高速加工的刀具選取
2008-09-12 16:07:47
刀具技術特別是刀具材料的進步對高速切削加工的發(fā)展起到了很大作用。在高速切削領域，當前主要使用金屬陶瓷、陶瓷、涂層和超硬材料四類刀具，它們各有其特性和應用范圍，并相互補充。其中涂層刀具發(fā)展最快，而且在高速切削領域有巨大應用潛力，目前在全部刀具中已占有50%以上的比重。
超硬材料刀具在高速切削領域獨占優(yōu)勢，其實際應用與日俱增。在這類刀具中，PCD（聚晶金剛石）刀具是高速切削鋁合金和非金屬材料的最佳選擇，而金剛石涂層刀具則不僅已經實用化且增長勢頭很猛；PCBN（聚晶立方氮化硼）刀具適用于以更高速度切削鑄鐵、淬硬鋼等材料，CBN（立方氮化硼）涂層刀具也有望在近期取得重大技術突破。
為了使高速切削刀具有足夠的使用壽命和低的切削力，應根據不同的工件材料選擇最佳的刀具幾何角度。與普通切削相比，高速切削刀具前角一般要小一些（甚至是負前角），后角要稍大一點，且常采用修圓或刀尖倒角來增大刀前角，以防止刀尖處的熱磨損。由于進行高速切削的旋轉刀具要在很高的轉速下工作，離心力問題非常突出，故要求其刀體結構和刀片夾緊結構應十分可靠，同時需要在動平衡儀上經過嚴格的動平衡，最好能進一步安裝在機床上與主軸組件一起進行動平衡。
在普通轉速下，刀具與主軸間廣泛采用的7∶24錐度聯結，當高速旋轉時，由于實心錐柄不能像主軸孔那樣受離心力作用發(fā)生“脹大”，兩者之間出現間隙會導致刀具在錐孔內擺動，從而引起刀具的軸向定位誤差和破壞結構的動平衡。為了克服這種高速下聯結性能差的缺點，相繼開發(fā)出了一些適合高速切削的聯結方式，如：HSK工具系統(tǒng)和Capto工具系統(tǒng)。
下面詳細介紹刀具、刀柄及切削用量的選取。
1. 刀具材料
要實現高速切削，刀具材料是關鍵。高速切削材料主要有硬質合金、涂層刀具、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼和金剛石刀具。它們各有優(yōu)點，適合不同的工件材料和不同的切削速度范圍。必須注意的是刀具材料與工件材料之間有一個適配性問題，即一種刀具材料加工某種工件材料時性能良好，但加工另一種工件材料時卻不理想，換句話說，不存在一種可適用于所有工件材料高速加工的萬能刀具材料。
高速切削刀具材料必須根據所加工的工件材料和加工性質來選擇。一般而言，陶瓷刀具、涂層刀具及CBN刀具適合于鋼鐵等黑色金屬的高速加工；PCD刀具適合于對鋁、鎂、銅等有色金屬的高速加工；陶瓷刀具已應用于加工各種鑄鐵、鋼件、熱噴涂噴焊材料、鎳基高溫合金等；金剛石刀具適合于加工非金屬材料、有色金屬及其合金。
由于金剛石的熱穩(wěn)定性差，切削溫度達到800℃時，就會失去其硬度。因為金剛石和鐵有很強的化學親和力，在高溫下鐵原子容易與碳原子相互作用使其轉化為石墨結構，刀具極容易損壞，因此金剛石刀具不適合于加工鋼鐵類材料，在切削有色金屬時，PCD刀具的壽命是硬質合金刀具的幾十甚至幾百倍。
立方氮化硼刀具既能勝任淬硬鋼、軸承鋼、高速鋼、冷硬鑄鐵的粗、精車削，又能勝任高溫合金、熱噴涂材料、硬質合金及其他難加工材料的高速切削。CBN刀具是實現以車代磨的最佳刀具之一。
2. 刀 具
以下介紹在加工中心上加工殼體常用的刀具。
（1）銑刀
在面銑時，由于銑刀和工件之間的關系，尺寸和位置是重要的因素。在選擇刀具時，工件的寬度決定銑刀的直徑。對于加工小件而言，一般刀具直徑比工件大30%是比較理想的，但是機床功率和穩(wěn)定性在許多情況下起決定作用。面銑常常需要幾次走刀才能完成。
在優(yōu)化銑削效果時，銑刀的刀片是另一個重要因素。在任何一次銑削時如果同時參加切削的刀片數多于一個是優(yōu)點，但同時參加切削的刀片數太多就是缺點。在切削時每一個切削刃不可能同時切削，所要求的功率和參加切削的切削刃多少有關。就切屑形成過程，切削刃負載以及加工結果來說，銑刀相對于工件的位置起到了重要作用。在面銑時，用一把比切削寬度大約大30%的銑刀并且將銑刀位置在接近于工件的中心，那么切屑厚度變化不大。在切入切出的切屑厚度比在中心切削時的切削厚度稍稍薄一些。
為了確保使用足夠高的平均切屑厚度/每齒進給量，必須正確地確定適合于該工序的銑刀刀齒數。銑刀的齒距是有效切削刃之間的距離?？筛鶕@個值將銑刀分為3個類型——密齒銑刀、疏齒銑刀、特密齒銑刀。
和銑削的切屑厚度有關的還有面銑刀的主偏角。主偏角是刀片主切削刃和工件表面之間的夾角，主要有45度、90度角和圓形刀片。切削力的方向變化隨著主偏角的不同將發(fā)生很大的變化：主偏角為90度的銑刀主要產生徑向力，作用在進給方向，這意味著被加工表面將不承受過多的壓力，對于銑削結構較弱的工件是比較可靠。
主偏角為45度的銑刀其徑向切削力和軸向大致是相等的，所以產生的壓力比較均衡，對機床功率的要求也比較低，特別適合于銑削產生崩碎切屑的短屑材料工件。
圓形刀片的銑刀意味著主偏角從0度到90度連續(xù)變化，這主要取決于切削深度。這種刀片切削刃強度非常高，由于沿長切削刃方向產生的<
