高速切削中的刀具选择和切削技术的研究.pdf

摘要 摘要 高速加工正逐渐成为主流的加工技术 高速加工中的刀具的选择 切削工艺参数和 切削技术策略的确定是高速切削工艺中的重要内容 它不仅影响着零件的加工效率 而 且直接影响着零件的加工质量 高速切削中的两个关键问题是高速加工刀具的选择和刀路轨迹的设置问题 高速加 工中的刀具的选用和切削参数的设置目前还没有固定模式 目前也没有面向生产实用的 数据库可以参考 为此本课题主要研究高速切削中刀具的选择 高速加工中切削参数的 确定以及在 C A M系统中的高速切削工艺的技术策略 即高速切削刀具选择和高速切削工 艺技术 通过对刀具切削性能的研究 得知不同的工件材料和工件特征应选用不同性能 的刀具材料和类型 高速切削的工艺参数也有其特有的要求 在选用刀具时应保证刀具 和工件材料的切削适用性 才能保证切削的效率和加工质量 通过对高速切削特殊刀路 要求的研究 得知在 C A M系统中 进行高速切削编程时要严格设置刀路轨迹 才能保证程 序的可靠性与正确性 刀路轨迹完成后要经过反复的验证与修改以防止零件的过切甚至 是其他严重问 题 最后完成了高速加工中刀具选择和切削工艺参数的程序开发 结合 C A M 软件 U G 完成了高速切削的工艺技术研究和在 V E R I C U T和 U G环境下的加工仿真的研 究 关键词高速加工 加工策略 刀路轨迹 加工仿真 江南大学硕士学位论文 A b s t r a c t H i g h s p e e d m a n u f a c t u r i n g i s g r a d u a l b e c o m i n g t h e m a i n c u t t i n g t e c h n o l o g y h o w t o s e l e c t t h e t o o l a n d c o n f i r m t h e p r o c e s s p a r a m e t e r a n d c u t t i n g t e c h n o l o g y s t r a t e g y a r e t h e v e r y i m p o r t a n t i n t h e h i g h s p e e d m a n u f a c t u r i n g T h e s e n o t o n l y a f f e c t t h e t o o l i n g e f f i c i e n c y b u t a l s o a f f e c t t h e t o o l i n g q u a l i t y T h e r e h a s n o t i n v a r i a b l e s e t t i n g m o d e o f s e l e c t i n g t o o l a n d c u t t i n g p r o c e s s p a r a m e t e r i n h i g h s p e e d m a n u f a c t u r i n g a n d t h e r e h a s n o t p r a c t i c e d a t a b a s e w h i c h f a c e t o t o o l i n g t o r e f e r e n c e e i t h e r S o m y r e s e a r c h f i e l d s m a i n l y f o c u s o n s e l e c t i n g t o o l a n d m a k i n g c e r t a i n t h e p r o c e s s p a r a m e t e r s a n d u s i n g t h e t e c h n o l o g y s t r a t e g y o f c u t t i n g p a t h i n C A M s y s t e m i n o t h e r w o r d s w h a t m y r e s e a r c h w o r k a r e t h e s e l e c t i n g t o o l a n d p r o c e s s t e c h n o l o g y i n h i g h s p e e d m a n u f a c t u r i n g T h r o u g h r e s e a r c h i n g t h e c u t t i n g p e r f o r m a n c e o f t o o l I d r a w t h e c o n c l u s i o n t h a t d i f f e r e n t p a r t m a t e r i a l a n d f e a t u r e a r e m a t c h e d d i f f e r e n t t o o l m a t e r i a l a n d t y p e a n d t h e t o o l i n g p a r a m e t e r s h a v e a l s o s p e c i a l r e q u e s t a c c o r d i n g t o h i g h s p e e d c u t t i n g s p e c i a l t o o l p a t h r e q u e s t t h e t o o l p a t h s h o u l d a l s o b e s e t s t r i c t l y i n h i g h s p e e d m a n u f a c t u r i n g T h e r e f o r e I h a v e a c h i e v e d p r o g r a m o f t h e t o o l s e l e c t e d a n d c u t t i n g p r o c e s s p a r a m e t e r t e c h n o l o g y i n h i g h s p e e d m a n u f a c t u r i n g a n d p e r f o r m e d t h e t o o l p a t h s c u t t i n g s t r a t e g y a n d c u t t i n g s i m u l a t i o n i n t e g r a t e d w i t h U G C A M s y s t e m K e y w o r d s h i g h s p e e d c u t t i n g t o o l p a t h c u t t i n g p a r a m e t e r s c u t t i n g s i m u l a t i o n 一1 1 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的 研究成果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地 方外 论文中不包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果 也不包含 本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料 与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示谢意 签 名 血 1丛 一 日 期 0l 年 一 月 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了 解江南大学有关保留 使用学位论文的规 定 江南大学有权保留并向国家有关部门 或机构送交论文的 复印件和 磁盘 允许论文被查阅和借阅 可以 将学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索 可以 采用影印 缩印 或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 并且本人电 子文档的内 容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签 名 斗 敏 导 师 签 名 A lldll 4 日 期 叔 注 加 7 年 多 月 6日 第一章 绪论 第一章 绪 论 1 1 课题研究目的和意义 机械制造的发展趋势是高效率 高精度 高柔性和绿色化 切削加工的发展方向是 高 速切削 加 工 在发达国家 它正成为 切削加工的 主流 1 1高速切削 技术是切 削技术的 重 要发展方向 之一 从现代科学技术的角度去确切定义高速切削 目 前还没有取得一致 因为它是一个相对概念 不同的加工方式 不同的切削材料有着不同的高速切削速度和 加工参数 这里包含了 高速软 切削 高 速硬切削 高 速湿切削和高 速 干切削等 12 1 高速切削必将成为零件切削加工的主流技术 目前高速加工技术在汽车行业 航空 航天 模具 家电 行 业逐渐被国内外企业广泛使 用 3 1 我国 是制造大国 随 着以 U G C I M O T R A N M A S T E R C A M P O WE R M I L L等为 主的 优秀C A M软 件 加上 技术成熟的 C N C机床和加工中心正逐渐被国内企业广泛使用 根据被加工材料选择合适的加工刀具 和切削工艺技术 不同材料最佳切削速度不同 工件材料还是选择刀具及加工参数的重 要依据 一般在高速加工中 宜采用高转速 中小切深 快进给 多行程 但是在高速 加工的工艺 参数选 择方面 目 前没有面向 生 产实用的数据库可以 参考 4 1 b 1 国内 外在 这方 面的研究内容有各种材料高速切削过程中切屑形成机理 刀具材料及切削参数优化 面 向高速切削过程的 C A D C A M 系统开发 刀夹系统安全性设计 刀具结构设计及动平 衡 少量气束喷雾冷却技术等 而对于高速切削中的刀具选择和基于C A M环境的切削技 术研究较少 1 2 应用概述 刀具的选择和切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容 它不仅影响数控机床 的加工效率 而且直接影响加工质量 现有的 C A M软件 如 D E L C A M的 P o w e r M I L L M a s t e r C A M U G S 的U n i g r a p h i c s N X D a s s u a l t 的C A T I A C i m a t r o n E 等都提供T 相关功 能的高速铣削刀具轨迹策略 目 前C A M 软件系统在功能实现上一般都分为两个步骤 山首先根据所加工零件的结构特征 结合工艺决策 包括刀具选择 进给量等工艺 参数的决定 生成描述加工过程的刀具轨迹信息文件 这一过程被称为前置处理 必然后是根据刀轨迹信息及特定机床的性能参数要求和该机床所配置的数控系统的 特性要求生成针对该数控设备的数控加工代码 这一过程为后置处理 需要时可以 验证 刀具路径轨迹和加工防真优化程序 经过相应的后处理程序就可以生成 N C程序并传输至 数控机床完成加工 以U G C A M 环境为例 数控编程过程 如图 1 江南大学硕士学位论文 选择 建立I 修改加工 对象父节点 四个 程序几何体刀具 方法 创建操作卜一 1 生成刀轨刀软仿真 后处理 车间工艺文件 数控程序 N C代码 图1 1 U C r C A M 中的编程过程 因此 数控加工中的刀具选择和切削用量确定等是在人机交互状态下完成的 这与 普通机床加工形成鲜明的对比 同时也必须掌握刀具选择和切削用量确定的基本原则 在编程时充分 考虑数控加工的特点 才能更 好的发挥各方面的 优势回 本 论 文就对高 速加 工中必须面对的刀具选择和切削技术等问题进行研究 1 3 国内外研究应用情况 近几年来 在美国 德国 日 本等工业发达国家高速切削加工技术在大部分的模具 公司都得到了广泛应用 8 5 左右的模具电火花成形加工工序已被高速加工所替代 高速 加工技术集高效 优质 低耗于一身 已 成为国际模具制造工艺中的主流 7J 高速切削加工技术在国内外汽车 模具制造行业得到了广泛的应用 并且己 取得了 巨大的效益 但是高速切削加工的机理和相关理论至今仍不完善 针对模具的高速切削 数据库尚未建立 国内外企业选择高速切削刀具参数和高速切削加工参数的方式仍以传 统的 试切 法和 经验 法为主 在加工某一新型材料时 往往需要使用多种刀具进 行重复切削试验 研究分析刀具的磨损 破损方式及其原因 从中找出一组最佳的刀具 材料和加工参数 如此反复多次 盲目性大 并且浪费大量的人力 财力和资源 而针 对特种材料如合金铸铁 高强度合金钢 超级合金 如钦合金 等材料的高 速切削加工 如何根据材料特性选择合适的切削刀具 如何设计合理的切削参数 目 前仍在研究和发 展中 网 关于高速切削数据库的建立和使用 国内外至今很少有关的文献报道 这主要是因 为高 速切削加工技术起步晚 目 前可用于生产的实用高速切削数据还十分缺乏 刃 1 4高速加工的关键技术及主要研究的内容 2 第一章 绪论 高速切削是一项系统的科学技术 其关键技术包括 1 4 1 高速切削机床技术 具有高主轴转速 高动态的进给驱动 大的功率 主轴和床身 良 好的刚性 优良的吸振特性和隔热性能 快速的C N C 控制性能 可靠的安全防护等 等 1 4 2 高速切削刀具技术 具有良 好的耐磨性和高的强度韧性的先进刀具材料 优良 的刀 具涂层技术 合理的几何结构参数 高度动平衡的刀具系统 安全可靠的夹紧方式 高 同 心度的刀刃精度质量等等 1 4 3 高速切削工艺技术 高速切削工艺技术包括优化的高速加工参数 合适高速切削的 加工走刀方式 专门的C A D C A M 编程策略 充分冷却润滑并具有环保特性的冷却方式等 等 由 此可见 高速切削是一项综合技术 必须根据产品的材料和结构特点 选择合适 的 切削刀具 采用最佳的 切削工艺 以 达到理想的高速加工效果 11 0 1 本课题主要研究高速切削中刀具的选择 高速加工中切削参数的确定以及在 C A M U G 环境 系统中的高速切削工艺的技术策略 即高速切削刀具选择和高速切削工艺技术 如图所示 图1 2高速加工的中关键技术 应用软件 C A T I A U G V E R I C U T V B 应用设备 高速C N C 机床 1 0 0 0 0 r m i n 江南大学硕士学位论文 第二章高速切削的概念和应用 2 1 引言 高速切削技术和干式切削技术是目 前绿色切削技术中的主要技术研究方向 高速切 削和干式切削技术的 有机结合 将获得生产效率高 加工质量好和无环境污染等多重利 益 i l l 根据研究理论被加工材料都有一 个临界 切削 速度 v o 在切削速度达到临 界速度之 前 切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大 当切削速度达到普通切削速度的 5 6 倍时 切削刃口的 温度开始随切削速度增大而降 低 刀具磨损随切削速度增大而减小 2 2 高速切削的概念 高速加工 H S M 通常指的是在合理的速度和较高的表面进给速度下进行的立铣加工 高速加工的基本出发点是高速低负荷状态下的切削可比低速高负荷状态下切削更快地切 除材料 低负荷切削意味着可减轻切削力 从而减少切削过程中的振动和变形 使用合 适的刀具 在高速状态下可切削高硬质的材料 同时 高速切削可使大部分的切削热通 过切屑带走 从而减少零件的热变形 上述这些优点仅在合适的 加工策略的情况下才能实现 高速加工并不是简单地使用 现有刀具路径 通过提高主轴转速和进给率实现 高速加工之所以令人注目 是因为它具有如下的优越性 以模具加工为例 过去一 般的是分为粗加工一半精加工一精加工一电火化加工一磨光加工等多 个加工工程 而采 用高速后 可以将这些加工集中为一个工程 而且由于加工精度的提高 磨光工程也可 也省去 区 圈 一 医 困 一 撇 电 加 工 日亘圣 匹 困 图2 1一般的铣削加工过程 图2 2高速铣削加工过程 图 1是一般的加工程序 在通常情况下 模腔完成粗加工后都需要使用铜工作精加 工 然后再打磨 铜工制作 电蚀及打磨抛光都是一些比 较费时的工序 图 2是使用高 速加工 H S M 的 加工 流程 省 去铜工制作及电 蚀过 程 大大 缩短模腔的生产过程 1 气 高速加工有利于提高生产率 高速切削的材料去除率通常是常规的 3 5倍 有利于 改 善加工 精 度 和表面 质 量 首 先a p 与a e 小 工 件 粗 糙度好 其次切 削 线速度高 机 床 激 振频率远高于工艺系统的固有频率 因而工艺系统振动很小 十分容易获得好的表面质 量减少切削产生的热量 有利于加工薄壁零件 汽车零部件行业采用高速切削后 更是取得了突飞猛进的成绩 南京汽车公司为此 已 采用 C B N立铣刀进行高速高精度加工 图 2 一 所示为南京汽车公司采用高速高精度加 工技术后 模具制作周期缩短的情况 第二章 高速切削的概念和应用 1口一必石健e尝书创公目日具撼职口琦 图2 3采用高速高精度加工缩短模具制作周期 2 3 干式切削 干式 半干式切削被称为新世纪的切削技术 目前 国际上流行的不使用切削液的 切削方法主要 有 完 全不使用切削液的 全 千式切削 高 速干式切削法 用气体混 合微量润滑剂代替切削液的 半干式切削 千式切削法 也叫高速千式切削法 1 3 1 使 用高强度刀具 小切深 大走刀 进行超高速切削加工 切削热 00 以上被切屑带走 通过切削工艺条件的改变来实现无切削液化加工 其效率高 成本低 而机床 刀具投 入的技术与成本很高干式切削工艺的成败 关键在于找到一种代替冷却和润滑的方法 目 前 比 较 成 功的 干 式 切削 法 有 两 种 高 速 干 式 切 削 和 低 温 冷 风切削 11 4 1 5 1 6 1 目前 干切削加工技术己广泛应用于铸铁 钢 铝 钦 镁等及其合金的切削加工 2 4 高速加工的应用 目前 适合高速切削的工件材料有铝合金 钦合金 铜合金 不锈钢 淬硬钢 石 墨和石英玻璃等 航空制造业 尤其是大型整体铝合金薄壁飞机结构件的加工 模具制 造业 汽车制造业等行业均己 积极采用高速切削加工技术 高速切削技术逐渐应用于加 工铸铁和硬铝合金 尤其是加工大型覆盖件冲压模 锻模 压铸模和注射模 目的是在 减少加工时间和研制时间的同时提高尺寸公差和表面一致性 现在 传统切削工艺能够 加工的工件材料高速切削几乎都能加工 而传统切削工艺很难加工的工件材料 如镍基合 金 钦合金 纤维增强塑料等 在高速切削条件下将变得易于切削 高速切削时对不同工 件材料要选用与其合理匹配的刀具材料和适应的加工方式等切削条件 才能获得最佳的 切削效果 目 前国际上高速切削加工技术主要应用于汽车工业 模具行业 航空航天行 业 尤其是在加工复杂曲面的 领域 工件本身或刀具系统刚性要求较高的加工领域 显 示了强大的功能 此外 在高速切 削 技术的 基础上 开发了 干切削 准千 切削 微量 润滑切削 硬切削 以车代磨 以铣代磨 等工艺 不仅提高了加工效率 改变了传统不同切削加工的界 s 江南大学硕士学位论文 嘎 而 亘 开仓 了 切 削 加工 绿 色制 造 的 新 时 代 1 8 11 9 2 5高速切削的主要问 题 1 合理加工参数的选择 高速切削作为一种新的切削方式 尚没有完整的加工参数表可供选择 也没有许多 加工实例可供参考 因此 如何选择合理的加工参数 达到最佳切削效果 是高速切削 应用中的一个首要问题 2 合适的刀具选择 刀具作为高速切削的切削工具 是高速切削推广应用中的一个关键问 题 传统铣削 中 切削速度不可能超 2 0 0 m m i n 因此 国内市场上要寻找一把切削速度超过5 0 0 m m i n 的铣刀是很困难的 更不要说切削速度超过1 0 0 0 m m i n 的铣刀了 如何开发出能满足高 速切削要求刀具 是国内众多刀具生产商面临的一个新挑战 3 大多数C A M 软件 没有考虑到高速切削问题 由于高速切削是一种新的加工理念 所以 在众多的 C A M软件中 都没有考虑到高 速切削问题 例如 高速切削加工复杂轮廓时 要求保持一种有规律的匀速 不允许有 明显的滞后现象 否则将会烧坏刀具 而一般 C A M软件处理轮廓的N C程序 在曲率变化 大的部分 为了保证插补精度 会有明显的滞后现象产生 4 切削仿真问题 进行实时的机床仿真模拟以检测 N C 代码的可靠性 2 6 本章小结 2 1世纪初 高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用 正成为切削加工的主流技 术 目 前 绿色制造中的绿色制造技 术干式 切削加工和高速切削 加工常常结合应用12 0 1 微量油雾冷却目 前己成为高速切削首选的冷却介质 氮气油雾冷却介质在高速铣削中取 得了很好的效果 绿色切削制造技术的发展趋势表明 干式切削与高速切削的有机结合 将获得生 产效率高 加工质量好 环 境污染小 等多 重效 益 12 1 第三章 高速切削中的刀具 第三章高速切削中的刀具 3 1 引言 刀具是高速切削加工中重要的因素之一 它直接影响着加工效率 制造成本和产品 的加工精度 刀具在高速加工过程中要承受高温 高压 摩擦 冲击和振动等载荷 高 速切削刀具应具有良好的机械性能和热稳定性 即具有良好的抗冲击 耐磨损和抗热疲 劳 的 特 性 2 2 1高 速 切削 加 工的 刀 具 技 术 发 展 速 度 很 快 应用 较多 的 如 金 刚 石 P C D 立 方 氮 化 硼 C B N 陶 瓷 刀 具 涂 层 硬 质 合 金 碳 氮 化 钦 硬 质 合 金T I C N 等 2 3 1 高 速 切 削 是 一项先进的 正在发展的综合技术 必须将高性能的高速切削机床 与工件材料相适应 的刀具和对于具体加工对象最佳的加工工艺技术相结合 才能充分发挥高速切削技术的 优势 3 2数控刀具的使用现状 当前使用的金属切削刀具材料主要有五类 高速钢 硬质合金 陶瓷 立方氮化硼 C B N 聚晶 金 刚石 表3 1 列出 各 种刀具材料的 特性 和用途 2 4 1 表 3 1 材料主要特性用途优点 高速钢 H S S 比工具钢硬低速或不连续切削刀具寿命较长 加工的 表面较平滑 高性能高 速钢 强韧 抗边缘 磨损性强 可粗切或精切几乎任何材 料 包括铁 钢 不锈钢 高温合金 非铁和非金属材 料 切削速度可比高速钢 高 强度和韧性较粉末 冶金高速钢好 粉末冶金 高速钢 良好的抗热性 和抗碎片磨损 切削钢 高温合金 不锈 钥 铝 碳钢及合金钢和其 他不易加工的材料 切削速度可比高性能高 速钢高1 5 硬质合金耐磨损 耐热可锻铸铁 碳钢 合金钢 不锈钢 铝合金的精加工 寿命比一般传统碳钢高 2 0 倍 陶瓷高硬度 耐热 冲击性好 高速粗加工 铸铁和钢的精 加工也适合加工有色金属和 非金属材料不适合加工铝 镁 钦及其合金 高速切削速度可达 5 0 0 0 m s 立方氮化 硼 C B N 超强硬度和耐 磨性好 硬度大于4 5 0 H B W 材料的高 速切削 刀具寿命长 聚晶金刚 石 超强硬度和耐 磨性好 粗切和精切铝等有色金属和 非金属材料 刀具寿命长 3 3 高速铣削刀具 江南大学硕士学位论文 高速铣削刀具分为整体式和机夹式两类 小直径铣刀一般采用整体式 大直径铣刀 采用机夹式 高转速机床对刀具直径有一定限 制 整体式高速铣刀在出厂时经过动平衡 检验 比较常用 而机夹式需要在每次装夹刀片后进行动平衡 通常机床在转速比较 低 能提供较大扭矩时可采用机夹式铣刀 目 前在高速铣削加工中 整体硬质合金刀具用的最多 其次是机夹式硬质合金刀具 在高转 速下应用机 夹式刀具 加工时 应注意动平 衡等级及 最高许用转 速125 1 25 1 3 4 适合高速加工的新型刀具 高速切削刀具材料主要有硬质合金涂层刀具 金属陶瓷 陶瓷 立方氮化硼 C B N 和金刚石刀具 高速铣削中最常用的刀具材料是硬质合金 涂层刀具和金属陶 瓷 在加工铸铁和合金钢的切削刀具中 硬质合金是最常用的刀具材料 硬质合金刀具耐 磨性好 但硬度比 立方氮化硼和陶瓷低 为提高硬度和表面光洁度 采用刀具涂层技 术 涂层材料为氮化钦 T i N 氮化铝钦 T i A L N 等 涂层技术使涂层由单一涂层发展为 多层 多种涂层材料的涂层 已成为提高高速切削能力的关键技术之一 直径在 1 0 4 0 m m 范围内 且有碳氮化钦涂层的硬质合金刀片能够加工洛氏 硬度小于 4 2的材料 而氮化钦 铝涂层的刀具能够加工洛氏硬度为 4 2甚至更高的材料 高速切削钢材时 刀具材料应选 用热硬性和疲劳强度高的P 类硬质合金 涂层硬质合金 立方氮化硼 C B N 与C B N 复合 刀具材料 W B N 等 fi 25 1 切削铸铁 应选用 细晶 粒的K 类硬质合 金进行粗加工 选用复 合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化翻 P C N B 复合刀具进行精加工 精密加工有色金属或非 金属材料时 应选用聚晶金刚石 P C D或 C V D金刚石涂层刀具 高速铣削刀具应按动平衡 设计制造 刀具的前角比常规刀具的前角要小 后角略大 主副切削刃连接处应修圆或 导角 来增大刀尖角 防止刀尖处热磨损 应加大刀尖附近的切削刃长度和刀具材料体 积 提高刀具刚性 在保证安全和满足加工要求的条件下 刀具悬伸尽可能短 刀体中 央韧性要好 球头立铣刀要考虑有效切削长度 刃口要尽量短 两螺旋槽球头立铣刀通 常 用于 粗铣复杂曲 面 四螺 旋槽球头立铣刀通常 用于精铣复 杂曲 面 129 1 3 5刀具的切削参数和性能 3 5 1不同刀具材料的切削性能 金刚石类刀具已 迅速应用于高硬度 高强度 难加工有色金 合金 及有色金属 非金属复 合材料零 部件的高 速 高效 干 湿 式 等绿色 机械切削 制造行业中 130 1 表 3 2 至表3 4 是不同的刀具的切削参数 表3 2 P C B N 切削用量及适用范围 刀具 材质 适 用 范 围 一 推荐切削用量 切削速度 m m i n 进给量 m m r 切削深度 口 第三章 高速切削中的刀具 各种淬硬钢 H R C 5 0 6 7 5 0 1 5 00 0 5 0 1 2 昌 吕二目留 已圈 曰 圈口 昌 0 2 普通灰铸铁 H B 2 0 0 4 0 0 1 0 0 00 1 0 50 1 2 2 0 高硬度铸铁 H R C 5 0 6 4 5 0 1 0 00 1 0 30 5 粉末冶金零件8 0 1 5 0 0 0 3 0 21 热喷涂焊零件 5 0 1 2 00 1 0 30 5 硬质合金 H R A 8 0 8 8 5 4 00 0 5 0 20 3 表3 3 P C B刀具的切削参数 工件材料切削速度 V c m m i n 进给速率 f mm r 灰铸铁 1 8 0 2 4 0 H B 1 5 0 00 1 0 4 隋 金 铸 铁 3 8 00 1 0 4 卜 硬 铸 铁 6 0 H R C 2 0 00 4 一I 表面硬化钢 5 6 H R C 1 6 M n C r 5 2 5 00 1 0 3 2 2 00 0 8 0 2 3 2 00 0 5 0 2 2 2 00 2 5 0 4 2 4 00 2 0 4 表3 4 C B N刀具的切削参数 工件材料 铣加工 切削速度V c m m i n 进给量 f m m r 卜 铝 合 金 含 S i l l 3 5 0 00 0 4 0 2 硅铝合金 含 S i 1 2 2 9 0 00 0 2 0 2 锻铝合金 4 7 0 0 0 0 4 0 2 镁合金5 5 0 00 0 4 0 2 5 铜合金5 5 0 00 0 5 0 3 5 增强塑料3 6 0 00 1 1 0 黄铜合金 4 5 0 00 0 5 0 3 5 硬质合金2 0 00 0 2 0 2 5 陶瓷6 0 0立方氮化硼 PCB N A 1 2 03 基 S i3N 4基 TIC N 基硬质合金 耽 基超细晶粒 硬质合金 高速钢H S S 抗弯强度大小 H S S 札基 T I C N 基 S i 3 N 4 基 A 1 2 0 3 基 PCD PCBN 断裂韧性大小 H S S 优基 T I C N 基 此BN PCD S i 3 N 4 基 A 1 2 0 3 基 耐热性 PCD 7 0 0 一 8 0 0 PCBN1 4 0 0 一 1 5 0 0 陶瓷 1 1 0 0 一 1 2 0 0 T I C N 基 9 0 0 1 1 0 0 C 超细晶 粒硬质合金能基8 0 0 一 9 0 0 H S S 6 0 0 一 7 0 0 C 1均 不同的材料的工件高速切削在刀具的选用上要注意其与工件材料的匹配性 表2 为常 用高速刀具对不同工件材料切削加工的适应性能力 表3 5常用高速刀具材料切削适应性 漏着 塑 竺 离口暇 伯曲兔性奋盘翻 曲t 铁朋 l 理曲材们 洲 又 又 又又 丫 峨j洲 f 二 奋 又 又 一l 又 鑫 鑫 幽 又火 Xl 一 Xl 火 一优 直 般 卜趁 3 6 本章小结 刀具是高速切削加工中最重要的因素之一 它直接影响着加工效率 制造成本和产 品的加工精度 刀具在高速加工过程中要承受高温 高压 摩擦 冲击和振动等载荷 因此其硬度和耐磨性 强度和韧性 耐热性 工艺性能和经济性等基本性能是实现高速 加工的关键因素之一 同时不同的材料的工件高速切削在刀具的选用上要注意其与工件 材料的匹配性 第五章 高速切削技术的研究 第五章 高速切削工艺技术的研究 5 1 引言 高速切削不仅提高了对机床 夹具 刀具和刀柄的要求 同时也要求改进刀具路径 策略 因为若路径不合理 在切削过程中就会引起切削负 荷的突变 从而给零件 机床 和刀具带来冲击 破坏加工质量 损伤刀具 在高速切削中由于切削速度和进给速度都 很快 这种损害比 在普通切削中要严重的多 因此 必须研究适合高速切削的路径 将 切削过程中切削负荷的突变降至最低 可以说 高速切削机床只有有了合理的高速刀具 轨迹才能 真正获得最 大效益14 9 1 5 2 高速切削工艺的关键技术 高速加工工艺的关键技术有三点 一是保持切削载荷平稳 二是最小的进给率顺 失 三是最大的程序处理速度 在高速切削工艺中使用高的切削速度 达到机床极 限 刀具的控制常采用斜坡和螺旋式进刀 大量采用分层加工 加工轮廓时采用小的 粗糙度 多用球头刀 保证切除率尽量保持常数等工艺要求 加工工艺是成功进行高速切削加工的关键技术之一 选择不当 会使刀具磨损加剧 完全达不到高速加工的目的甚至其它 5 2 1 切削参数的选择 高速铣削加工用量的确定主要考虑加工效率 加工表面质量 刀具磨损以及加工成 本 不同刀具加工不同工件材料时 加工用量会有很大差异 目 前尚无完整的加工数 据 通常 随着切削速度的提高 加工效率提高 刀具磨损加剧 除较高的每齿进给量 外 加工表面粗糙度随切削速度提高而降低 对于刀具寿命 每齿进给量和轴向切深均 存在最佳值 而且最佳值的范围相对较窄 高速铣削参数一般的选择原则是高的切削速 度 中 等的 每齿进给 量 f z 较小的 轴向 切深 a p 适当大的 径向 切深a e 如图 1代表波 峰高度 2代表步距 图5 1切削步距 图5 2步距的两种应用算法 江南大学硕士学位论文 在高速切削加工中 必须对切削参数进行选择 其中包括刀具接近工件的方向 接 近角度 移动的方向和切削过程 是顺铣还是逆铣 等 逆铣时 每个刀的切削厚度都 是从小到大逐渐变化的 当刀齿刚与工件接触时 切削厚度为零 只有当刀齿在前一刀 齿留下的切削表面上滑过一段距离 切削厚度达到一定数值后 刀齿才真正开始切削 顺铣使得切削厚度是由大到小逐渐变化的 刀齿在切削表面上的滑动距离也很小 而且 顺铣时 刀齿在工件上走过的路程也比逆铣短 因此 在相同的切削条件下 采用逆铣 时 刀具易磨损 高速加工很少用逆铣 用顺铣表面光洁度好 用逆铣可能铣削效率比 较高 但高速铣本身小切削高进给效率己经够高了 尽量用顺铣比 较安全 So 1 主幼方脚 以片 钊削角度 0 公心公 滋一 娜峨逆姚 图5 3 刀具移动方向 5 2 2 切削路径的选择与 优化 在高速切削加工中 除了刀具材料和刀具几何参数的选择外 还要对不同的零件特 征采用不同切削路径才能得到更好的切削效果 切削路径的优化的目的是提高刀具耐用度 提高切削效率 获得最小的加工变形 提高机床走刀利用率 充分发挥高速加工的优势 主要包括 山走刀方向的优化 在走刀方向的选择上 以曲面平坦性为评价准则 确定不同的 走刀方向选取方案 对于曲率变化大的曲面以最大曲率半径方向为最优进给方向 对曲 率变化小的曲面 以单条刀轨平均长度为原则选择走刀方向 0刀位轨迹生成 按照刀位路径尽可能简化 尽量走直线 路径尽量光滑的要求选 择加工策略 选择合适的插补方法 保证加工面的残留高度的要求 采用圆弧过度的方 法处理加工干涉区 这样在加工时就不需要减速 提高加工效率 臼柔性加减速 选取合适的加减速方式 减少启动冲击 保持机床的精度 减少刀 具颤振和断刀的几率 5 3高速切削刀具路径 高速铣削刀具路径有多种限制 归纳起来有如下几条 山 刀具不能和零件产生碰撞 0 切削负荷必须在刀具的极限 负荷之内 残留材料不能大于指定极限 曲 应避免材料切除率的突然变化 自 切削速度和加速度必须在机床能力范围内 2 9 第六章 基于U G C A M的高速切削技术的研究 第六章基于U G C A M 的高速切削的技术的研究 6 1引言 高速切削有着比传统切削特殊的工艺要求 除了要有高速切削机床和高速切削刀 具 具有合适的c a m编程软件也是至关重要的 一个优秀的高速加工c a m 编程系统应具 有很高的计算速度 较强的插补功能 全程自 动过切检查及处理能力 自 动刀柄与夹具 干涉检查 绕避功能 进给率优化处理功能 待加工轨迹监控功能 刀具轨迹编辑优化 功能 加工残余分析功能等等 数控编程可分为几何设计 c a d 和工艺安排 c a m 在使 用 am系统进行高速加工数控编程时 除刀具和加工参数根据具体情况选择外 加工方 法的选择和采用的编程策略就成为了关键 6 2 U G C A M 高速铣加工 U G 软件是集C A D C A E C A M 于一体的三维参数化集成软件 其C A M 模块提供了强大的计算 机辅助制造功能 对用C A D 软件建立的实体模型 可在U G C A M 环境中生成精确的刀具路 径 在交互操作过程中 用户可在图形方式下编辑刀具路径 观察刀具的运动过程 并 进行加工模拟 U G C A M 的铣削功能非常强大 功能模块如下图所示 图6 1 U G C A M 功能分解 江南大学硕士学位论文 第八章模具高速切削加工实例 8 1引言 现在很多模具厂 汽车零部件厂采用高速加工切削模具或者零件 应用逐渐广泛并 成为主流技术 经过在模具加工厂的调研和实习 结合本论文的理论 研究 以 下对典型的 加工实例 进行研究 8 2加工实例研究 加工一 个型芯模具 材料为淬硬钢 硬度为5 0 5 4 H R C 模具如图8 1 所示 在采用普通切削时 工艺安排为粗铣 半精铣一精铣一手工打磨 抛光 劳动强度 非常大 制造周期为 7天 而采用高 速切削加工时 半精加工主轴转速 1 5 0 0 0转 m i n 切深 1 2 m m 进给速度 5 m m i n 精加工切削时主轴转速2 0 0 0 0 转加i n 切深0 2 m m 进 给速度l o in 加i n 加工周期减为2 天 并且模具质量有了 很大的提高 加工工艺如表8 1 表8 1加工工艺 T i C N或 T i A l N涂层的整体硬质合金立铣刀在淬硬钢 H R C 5 0 5 4 上的典型切削参数 如下 粗加工切削参数为 实际切削速度 v c 1 0 0 m m i n a p 轴向切削速度 刀具直径的 6 8 a e 径向切削深度 刀具直径的3 5 4 0 f z 进给量每齿 0 0 5 0 l m m 齿 使用的刀具材料为T i A l N 涂层硬质合金立铣刀 刀具参数见表8 1 江南大学硕士学位论文 第九章 总结与展望 9 1本文的主要工作 高速切削加工技术在国内外汽车模具制造行业得到了 广泛的应用 并且已取得了巨大 的效益 成功进行高速切削加工的 重要前提是承受近乎恒定的切削载荷 在这种条件下 能够保证良 好的高速切削加工效果 针对复杂模具曲面 需要进行加工过程中去除材料 体积变化小 切削载荷恒定的加工策略研究以避免刀具较快的磨损和减小让刀误差 本 文主要研究了高速切削中的刀具选择和切削参数的确定问 题 以及基于 C A M系统的高速 加工编程策略问题进行了研究 对N C代码的模拟仿真进行了研究 9 2 本学位论文的主要研究成果 D 建立了高速切削基于零件材料和特征的刀具选择程序的开发 2 完成了基于U G C A M 的高速切削技术的研究和应用 并基于U G C A M环境完成 了高速切削的刀路轨迹仿真和机床仿真模拟切削 3 完成了 基于V E R I C U T环境加工仿真的研究 4 针对复杂模具 应用以上研究成功进行了复杂模具的高速切削试验 9 2 后续研究工作展望 高速切削是实现高效率制造的核心技术 工序的集约化和设备的通用化使之具有很 高的生产效率 同时但高速切削又是一个复杂的系统 高速切削中的工艺技术参数和使 用刀具目 前没有固定的模式可以遵循 高速切削加工过程中 零件与刀具材料的最优匹 配及切削用量的选择 切削液的选用 机床刚性与工件 刚性对加工精度和表面质量的影 响及切削方法与机床的选用 刀具寿命与切削用量和加工成本之间的合理匹配 零件及 加工面类型对工艺方案的影响等问题 也不能用简单的公式或规则来表示 而这些信息 和经验对推广高速切削技术意义重大 因此如何收集和处理十分重要 而针对特种材料 如合金铸铁 高强度合金钢 超级合金 如钦合金 等材料的高速切削加工 如何根据材 料特性选择合适的切削刀具 如何设计合理的切削参数 目 前仍在研究和发展中 本论文只从特例情况研究高速切削中刀具选择的一般原则和方法 对高速切削的工 艺参数方面也只是从几种常用的材料和零件特征进行分析来选择通用的切削工艺参数 高速切削的刀具选择和切削参数的选用程序还不能够面向实际的生产使用 仅是给编程 人员在做高速切削时选择刀具和其它工艺参数提供参考 还不能够完全取代查资料和切 削手册 希望后续的研究中能够增强软件的实用性 逐步建立高速切削的 切削数据库 至于切削策略方面则具有通用性 是高速切削中要严格遵守的准则 目 前国内大部分制造企业 尤其是国营企业 均未建立本企业 行业 的生产技艺 系统数据库 其中包含制造工艺流程及相关技艺 金属 非金属 切削数据库 专家机 制知识库 企业内外有效资源数据库等 第九章 总结与展望 高速加工技术在以下几个方面会得到更快的发展 1 扩大材料的加工范围 解决材料高速加工存在的技术难点 2 用干式切削替代湿式切削 解决高速加工使用大量冷却造成对自 然环境的污染问题 进一步研究开发适用于干式切削的新型刀具材料 研究开发干式切削加工中心 3 进一步改善高速机床的驱动和控制技术 开发快速的 C A D C A M系统和实用的编程软 件 以满足实际生产的需要 4 研究高速机床的安全防护和远程监控技术 确保高速加工的生产安全 5 改善研究试验条件 继续深入开发高速机理研究 仿真研究和虚拟研究 进一步弄清 高速切削过程的物理本质和变化规律 建立高速切削数据库 指导用户正确使用已有的 高速机床 充分发挥高速加工中心的效能 江南大学硕士学位论文 参考文献 1 刘飞 绿色制造的决策框架模型及其应用 J l 机械工程学报 1 9 9 9 3 5 5 7 2 梁彦学 高锋 我国高速加工技术现状及发展趋势 J l 工具技术 2 0 0 2 1 1 0 1 2 3 l 李沪曾 浅谈高速切削加工技术的发展 J l 现代制造 2 0 0 4 6 1 1 5 1 1 7 4 l 张伯霖 高速切削技术及应用 M l 机械工业出版社 2 0 0 2 5 l 架芝云 切削技术的发展新动向 J l 机械工程师 2 0 0 1 7 1 3 1 5 6 袁人炜 陈明 高速切削加工中刀具材料的选用 J l 机械制造及自动化 2 0 0 4 6 3 4 3 6 7 1 张志鹏 张志刚 模具高速切削数控编程要点 J l 模具制造 2 0 0 5 1 2 6 1 6 3 8 张海筹 基于高 速切削技术的模具制造方法探讨 J l 模具制造 2 0 0 4 1 1 4 2 4 3 王遵彤 基于实例推理的高速切削数据库系统 H I S C U T的研究 D l 山东 山东大学博 士学位论文 2 0 0 3 邻学礼 高速加工的核心技术和方法 J l 航空制造技术 J l 2 0 0 0 3 1 3 1 5 张伯霖 新世纪的干切削技术 J l 制造技术与机床 2 0 0 1 1 0 5 7 郭新贵 高速切削技术及其在模具工业中的应用 J l 现代制造工程 2 0 0 1 9 3 1 3 3 刘志峰 干切削加工技术的发展及应用 J l 机械制造 1 9 9 7 9 胡世军 干式切削加工中刀具的选择 J l 机械设计与制造 2 0 0 3 1 2 3 5 3 6 黄小明 干切削的 关键技术 J l 机电工程技术 2 0 0 1 2 1 6 文东辉 千式切削刀具材料的现状 J l 机械工程师 2 0 0 1 9 5 7 F K l o c k e T K r i e g C o a t e d t o o l s f o r m e t a l c u t t i n g f e a t u r e s a n d a p p l i c a t i o n s A n n a l s o f t h e C I R P 1 9 9 9 4 8 2 5 1 5 5 2 5 谭显春 刘 飞 曹华军 张 鹏 面向 绿色制造的刀具选择决策模型及其应用 J l 重庆 大学学报 2 0 0 3 3 胡世平 苗执元 李有堂 绿色的 干切削技术及应用 J l 机床与 液压 2 0 0 2 3 P a u l K e n n e t h W r i t e 2 1 世纪制造 M 清华大学出 版社 2 0 0 4 赵炳祯 切削技术与刀具工业的新时代 J l 机械制造 2 0 0 4 6 4 5 4 6 邓建新 切削刀具与加工对象的匹配研究 J l 工具技术 2 0 0 1 1 1 3 4 3 5 梁彦学 赵海波 数控刀具 技术现状及发展 J l 工具技术 2 0 0 4 9 4 3 4 5 乐兑谦 金属切削刀具 M 机械工业出版社 1 9 9 2年1 2月 陈丹民 适用高 速加工的刀具技术 J l 工具技术 2 0 0 1 3 4 5 4 7 郑文虎 难切削材料加工技术问 答 M 北京出 版社 2 0 0 1 8 R o b e r t I k i n g H a n d b o o k o f h i g h s p e e d m a c h i n g t e c h n o l o g y N e w Y o r k C H A P M A N A N D H A L L 1 9 8 5 JO In 9 l l l J J J esJ气