高速切削加工中刀具技術的選擇
2014-7-25 來源：數控機床市場網 作者：鄭穎（襄陽汽車職業技術學院）
0 引言
高速加工技術由于其精度高、產品表面質量好，生產效率高，被認為是 21 世紀最有發展前途的一種先進制造技術。特別是在當前市場競爭日趨激烈的情況下，企業為滿足時代與市場變化的需求，只有通過不斷提高產品質量、降低生產成本、改進服務方式、開發適應時代變換及有利于環保的新產品，因此不斷推動了這一技術的發展。高速切削加工技術作為機械制造中一種集高效、優質、低耗的先進制造技術，相對于傳統的切削加工，其切削速度、進給速度都得到了很大的提高。
1 高速加工的定義
高速加工，就是采用超硬材料的刀具，通過極大地提高切削速度和進給速度，來提高材料切除率、加工精度和加工表面質量的一種現代加工技術，即以較快的生產節拍對零件進行加工。高速加工的一個生產節拍一般包括：零件送進→定位夾緊→刀具快進→刀具工進→刀具快退→工具松開、卸下零件→質量檢測等七個基本生產環節。在高速加工中，高速主要體現在刀具快進、工進及快退 3 個環節上。一般主軸轉速≥ 8 000r/min，最高可達到：10 000 r/min~150 000 r/min ； 進給速度超過 40 m/min，為普通切削的 5 倍 ~10 倍；轉速特征值達到 0.5~200×106，換刀時間：3s~5s，最快可以達到 0.7s~1.5s。高速加工切削速度隨加工方法不同有所不同，也隨加工材料不同而不同。例如 ：車削： 700m/min~7000m/min, 銑削：300m/min~6 000m/min，鋁合金：1 000m/min~7 000m/min，鑄鐵：800m/min~3 000m/min。
2 高速切削加工刀具技術的選擇
刀具作為高速切削加工技術中的一個關鍵因素，它對產品加工效率、生產成本、加工質量等都具有直接的影響。在生產加工過程中，刀具不僅要承受高切削力、高溫、振動、沖擊等載荷，而且還應具有良好的力學性能和熱穩定性，即具有高硬度、高強度、高韌性、高耐磨性、抗氧化能力強和抗沖擊能力強等特性。此外，與傳統切削加工相比 ，由于高速切削速度高 ，導致前刀面摩擦力增大，使刀具接觸面溫度增高，要求刀具具有高熔點、高耐熱性、抗熱沖擊性能、高溫力學性能等。同時 ，為了保證高速切削的加工要求，在刀具材料選定后，應選擇合理的刀具裝夾結構、刀具幾何參數，同時考慮刀具的安全性。
2.1 刀具材料選擇
根據高速切削刀具的作業強度，其刀具材料應具備以下幾個性能：1）高硬度和高韌性，能夠承受刀具高速回轉所產生的沖擊和振動，不發生崩刃和斷裂現象 ；2）高耐熱性，能夠承受刀具高速作業過程的高溫，并具有較強的抗氧化能力。3）高耐磨性，保證刀具在高速切削中，不易形成鋸齒形和厚度變化的斷續切屑，有效防止刀具的動平衡性破壞，而導致刀具加速磨損。除了以上性能之外，還要求刀具材料必須具備抗熱沖擊性、抗斷裂和塑性變形的能力。目前高速刀具材料主要以涂層硬質合金、金屬陶瓷、非金屬陶瓷、CBN 為主。其中采用TiC 為基體的金屬陶瓷化學穩定性比較好，且具有耐氧化性、耐磨性和抗粘結性，適合模具鋼加工；以 SiN 陶瓷、Ti 基陶瓷、TiCN 涂層為材料的高速硬質刀具適合加工高強度鑄鐵件及精鍛結構鋼件；采用聚晶金剛石（PCD）、超細硬質合金刀具適合加工鑄鋁合金件；采用高粉末 Co 冶金表面涂覆的高速鋼整體拉刀、滾刀適用于加工各種精鍛鋼件、鑄鐵件；金屬陶瓷硬度和抗斷裂性與硬質合金基本相當，但導熱系數卻不及硬質合金的 1/10，且具有優異的抗粘結性、耐氧化性和耐磨性，比較適合于模具鋼加工。涂層硬質合金由于耐磨性好，且能很好的保持刃口形狀 ，使零件有高的精度和表面加工質量，如聚晶金剛石或金剛石涂層刀具常用于加工有色金屬或非金屬材料。
2.2 刀具裝夾結構的選擇
高速切削加工在對切削刀具的剛性和高機械性能具有很高要求的同時，對刀具的裝夾力與裝夾精度也有比較高的要求。刀具系統中，裝夾刀柄與刀具組成了一個完整的刀具體。在刀具高速旋轉加工過程中 ，由于離心力及震動的影響 ，刀具系統可能導致振動或傾斜 ，使加工精度降低，刀具磨損加劇 ，降低機床使用壽命。這就要求刀具系統有高的幾何精度、裝夾剛度和裝夾定位精度。而普通切削加工中大多采用 7:24 錐度單面夾持刀柄系統，這類常規刀柄在高速切削時，往往會出現剛性不夠、重復定位精度不穩定、不利于快速換刀等現象。為了提高剛性和裝夾精度，目前國外普遍采用 1:10 錐度的 HSK 空心刀柄，它主要依靠空心薄壁的徑向膨脹量保持與主軸內錐孔變形來實現夾緊 ，采用小錐面的夾緊力提高接口承載能力及良好的定位作用，具有換刀快、重復定位精度高等優點。如山特維克可樂滿公司的刀柄系統。
2.3 刀具幾何參數選擇
刀具材料選定后 ，刀具幾何參數的選擇會直接影響到刀具壽命及切削速度 ，一般來說應選擇高強度的刀片。對圓刀片和球頭銑刀 ，注意有效直徑的概念。與普通切削不同 ，高速切削時刀具的前角應小 10°，后角應大 5°~8°。由于后角在高速切削時的進給速度高 ，為了減少刀具與工件之間的摩擦 ，后角選擇 120°以上 ；為了減少切屑流出阻力和降低刀具的磨損 ，刀具前角選擇 120°左右；刃傾角影響切屑的方向和切削力的大小，一般刃傾角選擇為 150°~100°，這樣以減小切削時刀具的磨損，提高刀具的使用壽命。
2.4 刀具的安全性
由于轉速的提高，其安全性問題變得越來越重要。如40mm 直徑刀具，主軸轉速達到 30 000r/min，其射出的速度可下一層的開挖工作。對于放坡開挖，要維護已經開挖基坑邊坡的穩定性，減少基坑暴露時間。除了通過降、排水系統控制外部載荷外，還必須采取適當的支護措施，對坡面形成一定的保護，確保坡土體自身的抗滑力始終大于該滑動面上的滑動力，從而防止部分邊坡發生滑塌現象。
4 基坑開挖施工的注意要點
4.1 一般的注意要點
盡管放坡開挖簡單方便，但是一旦邊坡穩定失控將引起嚴重的事故災難，而且補救工作十分困難。因此基坑放坡開挖工程必須對場地地質條件正確把握，基坑邊坡必須經過驗算；土質較差且施工期較長的基坑，邊坡宜采用鋼絲網水泥或其他材料進行護坡；施工之前一定進行降水措施的安排，確保設計、施工、監測以及維護各環節嚴格按技術要求實施。
深基坑若采用機械挖土，嚴禁挖土機械碰撞支撐、圍護墻等支護機構，坑底應保留 200mm~300mm 厚基土。對面積較大的一級基坑，土方宜采用分塊、分區對稱開挖和分區安裝支撐的施工方法。相鄰兩基坑打樁開挖施工會相互影響 ，當拆除某一錨桿，必須采取一定的樁錨圍護方案 ，防止影響另一錨桿的支撐性能，引起支護樁或工程樁破壞、基坑護坡坍塌或樁頂發生位移。基坑內部應該設置合理的扶梯以及行人支撐防護，保證施工人員的安全。
4.2 臨近人員、建筑的保護
當施工給臨近的人員 建筑物或者植物造成一定的影響時，必須派駐專門人員進行建筑物沉降以及位移的監控工作。當基坑挖深深度大于 7m 時, 在坑深兩倍的水平范圍確保無主干道、生命線工程及重要的建筑物。
4.3 監控測量
在基坑開挖過程中，為保證基坑開挖的安全，必須對變形位移、地下水位以及應力應變進行嚴密的監控測量。變形測量的對象主要為地面坡面、地下管線的沉降以及圍護結構、及支護結構的位移；地下水位的測量一般通過預留的水位觀測孔以及壓力計進行包括降水造成的地下水位變化、孔隙水的壓力以及排水量和含沙量的測量。在對應力應變測量時并沒有精確的數值，而要根據施工工況進行分析計算出變化范圍。支護基坑的支撐軸力決定支護安全穩定性，所以要確保軸力的變化在正常值內。一般都會在支護樁外側每隔一定距離埋設壓力盒檢測支護樁水平壓力在高度上的分布變化。
5 結論
基坑開挖的施工工藝決定了開挖的成敗，但是施工過程中的注意要點卻不容忽視，施工前我們要做好充分的防護工作以及完善的應急措施，做到防患于未然。施工中要進行精確的監控測量，時刻關注各個參數的變化，保證所有結構的安全穩定性，從而更好地服務于整個建筑工程。
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