淬硬钢的高速切削加工

发表日期：2016年2月11日来源：中国锯片联合网切削技术

摘要：淬硬钢以其优良的使用性能在模具行业中占着非常重要的地位。随着高速加工中心在我国的应用的增加，高速加工已成为淬硬钢等高硬度材料切削加工的主要手段。本文首先介绍了淬硬钢高速加工的概况，针对使用涂层刀具加工淬硬钢时出现的具体问题，结合实验研究分析了切削刀具、加工工艺参数和走刀方式等对加工过程的影响，并提出一些实际加工中应注意的问题、改善加工条件和提高加工质量的方法。

1 前言

高速加工大幅度提高了生产率和加工精度，显著地降低了制造费用，简化了零件制造工艺流程，促进了生产模式的变革。在切削铝合金等轻金属材料时，高速加工已经取得了非常明显的效果，而对淬硬钢等难加工材料仍存在许多困难。加工铝合金的切削速度超过临界值时，切削力随切削速度提高而显著下降；但在加工淬硬钢时切削力没有明显的临界值，至多是随切削速度提高，切削力的增加速度减缓。此外，加工淬硬钢时刀具很容易磨损，这限制了切削速度不能够太高。虽然高速加工淬硬钢不象加工铝合金那样可使加工成本显著降低，但其切削效率和加工质量却比传统加工(如电火花和手工抛光加工)有了很大的改进，这对增强企业的竞争力无疑是非常重要的。加工淬硬钢要求切削刀具有很高的硬度和韧性，能够承受很大的冲击载荷；另由于切削过程中刀刃切削部分的温度很高，必须保证涂层在高温下能与基体牢固地结合，不致脱落或氧化变质。目前，可用于淬硬钢高速加工的刀具材料有涂层硬质合金、超细晶粒硬质合金、金属陶瓷、陶瓷刀具、CBN、PCBN等。

我国陶瓷刀具在高速加工中的应用尚处于研发阶段，而且由于陶瓷属于脆性材料，多用于车削等连续加工的场合。立方氮化硼硬度很高，而且具有很强的冲击韧性，但其价格昂贵，不完全适用于生产现场。常用的硬质合金刀具基体有WC基、TiC(N)基(金属陶瓷) 等。与WC基硬质合金相比，TiC(N)基具有较好的高温硬度、刀刃强度高、摩擦系数小，增加氮的含量可以提高硬度和抗弯强度，因此特别适合于淬硬钢的加工。此外，可通过细化晶粒甚至使用纳米晶粒硬质合金大幅度地提高硬度和韧性，但这些硬质合金价格昂贵，还难于推广应用。

硬质合金涂层刀具使用寿命不及CBN刀具，但是硬度、韧性都很好，而且价格适中，所以在工厂中得到了较为广泛的应用。涂层刀具是通过5CV和PVD方法在硬质合金和高速钢基体上涂敷不同的氮化物、氧化物和硼化物等材料以提高刀具的切削性能。涂层的功能是使刀具和所切削的材料分隔开来，起到减小磨损、减少粘结和隔热的作用，以延长刀具的使用寿命。涂层材料视其性能可分为硬涂层(TiN、TiCN、TiAlN、,TiAlCN等) 和软涂层(MoS₂、WS₂等)。硬涂层具有较高的硬度，软涂层有很小的摩擦系数。加工淬硬钢宜采用硬涂层，其中采用PVD工艺的TiAlN刀具的高速切削性能优异，在实际生产中应用较多。采用超细晶粒硬质合金基体和TiAlN涂层的刀具是目前比较经济可行的刀具。

本文通过正交实验，分析了加工切削用量和刀具涂层对硬质合金刀具高速加工淬硬钢时的刀具磨损和破损以及表面粗造度的影响；分析了刀具材料、刀具几何角度和尺寸、切削用量、走刀方式、加工策略优选等问题。

2 实验

切削实验在立式加工中心YCM-V85A上进行(最高转速8000r/min)，使用TR240表面粗糙度仪测量表面粗糙度，用XTD20显微摄影系统观察刀具磨损。刀具为STANA整体硬质合金TiAlCN涂层平底立铣刀和未涂层立铣刀，直径有6mm和8mm两种，改变轴向切深a_p，径向切深a_e进行实验。工件是45号钢经整体淬火，硬度达60HRC，部分工件由于材质不均，存在硬质点。高速切削淬硬钢时通常不需要冷却液，采用主轴中心孔喷压缩冷空气的方法可有效地进行冷却，实验采用干切削方式进行直线铣槽加工，总加工长度1.5m。

3 涂层刀具加工淬硬钢的切削性能

(1)刀具结构形式

硬质合金铣刀按刀具结构的形式可分为平底铣刀、球头铣刀和可转位铣刀等。平底铣刀的刀尖最容易破损，刀具很容易失效。实际应用中，在同等条件下球头铣刀的使用寿命要比平底铣刀长，主要原因是球头铣刀刀尖没有象平底铣刀刀尖那样薄弱，并有利于切削刃上载荷的均匀分布。但是，球头铣刀的制造比平底铣刀更困难。可转位铣刀的刀片可以根据加工条件设计成各种有利于延长刀具寿命的形式，容易实现批量生产，并且可以轮流使用各刀刃来进行切削加工；但是要制作这种铣刀，刀具直径一般要大于8mm，不能用于一些很小的型腔的加工。淬硬零件的粗加工应尽可能使用可转位铣刀，精加工选择整体式球头铣刀或平底铣刀。

(2)刀具磨损及破损

如图1所示的实验结果表明，整体硬质合金涂层平底立铣刀高速加工淬硬钢时，刀具的失效形式上主要有刀尖破损(图1a)、非正常破损(图1b)、切削刃疲劳磨损、涂层烧伤与脱落(图1c、d)等。其中刀尖破损最为常见，这是因为刀尖处刚性差，而加工过程中，往往是刀尖先接触工件。破损以后刀尖附近的涂层被破坏，加快了刀具失效的速度。由于刀尖破损失效在加工淬硬钢时尤为突出，因此应该选择刀尖刚性较好的刀具结构，如采用底刃与侧刃有圆弧过渡的立铣刀。由于工件在淬火后硬度大大提高，若淬火后工件材质不均、有裂纹，将使它的可加工性能大大降低。当加工到淬火后出现的局部硬质点位置时，切削力会突然变大，容易出现崩刃现象。

(a)刀尖破损 (进给速度f=400mm/min)	(b)非正常破损 (由于切入工件时速度过大造成)
(c)由于进给速度过小刀具烧伤(f=50mm/min)	(d)未涂层刀具烧伤(f=50mm/min)
图1 涂层刀在加工淬硬钢时的磨损、破损形式(工件：45号钢淬火60HRC，切削速度V_c=110m/min，切削深度a_p=0.05mm，干切削)

实验结果表明，由于涂层的隔热作用，涂层刀具要比普通刀具有更好的耐高温性能(图1c、d)。在实验过程中，当刀具切削到硬质点时温度突然升高，飞出的切屑呈现剧烈火花，切削完成后刀刃依然锋利，说明实验用的整体硬质合金涂层刀具切削性能良好，利用涂层刀具可以对淬硬钢进行干式高速加工，而且可以获得较好的表面质量(R_a%lt;0.5µm)；而未涂层的硬质合立铣刀的加工表面质量很差，并且刀具被严重烧伤。

影响刀具磨损和破损的主要因素还包括刀具材料、几何角度和直径，切削用量和走刀方式等。

(3)刀具角度

影响立铣刀切削性能的角度主要有前角、后角、刃倾角(螺旋角)。由于加工淬硬钢时刀具失效的主要形式为刀尖破损，因此，应当选择适当的刀具角度以提高刀尖的抗冲击强度，如采用较小的前角和后角。某文献采用TiAlN涂层刀具加工硬度为55HRC以上的淬硬钢，用不同前角(+15°，+5°，-5°，-15°，)和螺旋角(30°，45°，60°)的刀具切削60HRC的材料，发现前角为-15°和螺旋角为60°的刀具磨损最小，表明大的螺旋角和负前角可以减小刀具磨损。

对于可转位铣刀，不同的刀片形状有不同的刀尖强度，一般刀尖角越大，刀尖强度越大，反之亦然。如图2所示，圆刀片(R型)刀尖角最大，35°菱形刀片(V型)刀尖角最小。加工淬硬钢时应选用刀尖角较大的刀片，由于刀尖角越大切削力越大，要求机床具有良好的刚性和较大的功率。

图2 可转位刀具刀片形状

直径相同的铣刀，齿数越多，刀杆的刚性越好，并且可以采用的进给速度越大，因此切削效率越高；但是两条切削刃之间的容屑空间小，排屑性变差。双齿铣刀适合采用较大的切削深度加工材质较软的工件，而多齿铣刀则适合用小切削深度加工高硬度(如淬硬钢)材料。

(4)刀具直径

刀具直径越大，刀具的成本也越大。大直径刀具容易给切削刃提供更大的支撑面，刚性好，因此大直径刀具比小直径耐磨。如图3所示，对于两种涂层立铣刀，在相同的切削参数和加工长度条件下，Ø6mm的铣刀刀尖的破损要比Ø8mm的严重，Ø8mm的刀具比Ø6mm的更加耐磨，两者的加工表面质量相差不大。在用小直径铣刀加工淬硬钢时，要考虑整个刀杆能承受的最大载荷，因此，用小直径铣刀时切削深度和进给速度一般都很小。由于加工过程的不稳定因素(如机床主轴的不稳定性和切削过程中载荷的变化等)，使用小直径铣刀时常常出现断刀现象。

(a)Ø6mm铣刀的刀尖破损	(b)Ø8mm铣刀的刀尖破损
图3 刀具直径对刀尖破损的影响(工件： 45号钢60HRC，V_c=110m/min，f=400mm/min，a_c=0.05mm，干切削)

表1 试验水平
水平	主轴		切削深度 a_p(mm)	进给f (mm/min)
水平	转速(r/min)	V_c(m/min)	切削深度 a_p(mm)	进给f (mm/min)
1	3000	56	0.02	250
2	4000	75	0.03	300
3	5000	94	0.04	350
4	6000	113	0.05	400
刀具：Ø6mm四刃TiAlCN涂层平底立铣刀，45号钢淬火60HRC。

图4 切削用量对加工质量的影响

(5)切削用量

通过对正交实验结果的分析，研究了切削用量对工件表面质量的影响，如表1及图4所示。图4表明，在所选的各种试验水平中，当主轴转速为6000r/min(V_c=110m/min)，进给f=400mm/min，a_c=0.05mm时工件的表面质量最好；进一步提高这三个参数还可以降低表面粗糙度，但是此时刀具寿命可能会很低，需作进一步研究、试验。三个因素中，切削速度变化引起R_a的变化范围的最大，即它对粗糙度的影响最大，其次是进给量，而切削深度的影响最小。

下面分别讨论各种切削用量对加工过程的影响和实际应用中应注意的问题：

切削速度

切削速度是影响刀具寿命的主要原因之一。在传统的切削加工中，总是先选好切削深度和进给速度，再根据刀具耐用度选择合适切削速度，就是因为提高切削速度会使刀具寿命大大下降。在高速加工中，当切削速度的提高到一定值时，可以使被加工部位先“软化”再切除，从而使切削力降低或使它的提升减缓，在一定程度上改善了切削条件。确定适当的切削速度对高速加工非常重要，但由于加工淬硬钢没有明显的“临界速度”，而且用不同的机床和刀具加工不同的材料时其值相差很大，目前还没有完善的高速加工工艺参数表可供参考，所以工艺人员应勇于尝试并根据刀具的实际使用情况以优选切削速度。日本安田公司采用YASDA YBM-640V进行切削试验获得了切削速度与刀具寿命的关系曲线(图5a)。试验表明切削硬度为50HRC的材料，V_c=150～200m/min时，刀具寿命较长。

(a)切削速度 (径向切深a_p=0.5mm)	(b)切削深度 (切削速度310mm/min)
图5 切削速度、切削深度与刀具寿命的关系(Ø10mm TiAlN涂层六齿立铣刀，轴向切深a_p=10mm，每齿进给0.1mm，工件材料硬度50HRC)

进给速度
高速加工的进给速度对刀具寿命、加工效率和加工精度都有着很大的影响。在很高的切削速度下进给速度也必须达到一定水平，不允许有明显的滞后。过低的进给速度不但切削效率低，甚至会使工件表面和刀具烧伤(如图1c所示)。然而，当进给速度太高时，加工表面质量会降低，切削力提高，刀具容易磨损甚至出现断刀现象(如图1b所示)。
切削深度
切削深度是提高效率的重要因素。对于提高切削效率，粗加工和精加工的要求不同，粗加工表现为单位时间内去除切屑的体积，而精加工为刀具在单位时间内切削面积。高速加工提倡的是以较小的切削深度切削同时用很高的进给速度提高切削效率，这在精加工时非常适用。但是对粗加工，有时从增大切削深度(尤其是轴向切削深度)来提高效率会更加明显，而且增加切削深度可以减少进刀次数，对刀具有一定的好处。YASDA机床的切削试验表明增大径向切深可延长刀具寿命(图5b)。

选择切削用量时，应兼顾加工效率和刀具寿命，不能一味地提高切削速度和进给速度。如果切削过程刀具磨损很快，或者加工精度达不到要求，再快的切削速度也没有用。良好的切削方法应对各种因素的影响进行综合考虑。如日本的福井雅彦教授提出的“Fukui Climbing”切削法，这种方法主要用于深腔的粗加工，切削速度不是很高，主要利用平底铣刀的侧刃来铣削，切削过程采用较大的轴向切削深度和较小的径向切削深度，这种切削方法减少刀尖与工件的接触时间，充分利用了侧刃的铣削功能，从而降低刀具因刀尖破损而报废损失，提高了切削效率。

(6)走刀方式

走刀路径不合适是引起刀具非正常破损的主要原因。在高速加工淬硬钢时必须使切削过程尽量平稳，走刀方向突然改变和载荷的突然增加都可能使刀具破损。良好的走刀路径可有效地延长刀具的使用寿命和提高加工效率。余摆线式走刀和螺旋走刀是两种较优的高速铣走刀方法(图6)。余摆线式走刀主要用于加工沟槽类型腔，采用直径小于槽宽的铣刀沿余摆线走刀可避免刀具以全刀宽切入工件，有效地减小了加工淬硬钢的切削力及刀具与工件的接触面，延长刀具寿命；螺旋走刀是一种连续的走刀方式，除了可以提供更为平稳的刀具路径外，还避免了在环切中的环间移刀和等高加工时的层间移刀，大大地减少了切入切出和走拐角时加减速的次数，故高速加工淬硬钢时应尽量采用螺旋走刀。受CNC机床加工工艺条件的限制，一些特殊型面的加工很难由CNC机床完成，如窄槽和几个平面相交出现尖角(锐角)的地方，刀具切削刃难以到达，另外窄槽加工也存在难点。对这些型面应在零件设计时尽量避免，必须采用的时候可用电火花加工和线切割来完成。

(a)余摆线式走刀与传统走刀方法对比	(b)螺旋走刀
图6 高速加工走刀方式

4 结论

涂层刀具是目前高速加工淬硬钢比较经济可行的刀具，高速加工淬硬钢时刀具的主要失效形式为刀尖破损，应当选择适当的刀具角度，如大的螺旋角、较小的前角和后角以及刀尖(刀刃)的刚性较好的涂层刀具。切削速度变化对粗糙度的影响最大，其次是进给量，切削深度的影响最小。高速加工淬硬钢的切削用量因工件和刀具而异，应兼顾加工效率和刀具寿命。在选择高速加工淬硬钢走刀方式时应尽量使切削过程平稳，尽量采用螺旋走刀。

本文作者:广东工业大学机电学院曾宝平王成勇邓敏和广西大学机械学院胡映宁
原载:《机电工程技术》2002年第6期

关键词：淬硬钢的高速切削

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淬硬钢的高速切削加工

发表日期：2016年2月11日来源：中国锯片联合网切削技术

1 前言

2 实验

3 涂层刀具加工淬硬钢的切削性能

(1)刀具结构形式

(2)刀具磨损及破损

(3)刀具角度

(4)刀具直径

(5)切削用量

(6)走刀方式

4 结论

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