本文簡(jiǎn)要地介紹了高速切削技術(shù)和目前應(yīng)用在模具制造中的鑄鐵和合金鋼高性能加工方面的進(jìn)展。文章內(nèi)容主要包括：(1)在高硬度材料高速銑削過(guò)程中，u刀具/u崩刃和u刀具/u壽命的理論及試驗(yàn)研究；(2)在加工雕塑曲面時(shí)，通過(guò)改變主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速率優(yōu)化數(shù)控程序，來(lái)保持幾乎恒定的切屑負(fù)載；(3)預(yù)測(cè)切削刀具上的切屑流、應(yīng)力和溫度及加工曲面層的殘余應(yīng)力。
一、前言隨著機(jī)床、刀具和高速旋轉(zhuǎn)的端銑刀技術(shù)的進(jìn)步，“高速加工(HSM)”已經(jīng)成為一種高效的加工過(guò)程，能夠完成高精度和高表面質(zhì)量零件的加工。直到最近，航空工業(yè)中才把高速銑削應(yīng)用于復(fù)雜的鋁合金零件的加工。隨著機(jī)床、主軸和數(shù)控系統(tǒng)或控制單元的顯著改進(jìn)，高速加工已被成功地利用。近來(lái)，隨著切削刀具技術(shù)的進(jìn)步，高速加工已應(yīng)用于加工合金鋼(HRCgt;30)，廣泛地應(yīng)用在汽車(chē)和電子元件產(chǎn)品中的沖壓模，還有塑料模具零件等。高速加工的定義依賴于被加工的工件材料的類(lèi)型。圖1為高速加工不同材料時(shí)普遍采用的切削速度。例如，高速加工合金鋼采用的切削速度為500m/min，而這一速度在加工鋁合金時(shí)常采用順銑。
高速加工的主要優(yōu)點(diǎn)有：材料去除率高，研制周期短，切削力低，切屑移除帶走的熱量使工件的變形小。然而，同高速加工的應(yīng)用相關(guān)的問(wèn)題主要依賴工件材料和所需的產(chǎn)品幾何形狀。高速加工的缺點(diǎn)為：過(guò)多的刀具磨損，需要特別昂貴的機(jī)床，并且這些機(jī)床必須有良好的主軸、u控制器/u單元和夾具，具有動(dòng)平衡的刀柄，最重要的是要有先進(jìn)的u刀具材料/u和涂層材料。
圖1高速切削中不同材料的速度范圍
隨著高速加工應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，對(duì)新型刀具材料的研究、刀具設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、數(shù)控刀具路徑新策略的產(chǎn)生和切削條件的改善也有所提高。而且，切削過(guò)程的計(jì)算機(jī)輔助模擬也出現(xiàn)了，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)預(yù)測(cè)刀具溫度和應(yīng)力，延長(zhǎng)刀具使用壽命很有意義。鑄造、沖模和鑄模加工的應(yīng)用代表了鑄鐵、鑄鋼和合金鋼的高速切削應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。工業(yè)領(lǐng)先的國(guó)家在沖模和鑄模制造方面，研制時(shí)間大部分耗費(fèi)在機(jī)械加工和拋光加工工序上。如圖2表明，沖模或鑄模的機(jī)械加工和拋光加工約占整個(gè)加工費(fèi)用的2/3，而高速銑正好用來(lái)縮短研制周期和加工費(fèi)用。
圖2模具制造周期對(duì)比
二、主要理論概述
1.高速切削中的加工工藝技術(shù)
采用先進(jìn)的機(jī)床和切削刀具加工合金鋼(HRCgt;30)是一項(xiàng)節(jié)約成本的技術(shù)。而且，高速切削硬的合金鋼有如下優(yōu)點(diǎn)：減少了精加工的時(shí)間，熱處理后精加工零件變形消失，材料去除率高，加工費(fèi)用低和表面質(zhì)量高。在工具鋼的沖模和鑄模的加工方面，硬材料的高速加工取代了緩慢的放電加工過(guò)程，而硬鋼件的高速切削會(huì)在工件和刀具接觸表面產(chǎn)生高的溫度和應(yīng)力。所以，高速加工的應(yīng)用，需要從根本上理解切削用量、刀具壽命和加工表面質(zhì)量之間的關(guān)系。這就必須掌握在高速切削中產(chǎn)生的溫度和應(yīng)力是如何影響刀具磨損的，刀具過(guò)早崩刃和加工表面出現(xiàn)殘余應(yīng)力。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：當(dāng)加工硬鋼件時(shí)，工件材料的微觀結(jié)構(gòu)和熱性能影響切削流。一般來(lái)說(shuō)，硬度高的工件產(chǎn)生的切削力也大，而不同熱性能的刀具材料可以降低切削力。為了更好地掌握切削過(guò)程和提高切削刀具的性能，變形理論和數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用產(chǎn)生了。
在加工高硬度材料方面，切削速度從低到高和合適的進(jìn)給速率時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)連續(xù)的切屑變形，如圖3a所示。圖3b為較高的進(jìn)給速率產(chǎn)生的鋸齒形切屑。鋸齒形切屑形成的形式在切削力和沖出力間不斷的變化，同時(shí)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，進(jìn)而影響刀具壽命和崩刃。
對(duì)斷續(xù)切削的微觀圖進(jìn)行研究后表明：鋸齒形切屑形成的原因?yàn)榈毒咔暗睹嬷芷谛缘臄嗔炎冃?，如圖3b所示。工件表面的折斷傳至切屑內(nèi)部，直至變?yōu)楦叩膽?yīng)力狀態(tài)區(qū)域。
在硬度零件加工中，連續(xù)切屑為薄的未變形切屑，鋸齒切屑為厚的未變形切屑。根據(jù)最近的觀察，產(chǎn)生鋸齒形切屑的頻率很高，切屑刃承受高頻力振動(dòng)。人們還未能較好地理解切屑形成對(duì)刀具磨損和表面質(zhì)量的影響，但是，切屑形成肯定影響切削力。
圖3硬度鋼加工中切屑形成圖例
2.高速切削中的機(jī)床系統(tǒng)
(1)機(jī)床和控制器
高速銑削加工機(jī)床有多種不同的配置，三軸立式和臥式加工中心是最常用的配置。盡管立式加工中心有去除切屑方面的缺點(diǎn)，它們?nèi)允禽^經(jīng)濟(jì)的選擇，且比臥式加工中心應(yīng)用廣泛。在高速加工的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，人們多數(shù)采用的是臥式加工中心。四軸加工中心能夠傾斜銑刀來(lái)改善切削條件；五軸機(jī)床帶有可交換的主軸單元，可以實(shí)現(xiàn)粗加工、半精加工和精加工。
市場(chǎng)上有多種高性能的加工中心(主軸轉(zhuǎn)速：1000～50000r/min，主軸功率：7.5～40kW，進(jìn)給速率：10～60m/min)。高速加工要求有高穩(wěn)定性、具有微小振動(dòng)的剛性主軸，用熱配合平衡刀柄。伺服系統(tǒng)和控制單元必須是先進(jìn)的，能夠支持預(yù)先計(jì)算和快速反應(yīng)，具有傳輸容量大的程序能力，且不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。計(jì)算機(jī)制造系統(tǒng)和預(yù)先計(jì)算系統(tǒng)必須允許機(jī)床最有效地加速和減速來(lái)實(shí)現(xiàn)刀補(bǔ)，目前的機(jī)床技術(shù)漸漸采用高速線性馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，3-D輪廓進(jìn)給速率約為12m/min，加減速率接近9.8m/s2。圖4為在高速加工試驗(yàn)室采用的四軸臥式加工中心(MakinoA55Delta)。
圖4高速加工中心MakinoA55Delta
Palign=left(2)切削刀具
在加工鑄鐵和合金鋼的切削刀具中，硬質(zhì)合金是最常用的刀具材料。硬質(zhì)合金刀具耐磨性好，但硬度比立方氮化硼和陶瓷低。為提高硬度，硬質(zhì)合金刀具采用硬的涂層材料進(jìn)行涂層，如氮化鈦、氮化鈦鋁和碳氮化鈦等，最近也采用雙層軟基涂層材料，如MOVIC等。加工中采用的其他刀具材料有陶瓷、金屬陶瓷和聚晶金剛石。
總的來(lái)說(shuō)，直徑在0.5英寸到1.5英寸范圍內(nèi)，且有碳氮化鈦涂層的硬質(zhì)合金刀片能夠加工洛氏硬度小于42的材料；而氮化鈦鋁涂層的刀具能夠加工洛氏硬度為42甚至更高的材料?？筛鶕?jù)使用要求，選用不同的刀具材料和涂層材料。表1給出了切削刀具材料的性能特點(diǎn)。應(yīng)用于高速切削的刀具和涂層材料可分為：立方氮化硼和氮化硅加工鑄鐵，氮化鈦和碳氮化鈦涂層的合金刀具加工洛氏硬度達(dá)42的合金鋼，氮化鈦鋁和鋁氮化鈦涂層合金刀具加工洛氏硬度為42甚至更高的合金鋼。在特殊方面的應(yīng)用上，尤其是高硬度的車(chē)刀(HRC60-65)和具有合適切削刃的聚晶立方氮化硼刀片也得到了成功的應(yīng)用。
表1先進(jìn)切削刀具材料和涂層的特性3.模具的高速切削加工
在注射模、鑄模、鍛模和覆蓋件沖壓模中，模具是由功能組件和支撐組件組成的。通常凸模和凹模是從模具鋼加工出來(lái)的。但是，大型沖壓模經(jīng)常鑄造成接近最終尺寸，保留加工余量。支撐部件都是標(biāo)準(zhǔn)件，以保證工裝組件的總體功能，如定位、零件注射、加熱或冷卻。通過(guò)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的模具組件，可減少加工模具的時(shí)間，機(jī)械加工主要生產(chǎn)凸模和凹模等部件。
(1)模具材料根據(jù)最近的調(diào)查，50%的模具制造商加工注射模。在美國(guó)，最常用的模具材料為3Cr2Mo模具鋼(HRC30)，鍛模和鑄模常用材料為4Cr5MoV1Si鋼，HRC45～HRC60的鍛模和HRC46～HRC50的鑄模。表2列出了最常用的模具材料。
表2美國(guó)應(yīng)用最廣泛的模具材料(2)表面質(zhì)量
精加工需要最大份額地占有研制周期，對(duì)于注射模、鑄模和鍛模約為整個(gè)研制周期的25%～30%。對(duì)大型沖壓模，精加工占用了整個(gè)制造時(shí)間的大部分，同時(shí)對(duì)鉗工(磨和拋光)加工時(shí)間也有影響，鑄模和注射模約為15%，鈑金成型模約為20%。采用小的刀間距加工，殘留高度將減小，同時(shí)鉗工加工時(shí)間也將減少。
注射模的表面精度要求比鍛模和沖模高。表3為各類(lèi)模具尺寸誤差和形位誤差的平均值。在模具制造中，高速銑的主要目的是減少或消除手工拋光，同時(shí)減少精加工時(shí)間。采用如下兩種方式可獲得低的表面粗糙度：增加精加工路徑或采用大直徑的銑刀。步距ae和刀具直徑D決定理論表面粗糙度Rth；
表3模具的公差要求因最大的刀具直徑常被零件幾何形狀限制，理論表面粗糙度值只能通過(guò)減小刀間距來(lái)減小。如果刀間距減小50%，刀具路徑將自動(dòng)增加100%，這意味著精加工時(shí)間將增加二倍。為補(bǔ)償增加的時(shí)間，高的進(jìn)給速率是必須的。高的進(jìn)給速率要求高的主軸轉(zhuǎn)速來(lái)保證恒定的切屑的厚度，同時(shí)也需要高的切削速度，相應(yīng)地溫度和刀具磨損將無(wú)法避免。
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