)床主軸不平衡2個(gè)方面。高速旋轉(zhuǎn)刀具安全尺度ISO15641 中劃定的刀具動(dòng)平衡精度等級(jí)應(yīng)在G40以?xún)?nèi)。因此，用于數(shù)控高速切削的刀具，對(duì)刀具的每一個(gè)方面都應(yīng)進(jìn)行全面考慮，如在立銑刀的設(shè)計(jì)中，盡量采用對(duì)稱(chēng)性好的整體式刀具，刀柄采用直柄，齒數(shù)選用偶數(shù)，刀具材料選用材質(zhì)較好的入口材料。嚴(yán)格控制切削跳動(dòng)量、切削刃與刀柄的同軸度、切削刃和刀柄的尺寸精度，以保證刀具的動(dòng)平衡要求。在數(shù)控高速切削刀具的實(shí)際應(yīng)用中，除了準(zhǔn)確選擇刀具材料、切削參數(shù)和刀具動(dòng)平衡外，還要考慮與刀具有關(guān)的其他題目，主要包括：進(jìn)步切削系統(tǒng)的剛度；考慮刀具承受的離心力；需要增加特殊的安全舉措措施。



 
數(shù)控刀具工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和刀具制造
　　1 數(shù)控刀具工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)
（1）數(shù)控立銑刀的前角和后角。
　　研究表明，刀具前角是影響零件材料加工質(zhì)量的主要因素，過(guò)大或過(guò)小對(duì)加工質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生很大的影響，并且使刀具的耐費(fèi)用降低。而刀具后角的選擇會(huì)影響刀具剛度，增大后角有利于進(jìn)步刀具壽命，但會(huì)降低刀刃剛度。經(jīng)由多年對(duì)航空材料的加工實(shí)踐，刀具前角和后角應(yīng)根據(jù)被加工材料的不同做不同的選擇。
　　（2）螺旋角。
　　根據(jù)切削原理，增大螺旋角可以增加同時(shí)工作的齒數(shù)，即實(shí)際增大了工作前角，使切削鋒利，工作平穩(wěn)。但是，當(dāng)螺旋角增大到一定程度后會(huì)破壞刀齒強(qiáng)度，降低整體剛性，增加了切削過(guò)程中的振動(dòng)，加劇了刀齒磨損，從而會(huì)降低刀具的使用壽命?？紤]到數(shù)控加工的高速切削特點(diǎn)，可以將加工鋁合金時(shí)的螺旋角取為25°～30°；加工高強(qiáng)度鋼、高溫合鋼時(shí)的螺旋角取為35°～40°加工鈦合金時(shí)的螺旋角取為30°～40°。為了切削鋒利，可適當(dāng)增大螺旋角，例如在加工鈦合金時(shí)，刀具材料為KMG405的φ25mm 整體硬質(zhì)合金立銑刀的螺旋角可增大到45°，效果比較理想。
　?。?）刀齒橫截面外形。
　　加工鋁合金用二、三齒的立銑刀，加工鋼件用四、六齒，刀齒背后是凸臺(tái)刃帶，齒背型面為圓弧曲線(xiàn)。這種結(jié)構(gòu)制造工藝性好，形狀美觀(guān)、切削加工振動(dòng)小，切削平穩(wěn)，排屑順利，進(jìn)步了刀具壽命。齒數(shù)少的立銑刀固然容屑槽大，切屑排出性好，但橫截面小、剛性低，切削加工中易產(chǎn)生彎曲變形，影響被加工面的垂直度和表面質(zhì)量。為了增強(qiáng)刀具剛性，我們?cè)诤綐?biāo)銑刀基礎(chǔ)上加大了刀具芯部直徑。增大芯部直徑以后固然容屑槽變小，但高速切削時(shí)切屑被高速旋轉(zhuǎn)的刀具飛快甩出，不存在切屑排不出去的題目。
　?。?）刃長(zhǎng)。
　　刃長(zhǎng)越短，刀具的剛性和切削機(jī)能越好。當(dāng)橫截面積相同時(shí)，立銑刀的刃長(zhǎng)增加一倍，其剛度僅為原剛度的1/8。試驗(yàn)表明，當(dāng)立銑刀刃長(zhǎng)增加一倍時(shí)，其刀具壽命僅為原壽命的1/10以下，所以在數(shù)控刀具設(shè)計(jì)中要盡可能設(shè)計(jì)符合加工要求的短刃型刀具。
 
數(shù)控刀具丈量機(jī)
　　（5）數(shù)控刀具的精度。
　　為保證數(shù)控立銑刀與工具系統(tǒng)的連接剛性和連接精度，柄部直徑公差精度等級(jí)進(jìn)步到h6，大大進(jìn)步了刀具的裝夾精度和安全可靠性；為保證加工質(zhì)量和進(jìn)步刀具壽命，將數(shù)控立銑刀直徑偏差進(jìn)步到0.05mm，齒圓弧的公差進(jìn)步為±0.02mm；為保證刀具自身的動(dòng)平衡性，將數(shù)控立銑刀的周齒跳動(dòng)、端齒跳動(dòng)和端齒圓弧跳動(dòng)都進(jìn)步到0.01mm。
 
　?。?）刀具涂層。
　　涂層刀具通過(guò)在刀具基體上涂覆金屬化合物薄膜，以獲得遠(yuǎn)高于基體的表面硬度和優(yōu)良的切削機(jī)能。常用的刀具基體材料主要有高速鋼、硬質(zhì)合金、金屬陶瓷等。涂層既可以是單涂層、雙涂層和多涂層，也可由幾種涂層材料構(gòu)成復(fù)合涂層。西飛公司在數(shù)控刀具制造中與陜西地金成表面工程公司合作，加工有色金屬的數(shù)控刀具采用TiCN復(fù)合涂層DJC-1，加工各類(lèi)鋼件采用TiAlN復(fù)合涂層DJC-2及金剛石納米復(fù)合涂層DJC-3。涂層刀具在高溫下具有良好的熱不亂性和化學(xué)不亂性，涂層工藝使刀具具有光滑的表面和較高的耐磨損機(jī)能。因?yàn)榈毒咄繉拥氖褂蔑@著進(jìn)步了刀具切削機(jī)能，為工廠(chǎng)帶來(lái)了可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。



 
　　2 數(shù)控刀具制造
　　數(shù)控刀具的制造和丈量必需通過(guò)高質(zhì)量的設(shè)備和檢測(cè)手段來(lái)保證。西飛公司的技術(shù)裝備制造總廠(chǎng)從國(guó)外引進(jìn)了3臺(tái)數(shù)控磨刀機(jī)和多臺(tái)數(shù)控刀具丈量機(jī)。如五坐標(biāo)數(shù)控刀具磨床（H P R），該磨刀機(jī)工作臺(tái)尺寸為660mm×490mm×320mm，能磨削直徑為φ3～240mm，長(zhǎng)度240mm以?xún)?nèi)的立銑刀、錐度立銑刀、鉆頭、蹊徑鉆、三面刃盤(pán)銑刀及蹊徑銑刀等多種刀具。該設(shè)備的定位精度：X ,Y ,Z:≤ 0.008mm ；重復(fù)定位精度：X,Y,Z:≤0.004mm,設(shè)備操縱利便，不亂性好，加工刀具的幾何精度高。在加工高品質(zhì)刀具如整體合金刀具中有很強(qiáng)的上風(fēng)；數(shù)控刀具丈量機(jī)的設(shè)備精度和設(shè)備丈量精度均為±2μ m，屬全自動(dòng)非接觸高精度刀具丈量系統(tǒng)，能夠丈量X≤310mm ,Y≤290mm,Z≤500mm范圍內(nèi)的刀具。對(duì)刀具的前角、后角、螺旋角、刃寬、齒圓弧、錐度等進(jìn)行完整的丈量。此外，還有高精度數(shù)控萬(wàn)能內(nèi)外圓磨床S21 等多種數(shù)控機(jī)床設(shè)備，為刀具的制造質(zhì)量和丈量技術(shù)提供了有力的保證。



 
　　結(jié)束語(yǔ)
　　數(shù)控高速切削刀具及相關(guān)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)數(shù)控高速切削加工的基本前提，因?yàn)楦咚偌庸み^(guò)程及其機(jī)理相稱(chēng)復(fù)雜，目前仍缺少成熟、可靠的加工仿真技術(shù)，對(duì)數(shù)控高速加工刀具工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)的優(yōu)化仍主要依靠于切削試驗(yàn)。因此，今后應(yīng)結(jié)合航空材料加工的實(shí)際情況，立足于現(xiàn)有的刀具設(shè)計(jì)和制造能力，并鑒戒海內(nèi)外提高前輩經(jīng)驗(yàn)，正視和加強(qiáng)對(duì)數(shù)控刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)、刀具切削機(jī)理的研究和開(kāi)發(fā)，建立起完整的工藝參數(shù)表和數(shù)控高速切削數(shù)據(jù)庫(kù)。同時(shí)，對(duì)數(shù)控高速刀具在線(xiàn)監(jiān)督系統(tǒng)，數(shù)控高速刀具動(dòng)平衡等也需深入研究，以進(jìn)一步進(jìn)步航空產(chǎn)業(yè)數(shù)控加工技術(shù)水平。



 
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