高速切削加工的几个主要问题.doc

高速切削加工的几个主要问题什么高速切削？关于高速切削还有许多问题和一些互相矛盾的定义。在下面将提及这些问题，并用有助于消除围绕高速切削谜团的方法进行讨论。历史背景 术语高速切削(HSM)一般是指在高转速和高表面进给下的立铣。例如，以很高的金属去除率对铝合金飞机翼架的凹处进行切削。在过去的60年中，高速切削已经广泛应用于金属与非金属材料，包括有特定表面形状要求的零件生产和硬度高于或等于50 HRC的材料切削。对于大部分淬火到约为32-42 HRC的钢零件，当前的切削选项包括： 在软(退火)工况下材料的粗加工和半精加工切削 达到最终硬度= 63 HRC要求的热处理 模具的某些零件的电极加工和放电加工(EDM)(特别是金切削刀具难于接近的小半径深凹穴) 用适合的硬质合金、金属陶瓷、整体硬质合金、混合的陶瓷或多晶立方氮化硼(PCBN)刀具进行的圆柱/平/凹穴表面的精加工和超精加工 对于许多零件，生产过程牵涉到这些选项的组合，在模具制造案例中，它还包括费时的精加工。结果导致生产成本高和准备时间长。 在模具制造业中典型的是仅生产一个或几个同一产品。生产过程中产品不断改变，由于产品改变，需要进行测量与反向设计。 主要标准是模具的尺寸和表面粗糙度方面的质量水平。如果加工后的质量水平低，不能满足要求，就需手工精加工。手工精加工可产生令人满意的表面粗糙度，但是对尺寸和槽形的精度总是产生不好的影响。 这种模具制造业的主要难题之一已获解决，但现在仍然需要减少或免除手动抛光，从而提高质量、降低生产成本和缩短准备时间。 高速切削发展的主要经济和技术因素 生存 市场上日益激烈的竞争导致不断设置新的标准。对时间和成本效率的要求越来越高。这就迫使新工艺和生产技术不断发展。高速切削提供了希望和解决方案 材料 新的更难加工的材料已经强调了发现新的切削解决方案的必要性。航空航天业的心脏是用耐热合金钢和不锈钢制造的。汽车工业使用了不同的双金属材料、小石墨铸铁(Compact Graphite Iron)，并增加了铝的用量。模具制造业必须面对切削高硬度的淬火钢的问题，从粗加工到精加工。 质量 对质量的高要求是空前激烈的竞争所导致的结果。 高速切削如果使用得正确，可以在这个领域提供一些解决方案。 替代手工精加工是一个例子，这对有复杂3D槽形的模具尤为重要。 工艺 对加工时间更短的要求 只需很少几次装卡和简化的物流(后勤)的要求在大部分情况下可由高速切削解决。模具制造业内的一个典型要求是在一次装卡中完成所有完全淬火小零件的切削。使用高速切削，可以减少和免除费时费钱的EDM(放电加工)加工。 设计与发展 今日竞争中的主要方法之一是销售新奇的产品。现在小汽车的平均生命周期是4年，计算机和配件1年半，手机3个月这种快速的改变式样和快速的开发产品的发展的先决条件是高速切削技术。 复杂产品 零件多功能表面增加了，例如新设计的涡轮机叶片有新的和优化的特性与功能。早期的设计允许用手工或机器人(机械手)来抛光。有新的、复杂的形状的涡轮机叶片必须通过切屑来抛光，最好是用高速切削抛光。有越来越多的薄壁工件必须用切削进行精加工的例子(医疗设备、电子、国防产品、计算机零件)。 产品设备 切削材料、刀柄、机床、控制件，特别是CAD/CAM特性与设备的巨大发展就可能满足一些要求，这些要求是新的生产方法和技术提出的，是必须满足的。 高速切削的原始定义 1931年，德国一个专利中的Salomons理论讲到：“以某一高切削速度(比常规切削高510倍)进行切削，在切削刃上去除切屑的温度开始降低 由以上得出结论：“似乎有用常规刀具以高切屑速度提高生产率的机会。” 不幸的是，现代研究已经能全面验证这个理论。对于不同的材料，从某一切削速度开始切削刃上的温度有相对降低。对于钢和铸铁来说，这种温度相对降低不大。但是，但是对铝和其它非金属则是大的。高速切削的定义必须依据其它因素。 今日的高速切削的定义是什么？ 对于高速切削的讨论在一定程度上是混乱的。关于高速切削的定义，存在许多观点、许多谜团和许多方法和许多方法。让我们看一下这些定义中的几个： 在下面的讨论影响高速切削过程的参数。从实用的观点描述高速切削非常重要，这也可为高速切削的应用提供许多实用准则。 实际切削速度 因为切削速度取决于主轴转速和刀具的直径，高速切削应定义为“实际切削速度”高于一定水平 切削速度和常规切削的切削速度之间的线性关系。 例外是，当在铝和其它有色金属中切削和所有材料的精加工和超精加工工序时，在淬硬工具钢中的高速切削特性。 Vf=fznz 浅深度切削 非常必要的和典型的高速切削应用是切削深度ae(径向切削深度)和ap(轴向切削深度)和平均切屑厚度hm与常规切削相比小得多的切削。因而金属去除率Q远比常规的小。例外是，在铝和其它有色金属中切削和所有材料的精加工和超精加工工序。 Q= apaeVf cm³/min 1000 在淬硬工具钢中的高速切削特性 在模具制造业，最大的经济工件尺寸约为 400400150 (长宽高)。最大尺寸与高速切削中相对低的材料去除率有关。当然也与机床的动力特性和大小有关。如前面所述，大部分模具在完全的切削(单次装卡)中尺寸相当小。进行的典型工序为粗加工、半精加工、精加工和许多情况下的超精加工。圆角和圆弧的铣削总是要为后面工序的刀具留下一定的余量。在许多情况下，要使用3-4种刀具。 通常直径范围为1-20 mm。在80到90%情况下，切削材料是整体硬质合金立铣刀或球头立铣刀。常常使用有大圆角的立铣刀。整体硬质合金刀具的切削刃加强了，前角为零或负(主要用于硬度在54 HRC以上的材料)。一个典型的和重要的设计特点是为了得到最大弯曲强度而加厚了芯。 使用有短切削刃和接触长度的球头立铣刀是有利的。另一个重要的设计特点是掏槽能力，当沿陡壁切削时，这必需的。也可以使用带可转位刀片的尺寸较小的切削刀具。特别是用于粗加工和半精加工。这些刀具应有很大的刀柄稳定性和弯曲刚度。锥度刀柄提高了刚度，重金属制成的刀柄也提高了刚度。 模具的槽形应当是浅的，不能太复杂。一些槽形也适合使用具有高生产率的高速切削。 使轮廓切削刀具的路径与顺铣结合得越好，切削效果越好。 一个精加工或半精加工时应遵循的原则是采取浅深度切削。切削深度应不超过0.2/0.2 mm(ae/ap)。这是为了避免刀柄/切削刀具产生过大的弯曲，以保持模具的小公差和槽形精度。每个刀具均匀分布的余量也是保证恒定的个高的生产率的条件。当ae/ap恒定时，切削速度和进给率应总是保持在高的水平上。这样，机械变化和切削刃上的负载会较小，刀具寿命也提高了。 切削参数 TiC,N或TiAlN涂层的整体硬质合金立铣刀在淬硬钢(HRC 54-58)上的典型切削参数：(HRC 54-58) 粗加工 实际切削速度vc：100 m/min，ap(轴向切削速度)：刀具直径的6-8%，ae(径向切削深度)：刀具直径的35-40%，fz(进给量每齿)：0.05-0.1mm/齿 半精加工 实际切削速度vc：150-200 m/min，ap(轴向切削速度)：刀具直径的3-4%，ae(径向切削深度)：刀具直径的20-40%，fz(进给量每齿)：0.05-,15 mm/齿 精加工和超精加工 实际切削速度vc： 200-250 m/min，ap(轴向切削速度)： 0.1-0.2 mm, ae(径向切削深度)： 0.1-0.2 mm, fz(每齿进给量)： 0.02-0.2 mm/齿 当然，这些值与外杆、悬伸、应用的稳定性、刀具直径、材料硬度等有关。这些值仅是典型值和具体的某一应用的值。在对高速切削的讨论中，有时可以看到提到的切削速度值是极高和不现实的。 推荐使用有压缩空气或高压油雾的干铣削 高速切削的实用定义 HSM不是简单意义上的高速切削速度。 它应当被认为是用特定方法和生产设备进行加工的工艺。 高速切削无需高转速主轴切削。许多高速切削应用是以中等转速主轴并采用大尺寸刀具进行的。如果在高切削速度和高进给条件下对淬硬钢进行精加工，切削参数可为常规的4到6倍。 在这些情况中，切削速度vc可能是用刀具的名义直径计算的，而不是用切削的有效直径。例如： 90角的立铣刀，直径6 mm。实际切削速度为250 m/min时的主轴转速 = 13 262 r/min。 球头立铣刀，名义直径为6 mm，轴向切削深度ap为0.2 mm时有效切削直径为 2.15 mm。实际切削速度为250 m/min时的主轴转速 = 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意味着高生产率切削。 零件形状变得越来越复杂，高速切削也就显得越来越重要。 现在，高速切削主要应用于锥度40的机床上。 精密外罩的成形工艺和模具结构分析1引言零件是某型号仪表外罩，其材料为铁镍合金1J50。在型号生产中，该外罩件制造一直是使用棒料车加工成形，原材料浪费大，生产效率低，经济成本高。大批量生产要求使用模具引伸成形后再车加工成形，以提高生产效率，降低成本。该外罩零件采用厚1.5-0.11mm板料冲压制造的工艺流程是:落料-引伸成形-车切止口。其中的引伸成形在研制试模中，容易发生底部破裂，表面划伤严重，内外圆的尺寸误差大、圆度低，后续车加工止口困难。针对性地从引伸工艺和模具结构两方面进行分析、准确计算、改进是保证精密外罩件引伸成功的关键。2引伸工艺分析2.1外罩的工艺性分析杯形外罩件，筒壁厚1mm，底部圆角半径R3，圆筒内外圆的直径公差分别是ITI2、ITI0级，均高于ITl3级(引伸件横断尺寸公差，一般都在ITI3级以下)，内外圆的形状误差是由尺寸公差控制的，分别是10级、8级(GB1184-80)的车加工要求；口部车加工止口,尺寸精度高、车加工余量小；内外圆的表面粗糙值低，质量要求高。精车加工要求的外罩件尺寸精度高，表面质量要求高，引伸成形的难度大，需要进行准确的工艺计算，合理的结构设计；内外圆的尺寸公差难以保证，需要后续工序整修。2.2外罩件的材料分析外罩件材料为1J50的铁镍软磁合金，主要合金元素镍含量为50%，由于镍元素的导热性差、亲合性强，导致该合金材料在引伸过程中产生热积瘤粘模而划伤零件表面。在冷硬态和软态的力学性能相差较大，冷硬态的屈强比值(0.875)大，延伸性能差；在软态下的屈强比值(0.326)小，延伸性能好。实践表明该材料极易产生冷作硬化，冷硬状态下拉伸成形是造成底部破裂的主要原因。因此，首次引伸前就应对毛坯件进行软化热处理，提高材料的塑性，同时采用良好的润滑措施，减小引伸过程中的摩擦，克服粘模和底破裂的现象。2.3；引伸件毛坯尺寸的确定查表确定该外罩引伸件的修边余量为=2mm，并将其划分为图2所示的3个简单几何形状，按“毛坯面积等于工件面积”的原则计算外罩引伸件的毛坯直径。既按下列公式计算式中D为毛坯直径，mmF为包括修边余量在内的引伸件的表面积，mm；f为引伸件各部分表面积的代数和，即。由于外罩件的引伸成形难度大，精密引伸的毛坯尺寸公差需要严格控制在士0.03mm内，因此，该外罩引伸件的毛坯直径确定为。2.4引伸次数的确定；厚1.5；mm，直径102.3mm的1J50毛坯，在软状态下，使用压边圈引伸，由其相对厚度t/D100；1.5/102.3100=1.46，查表得到圆筒形零件的极限引伸系数为M=0.50，据此计算得到首次引伸的最小直径d1:2.5引伸模间隙的确定；使用有压边圈的引伸模具，由凸、凹模的小间隙来控制引伸件的尺寸、形状精度，凸、凹模的单边间隙Z/2值按精密引伸要求Z/2-(0.9-0.95)t计算取值为1.425mm。该外罩引伸模的引伸间隙确定为Z=2.85mm，并以凹模为基准件，间隙由减小凸模获得。2.6凸、凹模的工作尺寸的计算；外罩的外圆尺寸55h10，据此计算凹模、凸模工作部分的横向尺寸:式中为凹模基本尺寸，mm；为凸模基本尺寸，mm；为外罩的外圆最大尺寸，即=55mm；为外罩的外圆直径公差，即=0.12mm；,为凹模、凸模的制造以差，分别按IT7、IT6Z为凸、凹模双面间隙，即Z=2.85mm。按上述公式计算并确定为2.7；减小摩擦的措施；引伸件的毛坯虽然经过了软化热处理，引伸性能得到了提高，但为了确保外罩零件的引伸，还需要进一步地减小引伸过程中的摩擦。为此，首先改进了压边圈的结构，如图3所示，圆环定位能保证毛坯件与凸模的同轴度要求，圆环的深度,；稍大于材料厚度，既能防止凸缘的起当，又不会产生过大的压边力；选用Tl0A材料制做定位压边圈，并经淬火热处理，定位面的粗糙度同凹模工作表面的粗造度一样，要求，有效地降低了引伸中的摩擦系数。；由于1J50材料的镍含量较高，在引伸过程中，镍金属容易产生粘模，使引伸件表面划伤。普通油润滑不能有效解决，在实践中参考镍冷挤压的过程机理，配制含有氯化石腊的专用润滑剂进行引伸润滑，且要求先对软化热处理的毛坯进行表面抛光、去锐边和毛刺，作到表面光洁、干净，再在两面涂抹专用润滑剂。；3；外罩引伸模具设计；3.1模具结构；引伸模倒装结构是由打杆组件、凹模、定位压边圈、凸模、底座、卸料螺钉等组成的倒装结构。倒装结构在单动压力机上使用，且有引伸高度大，压边力可通过反顶机构随意调整达到引伸成型要求，十分有利于精密引伸成形；上下模间隙调整是用毛坯件的料条引导凸模对中凹模保证的，方便可靠。；4.结束语详细地分析、计算，总结以往的经验，改进外罩件的引伸工艺和模具结构，成功地解决了引伸件在引伸过程中发生底破裂的现象，引伸件的尺寸精度和表面质量均有提高，达到了预期的要求。外罩件采用板料引伸后加工成形，比用棒料车加工成形节省原材料80%，成本降低60%，且较大程度地提高了外罩件的生产效率。；模具制造的表面工程技术介绍模具材料是模具工业的基础，但即使是新型模具材料仍难以满足模具的较高综合性能的要求，采用表面工程技术可在一定程度上弥补模具材料的不足。可用于模具制造的表面工程技术十分广泛，既包括传统的表面淬火技术、热扩渗技术、堆焊技术和电镀硬铬技术，又包括近20年来迅速发展起来的激光表面强化技术、物理气相沉积技术、化学气相沉积技术、离子注入技术、热喷涂技术、热喷焊技术、复合电镀技术、复合电刷镀技术和化学镀技术等。而稀土表面工程技术和纳米表面工程技术的进展必将进一步推动模具制造的表面工程技术的发展。在此仅介绍稀土表面工程技术和纳米表面工程技术。1、稀土表面工程技术 表面工程技术中加入稀土元素通常采用化学热处理、喷涂喷焊、气相沉积、激光涂覆、电沉积等方法。(1)稀土元素对化学热处理的影响主要表现为有显著的催渗作用，大大优化工艺过程；加入少量稀土化合物，渗层深度可以明显增加，改善渗层组织和性能。从而提高模具型腔表面的耐磨性、抗高温氧化性的抗冲击磨损性。(2)利用热喷涂和喷焊技术，将稀土元素加入涂层，可取得良好的组织与性能，使模型腔表面具有更高的硬度和耐磨性。(3)物理气相沉积膜层性能的优劣和膜与基体结合强度大小密切相关，稀土元素的加入有利于改善膜与基体的结合强度，膜层表面致密度明显增大。同时，加入稀土元素可以使膜层耐磨性能也得到明显改善，例如应用于模具表现的超硬TiN膜(加入稀土元素)，使模具型腔表面呈现出高硬度、低摩擦系数和良好的化学稳定性，提高了模具的使用寿命。(4)含稀土化合物的涂覆层，可大幅度提高模具金属材料表面对激光辐照能量的吸收率，对降低能耗和生产成本，以及推广激光表面工程技术都有重要意义。稀土涂覆层经激光处理后，组织和性能发生明显改善，涂覆层的硬度和耐磨性显著提高，耐磨性是45钢调质的56倍。对加入CeO2的热喷涂层进行激光重溶，研究发现合金化层的显微组织明显改变，晶粒得到细化。激光重熔加入稀土后的喷焊合金，稀土化合物质点在其中弥散强化，降低晶界能量，提高晶界的抗腐蚀性能，模具型腔表面的耐磨性也大大增强，有的文献报道稀土元素提高了耐磨性达14倍。另外，有研究发现，加入混合稀土化合物的效果优于单一稀土化合物。(5)把稀土元素加入镀层可采用电刷镀、电镀等电沉积方法。稀土甘氮酸配合物的加入使镀层防氧钝化寿命明显提高；稀土元素有催化还原SO2的作用，可以抑制Ni-Cu-P/MoS2电刷镀镀层中MoS2的氧化，明显改善了镀层的减摩性能，提高了抗腐蚀的能力，使模具型腔表面的耐磨寿命延长近5倍。2、纳米表面工程技术纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术、加工手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工，或赋予表面新功能的系统工程。纳米表面工程技术是极具应用前景和市场潜力的。(1)制作纳米复合镀层。在传统的电镀液中加入零维或一维纳米质点粉体材料可形成纳米复合镀层。用于模具的Cr-DNP纳米复合镀层，可使模具寿命延长、精度持久不变，长时间使用镀层光滑无裂纹。纳米材料还可用于耐高温的耐磨复合镀层。如将n-ZrO2纳米粉体材料加入Ni-W-B非晶态复合镀层，可提高镀层在550-850的高温抗氧化性能使镀层的耐蚀性提高23倍，耐磨性和硬度也都明显提高。采用Co-DNP纳米复合镀层，在500以上，与Ni基、Cr基Co基复合镀层相比，工件表面的高温耐磨性能大为提高。在传统的电刷镀溶液中，加入纳米粉体材料，也可制备出性能优异的纳米复合镀层。(2)制作纳米结构涂层。热喷涂技术是制作纳米结构涂层的一种极有竞争力的方法。与其它技术相比，它有许多优越性：工艺简单、涂层和基体选择范围广，涂层厚度变化范围大、沉积速率快，以及容易形成复合涂层等等。与传统热喷涂涂层相比，纳米结构涂层在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面都有显著改善，且一种涂层可同时具有上述多种性能。浅谈常用机床的主要用途常用机床的主要用途 车床: 主要用于加工各种回转表面和回转体的端面。如车削内外