圖1 采用CBN100刀片精車恒速加工后的聯軸器
高速切削對刀具的材料、鍍層、幾何形狀以及刀柄系統、平衡技術等提出了很高的要求。
高速加工意味著高的主軸轉速與進給速度,一般把主軸轉速在10000~20000r/min以上定為高速加工,進給速度通常要達到15~50m/min。高速加工對機床的主軸系統、進給傳動系統、冷卻潤滑系統與程序控制系統等都提出了更高的要求。對于刀具制造商而言,高速加工的另一種表述就是高速切削,意味著高的切削線速度與進給量。高速切削對刀具的材料、鍍層、幾何形狀以及刀柄系統、平衡技術等提出了很高的要求。
高速切削刀具材料
1. 超硬刀具材料
目前適應高速切削的代表性材料是立方氮化硼(CBN)。Secomax是山高刀具公司提供的基于PCBN(聚晶立方氮化硼)的高性能切削刀具材質等級系列,刀片的形式包括鑲焊PCBN刀片、整層表面PCBN刀片與整體PCBN刀片。目前的Secomax材質等級系列是CBN350、CBN300、CBN200、CBN20、CBN150、CBN100 與 CBN10,其中CBN100、CBN300、CBN350為整體型PCBN,其余為燒結型PCBN。Secomax的材質等級是為加工淬硬鋼、珠光體灰鑄鐵、冷硬鑄鐵和高溫合金等專門研制的。
低含量CBN(45%~65%)主要用于精加工45~61HRC的淬硬鋼,山高的CBN150、CBN100 與 CBN10屬于這個范疇。高含量CBN(80%~90%)主要用于粗、半粗加工鎳、鉻鑄鐵,斷續切削淬硬鋼,高速切削鑄鐵、硬金屬、燒結金屬與重合金等,山高的CBN350、CBN300、CBN200、CBN20屬于這個范疇。除了CBN之外,聚晶金剛石(PCD)勝任有色金屬的高速切削加工。
圖2 SNMM190616/24W-R7型刀片
PCD刀具能以2500~5000m/min的高速切削含硅量<12%的鋁合金。如在聯軸器的精車恒速加工中(淬硬鋼,60 HRC,鍛件),使用的CBN100刀片,在切削速度180m/min、進給量0.15mm/r、切削深度0.15mm的情況下,加工時間比磨削減少了40%(圖1)。
2. 涂層硬質合金刀具
硬質合金刀具的硬涂層可提高刀具壽命和生產率。化學氣相沉積(CVD)技術已從早期的單涂層發展到現在的由TiC、TiN、TiCN、Al2O3復合多涂層與中溫(MT)CVD TiCN涂層,而且通過選擇涂層的順序及涂層的總厚度來滿足特種金屬切削的要求,尤其是Al2O3涂層可提供包括高的抗擴散性磨損、優良的抗氧化性和高的熱硬度等極好的高溫性能,所以在鑄鐵及鋼等材料高速加工獲得廣泛應用。
山高在車削領域推出了可用于高速加工的TPX000系列與TKX000系列材質等級。TP1000在加工鋼件時推薦切削速度(建議的進給量f=0.2mm/r)達到630m/min;TK1000在加工鋼件與鑄鐵的推薦切削速度(建議的進給量f=0.2mm/r)分別達到625m/min與550m/min,超過高速切削該類工件材料的下限500m/min。在模具加工里,山高Jabro刀具公司推出的Tornado系列是針對高速加工特別開發的一個完整系列的整體硬質合金立銑刀。Jabro的金剛石涂層立銑刀系列針對高速切削石墨材料。JH410系列單刃立銑刀適用于高速銑削鋁合金,金屬切除率高達6800cm3/min。在材質為鋁合金的飛機框架零件的高速銑削加工中,使用JH410 φ17加工,在轉速25000r/min、進給量fz=1.2mm (進給速度F=30m/min)的情況下,切削深度可達16mm,切削寬度17mm,金屬切除率6800cm3/min。
圖3 高進給銑刀R217/220.21
高速切削刀刃形狀
刀具切削刃形狀正向著高剛性、復合化、多刃化等方向發展。高速切削不同材料時的幾何參數對加工質量、刀具耐用度有很大的影響。一般前角比傳統加工方法小10,后角約大5~8。為防止刀尖處的熱磨損,主、副切削刃連接處應圓弧過渡,提高刀具剛性與減少刀刃磨損的概率。
山高刀具的高進給車刀與高進給銑刀都采用了適應高速切削的刀刃形狀。例如,外圓車削:使用改進的DSKNR/L刀桿(主偏角15),刀片型號為SNMM190616/24W-R7(圖2),進給量最大值2.5mm/r,切削深度最大值2.5mm。端面車削:使用標準的DSKNR/L刀桿(主偏角75),刀片型號為SNMM190616/24W-R7,進給量最大值1.5mm/r,切削深度最大值12mm。
在銑削應用里,山高擁有高進給銑刀R217/220.21(圖3),刀片采用型號為218.19的凸三角形刀片,最大進給量為3.0mm/z。另外,享有盛譽的小魔王銑刀也推出了適用于高進給銑削的刀片,標準的平面銑刀也可安裝適用于高進給銑削的刀夾。
圖4 D型精密彈簧夾頭刀柄
高速切削刀柄系統與動平衡技術
高速切削條件下刀具與機床的連接必須可靠,刀具系統應該有足夠的整體剛性。傳統的7: 24錐度的單面夾緊刀具系統不適用于高速加工,目前比較成熟的產品為1:10中空短錐刀柄系統(HSK)。山高刀具公司主要供應HSK A型與E型刀柄,適用于裝夾平面銑刀、方肩銑刀與小直徑整體硬質合金銑刀。D型精密彈簧夾頭刀柄的最高轉速為100000r/min。HSK-A63型液壓刀柄的轉速上限為40000r/min,3倍刀具直徑處的徑向跳動量為3μm(圖4)。
在平衡刀具之前,需要測量不平衡量的大小和每個選擇的校正平面的角度位置。理論上,完美的平衡在平衡刀具時是可以獲得的。在現實應用里,因為成本的考慮和刀具的限制,完美的平衡僅在十分幸運時達到。因此,精度等級必須設置成允許一定量的把有害影響控制在一個可接受水平的殘余不平衡。正確平衡的刀具能顯著減輕噪聲和振動,這使得刀具壽命增加而且零件精度一致性更好。山高EPB的Libraflex系列精鏜刀自帶動平衡調節環,徑向調節型式的精鏜刀的最高切削速度為1500m/min,軸向調節型式的精鏜刀的最高轉速為20000r/min。