高速切削加工中刀具技术的选择
2014-7-25 来源：数控机床市场网 作者：郑颖（襄阳汽车职业技术学院）
0 引言
高速加工技术由于其精度高、产品表面质量好，生产效率高，被认为是 21 世纪最有发展前途的一种先进制造技术。特别是在当前市场竞争日趋激烈的情况下，企业为满足时代与市场变化的需求，只有通过不断提高产品质量、降低生产成本、改进服务方式、开发适应时代变换及有利于环保的新产品，因此不断推动了这一技术的发展。高速切削加工技术作为机械制造中一种集高效、优质、低耗的先进制造技术，相对于传统的切削加工，其切削速度、进给速度都得到了很大的提高。
1 高速加工的定义
高速加工，就是采用超硬材料的刀具，通过极大地提高切削速度和进给速度，来提高材料切除率、加工精度和加工表面质量的一种现代加工技术，即以较快的生产节拍对零件进行加工。高速加工的一个生产节拍一般包括：零件送进→定位夹紧→刀具快进→刀具工进→刀具快退→工具松开、卸下零件→质量检测等七个基本生产环节。在高速加工中，高速主要体现在刀具快进、工进及快退 3 个环节上。一般主轴转速≥ 8 000r/min，最高可达到：10 000 r/min~150 000 r/min ； 进给速度超过 40 m/min，为普通切削的 5 倍 ~10 倍；转速特征值达到 0.5~200×106，换刀时间：3s~5s，最快可以达到 0.7s~1.5s。高速加工切削速度随加工方法不同有所不同，也随加工材料不同而不同。例如 ：车削： 700m/min~7000m/min, 铣削：300m/min~6 000m/min，铝合金：1 000m/min~7 000m/min，铸铁：800m/min~3 000m/min。
2 高速切削加工刀具技术的选择
刀具作为高速切削加工技术中的一个关键因素，它对产品加工效率、生产成本、加工质量等都具有直接的影响。在生产加工过程中，刀具不仅要承受高切削力、高温、振动、冲击等载荷，而且还应具有良好的力学性能和热稳定性，即具有高硬度、高强度、高韧性、高耐磨性、抗氧化能力强和抗冲击能力强等特性。此外，与传统切削加工相比 ，由于高速切削速度高 ，导致前刀面摩擦力增大，使刀具接触面温度增高，要求刀具具有高熔点、高耐热性、抗热冲击性能、高温力学性能等。同时 ，为了保证高速切削的加工要求，在刀具材料选定后，应选择合理的刀具装夹结构、刀具几何参数，同时考虑刀具的安全性。
2.1 刀具材料选择
根据高速切削刀具的作业强度，其刀具材料应具备以下几个性能：1）高硬度和高韧性，能够承受刀具高速回转所产生的冲击和振动，不发生崩刃和断裂现象 ；2）高耐热性，能够承受刀具高速作业过程的高温，并具有较强的抗氧化能力。3）高耐磨性，保证刀具在高速切削中，不易形成锯齿形和厚度变化的断续切屑，有效防止刀具的动平衡性破坏，而导致刀具加速磨损。除了以上性能之外，还要求刀具材料必须具备抗热冲击性、抗断裂和塑性变形的能力。目前高速刀具材料主要以涂层硬质合金、金属陶瓷、非金属陶瓷、CBN 为主。其中采用TiC 为基体的金属陶瓷化学稳定性比较好，且具有耐氧化性、耐磨性和抗粘结性，适合模具钢加工；以 SiN 陶瓷、Ti 基陶瓷、TiCN 涂层为材料的高速硬质刀具适合加工高强度铸铁件及精锻结构钢件；采用聚晶金刚石（PCD）、超细硬质合金刀具适合加工铸铝合金件；采用高粉末 Co 冶金表面涂覆的高速钢整体拉刀、滚刀适用于加工各种精锻钢件、铸铁件；金属陶瓷硬度和抗断裂性与硬质合金基本相当，但导热系数却不及硬质合金的 1/10，且具有优异的抗粘结性、耐氧化性和耐磨性，比较适合于模具钢加工。涂层硬质合金由于耐磨性好，且能很好的保持刃口形状 ，使零件有高的精度和表面加工质量，如聚晶金刚石或金刚石涂层刀具常用于加工有色金属或非金属材料。
2.2 刀具装夹结构的选择
高速切削加工在对切削刀具的刚性和高机械性能具有很高要求的同时，对刀具的装夹力与装夹精度也有比较高的要求。刀具系统中，装夹刀柄与刀具组成了一个完整的刀具体。在刀具高速旋转加工过程中 ，由于离心力及震动的影响 ，刀具系统可能导致振动或倾斜 ，使加工精度降低，刀具磨损加剧 ，降低机床使用寿命。这就要求刀具系统有高的几何精度、装夹刚度和装夹定位精度。而普通切削加工中大多采用 7:24 锥度单面夹持刀柄系统，这类常规刀柄在高速切削时，往往会出现刚性不够、重复定位精度不稳定、不利于快速换刀等现象。为了提高刚性和装夹精度，目前国外普遍采用 1:10 锥度的 HSK 空心刀柄，它主要依靠空心薄壁的径向膨胀量保持与主轴内锥孔变形来实现夹紧 ，采用小锥面的夹紧力提高接口承载能力及良好的定位作用，具有换刀快、重复定位精度高等优点。如山特维克可乐满公司的刀柄系统。
2.3 刀具几何参数选择
刀具材料选定后 ，刀具几何参数的选择会直接影响到刀具寿命及切削速度 ，一般来说应选择高强度的刀片。对圆刀片和球头铣刀 ，注意有效直径的概念。与普通切削不同 ，高速切削时刀具的前角应小 10°，后角应大 5°~8°。由于后角在高速切削时的进给速度高 ，为了减少刀具与工件之间的摩擦 ，后角选择 120°以上 ；为了减少切屑流出阻力和降低刀具的磨损 ，刀具前角选择 120°左右；刃倾角影响切屑的方向和切削力的大小，一般刃倾角选择为 150°~100°，这样以减小切削时刀具的磨损，提高刀具的使用寿命。
2.4 刀具的安全性
由于转速的提高，其安全性问题变得越来越重要。如40mm 直径刀具，主轴转速达到 30 000r/min，其射出的速度可下一层的开挖工作。对于放坡开挖，要维护已经开挖基坑边坡的稳定性，减少基坑暴露时间。除了通过降、排水系统控制外部载荷外，还必须采取适当的支护措施，对坡面形成一定的保护，确保坡土体自身的抗滑力始终大于该滑动面上的滑动力，从而防止部分边坡发生滑塌现象。
4 基坑开挖施工的注意要点
4.1 一般的注意要点
尽管放坡开挖简单方便，但是一旦边坡稳定失控将引起严重的事故灾难，而且补救工作十分困难。因此基坑放坡开挖工程必须对场地地质条件正确把握，基坑边坡必须经过验算；土质较差且施工期较长的基坑，边坡宜采用钢丝网水泥或其他材料进行护坡；施工之前一定进行降水措施的安排，确保设计、施工、监测以及维护各环节严格按技术要求实施。
深基坑若采用机械挖土，严禁挖土机械碰撞支撑、围护墙等支护机构，坑底应保留 200mm~300mm 厚基土。对面积较大的一级基坑，土方宜采用分块、分区对称开挖和分区安装支撑的施工方法。相邻两基坑打桩开挖施工会相互影响 ，当拆除某一锚杆，必须采取一定的桩锚围护方案 ，防止影响另一锚杆的支撑性能，引起支护桩或工程桩破坏、基坑护坡坍塌或桩顶发生位移。基坑内部应该设置合理的扶梯以及行人支撑防护，保证施工人员的安全。
4.2 临近人员、建筑的保护
当施工给临近的人员 建筑物或者植物造成一定的影响时，必须派驻专门人员进行建筑物沉降以及位移的监控工作。当基坑挖深深度大于 7m 时, 在坑深两倍的水平范围确保无主干道、生命线工程及重要的建筑物。
4.3 监控测量
在基坑开挖过程中，为保证基坑开挖的安全，必须对变形位移、地下水位以及应力应变进行严密的监控测量。变形测量的对象主要为地面坡面、地下管线的沉降以及围护结构、及支护结构的位移；地下水位的测量一般通过预留的水位观测孔以及压力计进行包括降水造成的地下水位变化、孔隙水的压力以及排水量和含沙量的测量。在对应力应变测量时并没有精确的数值，而要根据施工工况进行分析计算出变化范围。支护基坑的支撑轴力决定支护安全稳定性，所以要确保轴力的变化在正常值内。一般都会在支护桩外侧每隔一定距离埋设压力盒检测支护桩水平压力在高度上的分布变化。
5 结论
基坑开挖的施工工艺决定了开挖的成败，但是施工过程中的注意要点却不容忽视，施工前我们要做好充分的防护工作以及完善的应急措施，做到防患于未然。施工中要进行精确的监控测量，时刻关注各个参数的变化，保证所有结构的安全稳定性，从而更好地服务于整个建筑工程。
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