基于HSM的淬硬钢数控加工技术

　　淬硬钢的延伸率小、塑性低，易于形成高光洁的加工表面，在模具行业中得到广泛的应用。但淬硬钢在淬火或低温去应力退火后，硬度往往高于40 HRC，材料的切削加工性能变差，刀具的过早失效成为制约高速数控加工应用的主要原因。把握淬硬钢的加工技术，选择合理的刀具及其几何参数，延长刀具的使用寿命，是高速数控加工要解决的主要问题之一。

1 淬硬钢的高速数控加工技术

　　淬硬钢的高速数控加工技术主要包括：切削刀具及应用、刀具刃口强化、高速切削的走刀方式、编程策略、优化的高速加工参数、充分冷却润滑并具有环保特性的冷却方式等。

　　1.1 切削刀具及应用

　　高速数控加工的刀具不仅在耐用度和可靠性方面比常规加工有更高的要求，在刀具系统的安全性方面也有特殊的要求。采用硬质合金涂层刀具材料，如氮化钛、氮化钛铝和碳氮化钛等，能够加工HRC40甚至更硬的工件材料。从提高刀具耐用度和可靠性的角度来看，采用涂层切削刀具加工淬硬钢是非常适宜的。

　　涂层刀具的涂层厚度一般在2～18m之间，它在刀具性能方面起着重要的作用。较薄的涂层比厚的涂层在冲击切削时，经受温度变化的性能要好，因为较薄的涂层应力较小，不易产生裂纹。用薄涂层刀片进行干式切削可以延长刀具寿命约40％。

　　目前，氮化钛涂层刀具在所有涂层刀具中约占80％。然而，在高速干式切削的情况下，涂层氮铝钛(TiAlN)具有较好的热稳定性，它的硬度可达维氏3 500度，工作温度高达1 470下，还适宜干式铣削及小直径孔的深孔钻削。其性能优于氮化钛4倍。涂层刀片有较长的刀具寿命，在干式切削时比湿式切削更稳定。

　　切削刀具结构对刀具耐用度和安全性有很大影响，刀具与机床的联接普遍采用HSK刀柄或类似双面接触短锥刀柄。刀具夹紧的最新趋势是采用冷缩式夹紧结构(或称热装式)。装夹时利用感应或热风加热使刀杆孔膨胀，取出旧刀具，装入新刀具，然后采用风冷使刀具冷却到室温，利用刀杆孔与刀具外径的过盈配合夹紧。这种结构刀具刚度高，动平衡性好，夹紧力大，高转速下仍能保持高的夹紧可靠性，特别适用于高速数控切削加工。

　　1.2 刀具刃口强化

　　由于涂层切削刀具硬而较脆，不能经受太大的压力，因此制造刀具时必须结合其特点进行设计，以便满足高速数控加工的需要。方法是对涂层切削刀具加强支撑、分散压力。主要方式有：刃带、强化、刃带强化等。

　　(1)刃带即在刀具刃口上磨出窄平面，以取代较脆弱而锋利的刀刃。要先在刀具上找出最小的平面宽度并赋予刀刃适当强度和寿命的角度，从而大大提高刀具的耐用度。

　(2)强化就是圆整锋利的刃口。虽然强化不像刃带有棱有角，但是强化对用于精加工的涂层刀具的刀片材料效果很好。这些强化刀具主要用于浅切深、低速进给、并保持切削压力最小。

　　(3)刃带强化当强化用于倒棱的前面与后面相交处时，也能加强刃带。在实际应用中，当有微小的剥落发生时，强化能分散在这些部位上的压力，不会使倒棱变大而加强了刀具刃口。

　　除了针对工件确定最适合的刀具刃口外，还必须优化刀具的几何角度和排除切屑的能力。通过增加后角来减小切削力和对刀具的压力，降低切削区的温度，使正前角尽可能地大，减少切削力对切削加工的影响。

　　1.3 走刀方式与编程策略

　　淬硬钢的高速数控加工常采用分层环切加工。斜线轨迹进刀方式的切削力是逐渐加大的，对刀具和主轴的冲击比垂直下刀小，可明显减少下刀崩刃的现象。螺旋式轨迹进刀方式采用螺旋向下切入，最适合型腔高速加工的需要。直接垂直向下进刀极易出现崩刃现象，不宜采用。

　　高速数控加工的编程策略是尽可能保持恒定的刀具载荷，把进给速率的变化降到最低，使程序处理速度最大化。主要方法有：①尽可能减少程序块，提高程序处理速度；②在程序段中可加人圆弧过渡段，减少速度的急剧变化；③粗加工要注意保证本工序和后续工序加工余量均匀，减少切削负荷的变化；④多采用分层顺铣方式；⑤切入和切出尽量采用连续的螺旋和圆弧轨迹进行切向进刀，以保证恒定的切削条件；⑥充分利用数控系统提供的仿真验证的功能，在加工前必须经过仿真，验证刀位数据的正确性、刀具各部位是否与零件发生干涉及刀具与夹具附件是否发生碰撞，确保加工质量和操作安全。

　　1.4 切削用量与切削液

　　淬硬钢高速数控加工的铣削用量主要考虑加工效率、加工表面质量、刀具磨损以及加工成本。不同刀具加工不同的工件材料时，铣削用量会有很大的差异。通常，随着切削速度与加工效率的提高，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的提高而降低。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。高速切削参数的选择原则是：高的切削速度、中等的每齿进给量、较小的轴向切深和适当大的径向切深。

　　淬硬钢高速数控加工时，由于金属去除率和切削热的增加，切削液必须具备将切屑快速冲离工件、降低切削热和增加切削界面润滑的功能。常规的切削液及加注方式很难进入加工区域，反而会加大切削刃在切人切出过程的温度变化，产生热疲劳，降低刀具寿命和可靠性。

　　微量油雾冷却一方面可以减小刀具一切屑一工件之间的摩擦，另一方面，细小的油雾粒子在接触到刀具表面时能快速气化，其换热效果与普通冷却液热传导的换热效果相比，能带走更多的热量，目前已成为首选的冷却介质。

　　氮气油雾冷却介质在钛合金的高速铣削中具有良好的效果，除具有空气油雾的冷却润滑作用外，还具有抗氧化磨损等作用。在33 m／min的铣削速度时，相比较空气油雾冷却，刀具耐用度提高了60％，铣削力可降低20％～30％。

2 淬硬钢的高速数控加工实例

　　2.1 涂层硬质合金刀具与未涂层硬质合金刀具的寿命对比

　　(1)实验条件

　　机床：MIKRON HSM700高速数控加工中心刀具：涂层氮铝钛(TiAlN)硬质合金刀具(WC基体)与未涂层硬质合金刀具(WC基体)

　　(2)实验步骤及数据

　　将3种含Co量不同的涂层硬质合金和未涂层硬质合金刀具对相同材质的淬硬钢SKD61(40HRC)进行加工，分别检测刀具的磨损情况。实验数据、实验结果、刀具磨损图片及磨损量曲线图。

　　(3)实验分析

　　根据实验数据，可作出3种刀具磨损量对比曲线

　　(4)实验结论

　　①涂层氮铝钛(TiAIN)硬质合金刀具比未涂层硬质合金刀具的寿命高出很多。在同等条件下，如刀具切削长度为1 1TI时，涂层刀具的寿命是未涂层刀具的2至4倍。

　　②涂层氮铝钛(TiAIN)硬质合金刀具比未涂层硬质合金刀具的刀具磨损过程慢。主要是由于涂层的支撑作用，延缓了刀具的磨损。因此，涂层氮铝钛(TiAIN)硬质合金刀具的寿命更长。

　　2.2 淬硬钢加工的切削力、刀具磨损与破损形式

　　2.2.1 切削力

　　表2中列出了直径为62 mm的TiAIN涂层硬质合金刀具铣削加工45淬硬钢时，不同切削参数变化对铣削力的影响。

　　结果表明：切削速度对铣削力的影响最小，且随切削速度的增加，铣削力有下降趋势。目前切削速度可达到300 m／min。提高每齿进给量和切削深度都会使得切削力呈直线上升。切削深度对切削力的影响最显著。因此每齿进给量和切削深度应尽量小，可通过切削速度的提高实现进给量的增大。随着刀具磨损加剧，切削力增大。

　　2.2.2 刀具磨损与破损形式

　　淬硬钢高速加工常用的刀具结构形式有平底铣刀、球头铣刀和可转位铣刀等。平底铣刀的刀尖很容易破损，刀具易失效。相同条件下，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不象平底铣刀刀尖那样薄弱，并且刀刃形状有利于切削刃上载荷的均匀分布。但球头铣刀的制造比平底铣刀困难。可转位铣刀的刀片可根据加工条件设计成有利于延长刀具寿命的不同形式，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；但是这类铣刀的刀具直径一般大于8 mm，不能用于小型模具型腔的加工。因此淬硬模具材料的粗加工应尽可能使用可转位铣刀，精加工时可根据加工条件选择相应的整体式球头铣刀或平底铣刀。

　　铣削是断续切削，在铣削过程中切削力循环变化产生高频振动，影响刀具寿命；加工淬硬钢时，刀具破损更为严重。刀具后刀面的磨损比前刀面严重，主要失效形式有刀尖破损、涂层烧伤与脱落、侧刃微崩等。

　　2.2.3 影响刀具磨损的主要因素

　　影响刀具磨损的主要因素有：

　　(1)刀具直径：在相同的切削参数和加工长度条件下，直径小的铣刀磨损比直径大的铣刀磨损严重，而加工表面质量相差不大。因此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，切削深度和进给速度尽量小。

　　(2)刀具几何参数：由于加工淬硬钢时刀具的失效主要形式为刀尖破损，因此应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等。

　　(3)刀具材料：可用于淬硬钢加工的刀具材料主要有硬质合金、硬质合金涂层、陶瓷和CBN刀具。陶瓷刀具的抗冲击韧性差，抗弯强度小，不太适应断续切削；CBN刀具冲击韧性好，但价格贵，应用比较少。

3 结语

　　淬硬钢的高速数控加工技术是多种先进加工技术的集成，不仅涉及到高速数控加工工艺，而且还包括高速数控加工机床、数控系统、高速数控切削刀具及CAD／CAM技术等。本文通过对淬硬钢的高速铣削力、刀具磨损以及加工工艺技术的研究与实践，为生产实际中的淬硬钢的高速数控加工提供了一定的理论依据。

　　实践证明：淬硬钢的高速数控铣削加工表面质量好，形状精度提高，比电火花加工提高效率50％，可减少手工修磨工作量，对于复杂工件表面的加工更具明显的优势。还可避免电火花加工产生的表面损伤，提高模具寿命20％。

　　高速数控切削是一项先进的、正在发展的综合技术，必须将高性能的高速数控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，才能充分发挥高速数控切削加工工艺技术的优势。