高速切削加工的幾個主要問題.doc

高速切削加工的幾個主要問題什么高速切削？關(guān)于高速切削還有許多問題和一些互相矛盾的定義。在下面將提及這些問題，并用有助于消除圍繞高速切削謎團的方法進行討論。歷史背景 術(shù)語高速切削(HSM)一般是指在高轉(zhuǎn)速和高表面進給下的立銑。例如，以很高的金屬去除率對鋁合金飛機翼架的凹處進行切削。在過去的60年中，高速切削已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬與非金屬材料，包括有特定表面形狀要求的零件生產(chǎn)和硬度高于或等于50 HRC的材料切削。對于大部分淬火到約為32-42 HRC的鋼零件，當前的切削選項包括： 在軟(退火)工況下材料的粗加工和半精加工切削 達到最終硬度= 63 HRC要求的熱處理 模具的某些零件的電極加工和放電加工(EDM)(特別是金切削刀具難于接近的小半徑深凹穴) 用適合的硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、整體硬質(zhì)合金、混合的陶瓷或多晶立方氮化硼(PCBN)刀具進行的圓柱/平/凹穴表面的精加工和超精加工 對于許多零件，生產(chǎn)過程牽涉到這些選項的組合，在模具制造案例中，它還包括費時的精加工。結(jié)果導(dǎo)致生產(chǎn)成本高和準備時間長。 在模具制造業(yè)中典型的是僅生產(chǎn)一個或幾個同一產(chǎn)品。生產(chǎn)過程中產(chǎn)品不斷改變，由于產(chǎn)品改變，需要進行測量與反向設(shè)計。 主要標準是模具的尺寸和表面粗糙度方面的質(zhì)量水平。如果加工后的質(zhì)量水平低，不能滿足要求，就需手工精加工。手工精加工可產(chǎn)生令人滿意的表面粗糙度，但是對尺寸和槽形的精度總是產(chǎn)生不好的影響。 這種模具制造業(yè)的主要難題之一已獲解決，但現(xiàn)在仍然需要減少或免除手動拋光，從而提高質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和縮短準備時間。 高速切削發(fā)展的主要經(jīng)濟和技術(shù)因素 生存 市場上日益激烈的競爭導(dǎo)致不斷設(shè)置新的標準。對時間和成本效率的要求越來越高。這就迫使新工藝和生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展。高速切削提供了希望和解決方案 材料 新的更難加工的材料已經(jīng)強調(diào)了發(fā)現(xiàn)新的切削解決方案的必要性。航空航天業(yè)的心臟是用耐熱合金鋼和不銹鋼制造的。汽車工業(yè)使用了不同的雙金屬材料、小石墨鑄鐵(Compact Graphite Iron)，并增加了鋁的用量。模具制造業(yè)必須面對切削高硬度的淬火鋼的問題，從粗加工到精加工。 質(zhì)量 對質(zhì)量的高要求是空前激烈的競爭所導(dǎo)致的結(jié)果。 高速切削如果使用得正確，可以在這個領(lǐng)域提供一些解決方案。 替代手工精加工是一個例子，這對有復(fù)雜3D槽形的模具尤為重要。 工藝 對加工時間更短的要求 只需很少幾次裝卡和簡化的物流(后勤)的要求在大部分情況下可由高速切削解決。模具制造業(yè)內(nèi)的一個典型要求是在一次裝卡中完成所有完全淬火小零件的切削。使用高速切削，可以減少和免除費時費錢的EDM(放電加工)加工。 設(shè)計與發(fā)展 今日競爭中的主要方法之一是銷售新奇的產(chǎn)品?，F(xiàn)在小汽車的平均生命周期是4年，計算機和配件1年半，手機3個月這種快速的改變式樣和快速的開發(fā)產(chǎn)品的發(fā)展的先決條件是高速切削技術(shù)。 復(fù)雜產(chǎn)品 零件多功能表面增加了，例如新設(shè)計的渦輪機葉片有新的和優(yōu)化的特性與功能。早期的設(shè)計允許用手工或機器人(機械手)來拋光。有新的、復(fù)雜的形狀的渦輪機葉片必須通過切屑來拋光，最好是用高速切削拋光。有越來越多的薄壁工件必須用切削進行精加工的例子(醫(yī)療設(shè)備、電子、國防產(chǎn)品、計算機零件)。 產(chǎn)品設(shè)備 切削材料、刀柄、機床、控制件，特別是CAD/CAM特性與設(shè)備的巨大發(fā)展就可能滿足一些要求，這些要求是新的生產(chǎn)方法和技術(shù)提出的，是必須滿足的。 高速切削的原始定義 1931年，德國一個專利中的Salomons理論講到：“以某一高切削速度(比常規(guī)切削高510倍)進行切削，在切削刃上去除切屑的溫度開始降低 由以上得出結(jié)論：“似乎有用常規(guī)刀具以高切屑速度提高生產(chǎn)率的機會?！?不幸的是，現(xiàn)代研究已經(jīng)能全面驗證這個理論。對于不同的材料，從某一切削速度開始切削刃上的溫度有相對降低。對于鋼和鑄鐵來說，這種溫度相對降低不大。但是，但是對鋁和其它非金屬則是大的。高速切削的定義必須依據(jù)其它因素。 今日的高速切削的定義是什么？ 對于高速切削的討論在一定程度上是混亂的。關(guān)于高速切削的定義，存在許多觀點、許多謎團和許多方法和許多方法。讓我們看一下這些定義中的幾個： 在下面的討論影響高速切削過程的參數(shù)。從實用的觀點描述高速切削非常重要，這也可為高速切削的應(yīng)用提供許多實用準則。 實際切削速度 因為切削速度取決于主軸轉(zhuǎn)速和刀具的直徑，高速切削應(yīng)定義為“實際切削速度”高于一定水平 切削速度和常規(guī)切削的切削速度之間的線性關(guān)系。 例外是，當在鋁和其它有色金屬中切削和所有材料的精加工和超精加工工序時，在淬硬工具鋼中的高速切削特性。 Vf=fznz 淺深度切削 非常必要的和典型的高速切削應(yīng)用是切削深度ae(徑向切削深度)和ap(軸向切削深度)和平均切屑厚度hm與常規(guī)切削相比小得多的切削。因而金屬去除率Q遠比常規(guī)的小。例外是，在鋁和其它有色金屬中切削和所有材料的精加工和超精加工工序。 Q= apaeVf cm³/min 1000 在淬硬工具鋼中的高速切削特性 在模具制造業(yè)，最大的經(jīng)濟工件尺寸約為 400400150 (長寬高)。最大尺寸與高速切削中相對低的材料去除率有關(guān)。當然也與機床的動力特性和大小有關(guān)。如前面所述，大部分模具在完全的切削(單次裝卡)中尺寸相當小。進行的典型工序為粗加工、半精加工、精加工和許多情況下的超精加工。圓角和圓弧的銑削總是要為后面工序的刀具留下一定的余量。在許多情況下，要使用3-4種刀具。 通常直徑范圍為1-20 mm。在80到90%情況下，切削材料是整體硬質(zhì)合金立銑刀或球頭立銑刀。常常使用有大圓角的立銑刀。整體硬質(zhì)合金刀具的切削刃加強了，前角為零或負(主要用于硬度在54 HRC以上的材料)。一個典型的和重要的設(shè)計特點是為了得到最大彎曲強度而加厚了芯。 使用有短切削刃和接觸長度的球頭立銑刀是有利的。另一個重要的設(shè)計特點是掏槽能力，當沿陡壁切削時，這必需的。也可以使用帶可轉(zhuǎn)位刀片的尺寸較小的切削刀具。特別是用于粗加工和半精加工。這些刀具應(yīng)有很大的刀柄穩(wěn)定性和彎曲剛度。錐度刀柄提高了剛度，重金屬制成的刀柄也提高了剛度。 模具的槽形應(yīng)當是淺的，不能太復(fù)雜。一些槽形也適合使用具有高生產(chǎn)率的高速切削。 使輪廓切削刀具的路徑與順銑結(jié)合得越好，切削效果越好。 一個精加工或半精加工時應(yīng)遵循的原則是采取淺深度切削。切削深度應(yīng)不超過0.2/0.2 mm(ae/ap)。這是為了避免刀柄/切削刀具產(chǎn)生過大的彎曲，以保持模具的小公差和槽形精度。每個刀具均勻分布的余量也是保證恒定的個高的生產(chǎn)率的條件。當ae/ap恒定時，切削速度和進給率應(yīng)總是保持在高的水平上。這樣，機械變化和切削刃上的負載會較小，刀具壽命也提高了。 切削參數(shù) TiC,N或TiAlN涂層的整體硬質(zhì)合金立銑刀在淬硬鋼(HRC 54-58)上的典型切削參數(shù)：(HRC 54-58) 粗加工 實際切削速度vc：100 m/min，ap(軸向切削速度)：刀具直徑的6-8%，ae(徑向切削深度)：刀具直徑的35-40%，fz(進給量每齒)：0.05-0.1mm/齒 半精加工 實際切削速度vc：150-200 m/min，ap(軸向切削速度)：刀具直徑的3-4%，ae(徑向切削深度)：刀具直徑的20-40%，fz(進給量每齒)：0.05-,15 mm/齒 精加工和超精加工 實際切削速度vc： 200-250 m/min，ap(軸向切削速度)： 0.1-0.2 mm, ae(徑向切削深度)： 0.1-0.2 mm, fz(每齒進給量)： 0.02-0.2 mm/齒 當然，這些值與外桿、懸伸、應(yīng)用的穩(wěn)定性、刀具直徑、材料硬度等有關(guān)。這些值僅是典型值和具體的某一應(yīng)用的值。在對高速切削的討論中，有時可以看到提到的切削速度值是極高和不現(xiàn)實的。 推薦使用有壓縮空氣或高壓油霧的干銑削 高速切削的實用定義 HSM不是簡單意義上的高速切削速度。 它應(yīng)當被認為是用特定方法和生產(chǎn)設(shè)備進行加工的工藝。 高速切削無需高轉(zhuǎn)速主軸切削。許多高速切削應(yīng)用是以中等轉(zhuǎn)速主軸并采用大尺寸刀具進行的。如果在高切削速度和高進給條件下對淬硬鋼進行精加工，切削參數(shù)可為常規(guī)的4到6倍。 在這些情況中，切削速度vc可能是用刀具的名義直徑計算的，而不是用切削的有效直徑。例如： 90角的立銑刀，直徑6 mm。實際切削速度為250 m/min時的主軸轉(zhuǎn)速 = 13 262 r/min。 球頭立銑刀，名義直徑為6 mm，軸向切削深度ap為0.2 mm時有效切削直徑為 2.15 mm。實際切削速度為250 m/min時的主軸轉(zhuǎn)速 = 36 942 r/min。 在小尺寸零件的粗加工到精加工、精加工及任何尺寸零件的超精加工中，HSM意味著高生產(chǎn)率切削。 零件形狀變得越來越復(fù)雜，高速切削也就顯得越來越重要。 現(xiàn)在，高速切削主要應(yīng)用于錐度40的機床上。 精密外罩的成形工藝和模具結(jié)構(gòu)分析1引言零件是某型號儀表外罩，其材料為鐵鎳合金1J50。在型號生產(chǎn)中，該外罩件制造一直是使用棒料車加工成形，原材料浪費大，生產(chǎn)效率低，經(jīng)濟成本高。大批量生產(chǎn)要求使用模具引伸成形后再車加工成形，以提高生產(chǎn)效率，降低成本。該外罩零件采用厚1.5-0.11mm板料沖壓制造的工藝流程是:落料-引伸成形-車切止口。其中的引伸成形在研制試模中，容易發(fā)生底部破裂，表面劃傷嚴重，內(nèi)外圓的尺寸誤差大、圓度低，后續(xù)車加工止口困難。針對性地從引伸工藝和模具結(jié)構(gòu)兩方面進行分析、準確計算、改進是保證精密外罩件引伸成功的關(guān)鍵。2引伸工藝分析2.1外罩的工藝性分析杯形外罩件，筒壁厚1mm，底部圓角半徑R3，圓筒內(nèi)外圓的直徑公差分別是ITI2、ITI0級，均高于ITl3級(引伸件橫斷尺寸公差，一般都在ITI3級以下)，內(nèi)外圓的形狀誤差是由尺寸公差控制的，分別是10級、8級(GB1184-80)的車加工要求；口部車加工止口,尺寸精度高、車加工余量?。粌?nèi)外圓的表面粗糙值低，質(zhì)量要求高。精車加工要求的外罩件尺寸精度高，表面質(zhì)量要求高，引伸成形的難度大，需要進行準確的工藝計算，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計；內(nèi)外圓的尺寸公差難以保證，需要后續(xù)工序整修。2.2外罩件的材料分析外罩件材料為1J50的鐵鎳軟磁合金，主要合金元素鎳含量為50%，由于鎳元素的導(dǎo)熱性差、親合性強，導(dǎo)致該合金材料在引伸過程中產(chǎn)生熱積瘤粘模而劃傷零件表面。在冷硬態(tài)和軟態(tài)的力學性能相差較大，冷硬態(tài)的屈強比值(0.875)大，延伸性能差；在軟態(tài)下的屈強比值(0.326)小，延伸性能好。實踐表明該材料極易產(chǎn)生冷作硬化，冷硬狀態(tài)下拉伸成形是造成底部破裂的主要原因。因此，首次引伸前就應(yīng)對毛坯件進行軟化熱處理，提高材料的塑性，同時采用良好的潤滑措施，減小引伸過程中的摩擦，克服粘模和底破裂的現(xiàn)象。2.3；引伸件毛坯尺寸的確定查表確定該外罩引伸件的修邊余量為=2mm，并將其劃分為圖2所示的3個簡單幾何形狀，按“毛坯面積等于工件面積”的原則計算外罩引伸件的毛坯直徑。既按下列公式計算式中D為毛坯直徑，mmF為包括修邊余量在內(nèi)的引伸件的表面積，mm；f為引伸件各部分表面積的代數(shù)和，即。由于外罩件的引伸成形難度大，精密引伸的毛坯尺寸公差需要嚴格控制在士0.03mm內(nèi)，因此，該外罩引伸件的毛坯直徑確定為。2.4引伸次數(shù)的確定；厚1.5；mm，直徑102.3mm的1J50毛坯，在軟狀態(tài)下，使用壓邊圈引伸，由其相對厚度t/D100；1.5/102.3100=1.46，查表得到圓筒形零件的極限引伸系數(shù)為M=0.50，據(jù)此計算得到首次引伸的最小直徑d1:2.5引伸模間隙的確定；使用有壓邊圈的引伸模具，由凸、凹模的小間隙來控制引伸件的尺寸、形狀精度，凸、凹模的單邊間隙Z/2值按精密引伸要求Z/2-(0.9-0.95)t計算取值為1.425mm。該外罩引伸模的引伸間隙確定為Z=2.85mm，并以凹模為基準件，間隙由減小凸模獲得。2.6凸、凹模的工作尺寸的計算；外罩的外圓尺寸55h10，據(jù)此計算凹模、凸模工作部分的橫向尺寸:式中為凹?；境叽?，mm；為凸?；境叽?，mm；為外罩的外圓最大尺寸，即=55mm；為外罩的外圓直徑公差，即=0.12mm；,為凹模、凸模的制造以差，分別按IT7、IT6Z為凸、凹模雙面間隙，即Z=2.85mm。按上述公式計算并確定為2.7；減小摩擦的措施；引伸件的毛坯雖然經(jīng)過了軟化熱處理，引伸性能得到了提高，但為了確保外罩零件的引伸，還需要進一步地減小引伸過程中的摩擦。為此，首先改進了壓邊圈的結(jié)構(gòu)，如圖3所示，圓環(huán)定位能保證毛坯件與凸模的同軸度要求，圓環(huán)的深度,；稍大于材料厚度，既能防止凸緣的起當，又不會產(chǎn)生過大的壓邊力；選用Tl0A材料制做定位壓邊圈，并經(jīng)淬火熱處理，定位面的粗糙度同凹模工作表面的粗造度一樣，要求，有效地降低了引伸中的摩擦系數(shù)。；由于1J50材料的鎳含量較高，在引伸過程中，鎳金屬容易產(chǎn)生粘模，使引伸件表面劃傷。普通油潤滑不能有效解決，在實踐中參考鎳冷擠壓的過程機理，配制含有氯化石臘的專用潤滑劑進行引伸潤滑，且要求先對軟化熱處理的毛坯進行表面拋光、去銳邊和毛刺，作到表面光潔、干凈，再在兩面涂抹專用潤滑劑。；3；外罩引伸模具設(shè)計；3.1模具結(jié)構(gòu)；引伸模倒裝結(jié)構(gòu)是由打桿組件、凹模、定位壓邊圈、凸模、底座、卸料螺釘?shù)冉M成的倒裝結(jié)構(gòu)。倒裝結(jié)構(gòu)在單動壓力機上使用，且有引伸高度大，壓邊力可通過反頂機構(gòu)隨意調(diào)整達到引伸成型要求，十分有利于精密引伸成形；上下模間隙調(diào)整是用毛坯件的料條引導(dǎo)凸模對中凹模保證的，方便可靠。；4.結(jié)束語詳細地分析、計算，總結(jié)以往的經(jīng)驗，改進外罩件的引伸工藝和模具結(jié)構(gòu)，成功地解決了引伸件在引伸過程中發(fā)生底破裂的現(xiàn)象，引伸件的尺寸精度和表面質(zhì)量均有提高，達到了預(yù)期的要求。外罩件采用板料引伸后加工成形，比用棒料車加工成形節(jié)省原材料80%，成本降低60%，且較大程度地提高了外罩件的生產(chǎn)效率。；模具制造的表面工程技術(shù)介紹模具材料是模具工業(yè)的基礎(chǔ)，但即使是新型模具材料仍難以滿足模具的較高綜合性能的要求，采用表面工程技術(shù)可在一定程度上彌補模具材料的不足?？捎糜谀＞咧圃斓谋砻婀こ碳夹g(shù)十分廣泛，既包括傳統(tǒng)的表面淬火技術(shù)、熱擴滲技術(shù)、堆焊技術(shù)和電鍍硬鉻技術(shù)，又包括近20年來迅速發(fā)展起來的激光表面強化技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)、化學氣相沉積技術(shù)、離子注入技術(shù)、熱噴涂技術(shù)、熱噴焊技術(shù)、復(fù)合電鍍技術(shù)、復(fù)合電刷鍍技術(shù)和化學鍍技術(shù)等。而稀土表面工程技術(shù)和納米表面工程技術(shù)的進展必將進一步推動模具制造的表面工程技術(shù)的發(fā)展。在此僅介紹稀土表面工程技術(shù)和納米表面工程技術(shù)。1、稀土表面工程技術(shù) 表面工程技術(shù)中加入稀土元素通常采用化學熱處理、噴涂噴焊、氣相沉積、激光涂覆、電沉積等方法。(1)稀土元素對化學熱處理的影響主要表現(xiàn)為有顯著的催滲作用，大大優(yōu)化工藝過程；加入少量稀土化合物，滲層深度可以明顯增加，改善滲層組織和性能。從而提高模具型腔表面的耐磨性、抗高溫氧化性的抗沖擊磨損性。(2)利用熱噴涂和噴焊技術(shù)，將稀土元素加入涂層，可取得良好的組織與性能，使模型腔表面具有更高的硬度和耐磨性。(3)物理氣相沉積膜層性能的優(yōu)劣和膜與基體結(jié)合強度大小密切相關(guān)，稀土元素的加入有利于改善膜與基體的結(jié)合強度，膜層表面致密度明顯增大。同時，加入稀土元素可以使膜層耐磨性能也得到明顯改善，例如應(yīng)用于模具表現(xiàn)的超硬TiN膜(加入稀土元素)，使模具型腔表面呈現(xiàn)出高硬度、低摩擦系數(shù)和良好的化學穩(wěn)定性，提高了模具的使用壽命。(4)含稀土化合物的涂覆層，可大幅度提高模具金屬材料表面對激光輻照能量的吸收率，對降低能耗和生產(chǎn)成本，以及推廣激光表面工程技術(shù)都有重要意義。稀土涂覆層經(jīng)激光處理后，組織和性能發(fā)生明顯改善，涂覆層的硬度和耐磨性顯著提高，耐磨性是45鋼調(diào)質(zhì)的56倍。對加入CeO2的熱噴涂層進行激光重溶，研究發(fā)現(xiàn)合金化層的顯微組織明顯改變，晶粒得到細化。激光重熔加入稀土后的噴焊合金，稀土化合物質(zhì)點在其中彌散強化，降低晶界能量，提高晶界的抗腐蝕性能，模具型腔表面的耐磨性也大大增強，有的文獻報道稀土元素提高了耐磨性達14倍。另外，有研究發(fā)現(xiàn)，加入混合稀土化合物的效果優(yōu)于單一稀土化合物。(5)把稀土元素加入鍍層可采用電刷鍍、電鍍等電沉積方法。稀土甘氮酸配合物的加入使鍍層防氧鈍化壽命明顯提高；稀土元素有催化還原SO2的作用，可以抑制Ni-Cu-P/MoS2電刷鍍鍍層中MoS2的氧化，明顯改善了鍍層的減摩性能，提高了抗腐蝕的能力，使模具型腔表面的耐磨壽命延長近5倍。2、納米表面工程技術(shù)納米表面工程是以納米材料和其它低維非平衡材料為基礎(chǔ)，通過特定的加工技術(shù)、加工手段，對固體表面進行強化、改性、超精細加工，或賦予表面新功能的系統(tǒng)工程。納米表面工程技術(shù)是極具應(yīng)用前景和市場潛力的。(1)制作納米復(fù)合鍍層。在傳統(tǒng)的電鍍液中加入零維或一維納米質(zhì)點粉體材料可形成納米復(fù)合鍍層。用于模具的Cr-DNP納米復(fù)合鍍層，可使模具壽命延長、精度持久不變，長時間使用鍍層光滑無裂紋。納米材料還可用于耐高溫的耐磨復(fù)合鍍層。如將n-ZrO2納米粉體材料加入Ni-W-B非晶態(tài)復(fù)合鍍層，可提高鍍層在550-850的高溫抗氧化性能使鍍層的耐蝕性提高23倍，耐磨性和硬度也都明顯提高。采用Co-DNP納米復(fù)合鍍層，在500以上，與Ni基、Cr基Co基復(fù)合鍍層相比，工件表面的高溫耐磨性能大為提高。在傳統(tǒng)的電刷鍍?nèi)芤褐?，加入納米粉體材料，也可制備出性能優(yōu)異的納米復(fù)合鍍層。(2)制作納米結(jié)構(gòu)涂層。熱噴涂技術(shù)是制作納米結(jié)構(gòu)涂層的一種極有競爭力的方法。與其它技術(shù)相比，它有許多優(yōu)越性：工藝簡單、涂層和基體選擇范圍廣，涂層厚度變化范圍大、沉積速率快，以及容易形成復(fù)合涂層等等。與傳統(tǒng)熱噴涂涂層相比，納米結(jié)構(gòu)涂層在強度、韌性、抗蝕、耐磨、熱障、抗熱疲勞等方面都有顯著改善，且一種涂層可同時具有上述多種性能。淺談常用機床的主要用途常用機床的主要用途 車床: 主要用于加工各種回轉(zhuǎn)表面和回轉(zhuǎn)體的端面。如車削內(nèi)外