金刚石刀具高速精密切削加工的研究

HEATS 发表于 2010-9-12 10:11:07

金刚石刀具高速精密切削加工的研究

<H1>1 引言</H1>精密切削加工通常是指加工尺寸精度为0.1～1µm，加工表面粗糙度达Ra0.02～0.1µm 的切削加工。精密切削加工技术是机械制造业最重要的基础技术之一，在某种程度上可代表一个国家制造技术的整体水平。但目前在大多数生产过程中，为获得高的加工精度，精密加工切削速度通常低于常规加工切削速度，如实际生产中精密加工铝合金零件的切削速度多在v=100m/min 左右，大大低于铝件普通加工的切削速度(v=200～300m/min)。这就导致精密零件加工效率较低，生产成本较高，产品开发周期和在制时间较长。随着精密加工的应用范围日趋广泛，现代精密加工技术不仅应达到很高的加工精度，同时要求能以较低加工成本获得较高的生产效率和产品合格率。因此，研究在高速切削条件下实现精密切削加工具有重要的现实意义。为此，我们在高速数控<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/1-1.html" target=_blank>车床</A>上采用金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>进行了精密切削试验，通过优化切削用量，获得了高精度加工表面，并探讨了<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>状况、切削方式(干切削或湿切削)、切削用量等因素对加工表面粗糙度的影响规律。 
<H1>2 高速精密切削试验</H1>
<OL>
<LI>试验条件
<UL>
<LI>工件材料：LY12高强度铝合金，工件尺寸Ø140×150mm。
<LI>切削<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>：①聚晶金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>：刃口经研磨后Ra<0.02µm，直线形修光刃be=0.11mm；②天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>：刃口经研磨后Ra<0.02µm，圆弧型刀尖re=0.9mm。
<LI>机床：Hawk150 型高速数控<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/1-1.html" target=_blank>车床</A>，<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-58.html" target=_blank>切削液</A>为专用乳化液；
<LI>切削用量：ap=0.025～0.1mm，f=0.005～0.02mm/r，v=400～1200m/min。</LI></UL>
<LI>加工表面粗糙度测量
<DD>采用微机辅助轮廓仪测量工件表面粗糙度。轮廓仪对加工表面进行触针扫描，表面微观不平度信息以电模拟量(电压)形式输出，再通过采样和A/D转换得到一组离散型表面微观不平度数据，经计算机专用软件处理后打印输出Ra、Rz、Ry、s、sm测量结果及轮廓曲线图。</DD></LI></OL>
<H1>3 切削条件对加工表面粗糙度的影响</H1>
<OL>
<LI><A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>材料、刀刃形状及研磨质量的影响
<DD>天然单晶金刚石硬度和耐磨性极高，导热性好，摩擦系数低，可刃磨出极为锋锐的刀刃，是高速超精密切削铝合金的理想<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>材料。人造聚晶金刚石无法磨出r≤1µm 的锋锐刃口，因此难以达到超精密镜面切削的要求，但可用于有色金属和非金属材料的高速精密切削，且<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>成本大大低于天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>(本试验所用天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>与人造聚晶金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>的价格比为7: 1)。为获得高精度加工表面，金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>的主、副切削刃之间必须修磨成直线或圆弧过渡刃(修光刃)。直线修光刃理论上可获得比圆弧修光刃更低的加工表面粗糙度，但要求刀刃方向与进给方向严格一致，因此对刀较困难；圆弧修光刃对刀容易，使用方便，更适合加工高精度回转曲面，但<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>的制造工艺性较差，成本相对较高。
<DD>本切削试验中，两种金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>在相同的高速切削条件下(v=800m/min，f=0.01mm/r，ap=0.01mm，加乳化<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-58.html" target=_blank>切削液</A>)获得的加工表面粗糙度值见表1。 
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 align=right bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1>
<CAPTION>表1 两种<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>获得的加工表面粗糙度值</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TH>表面粗糙度参数</TH>
<TH>聚晶金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A></TH>
<TH>天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A></TH></TR>
<TR align=middle>
<TD>Ra(µm)</TD>
<TD>0.1068</TD>
<TD>0.0778</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>Ry(µm)</TD>
<TD>0.812</TD>
<TD>0.496</TD></TR></TBODY></TABLE>
<DD>由表1可见，与采用直线修光刃的人造聚晶金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>相比，采用圆弧修光刃的天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>的加工表面粗糙度Ra值下降了27%，而Ry值的下降幅度则达40%。在后续切削试验中，Ry值的下降幅度均较大。由此可知，天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>不仅可减小被加工表面轮廓曲线的峰谷均值，而且可显著降低表面轮廓曲线波动的最大高度，其原因在于天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>刃口更锋利，切削变形小，切削刃边界挤压减小。因此，在高速精密加工中，<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>的刃口锋锐性对加工表面粗糙度的影响比<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>过渡刃的几何形状更为重要。
<DD>在高速精密切削加工中，无论采用何种金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>，其刃口及前、后刀面的研磨质量(锋锐性、完整性、光洁度等)对被加工表面粗糙度均有重要影响，这一点与普通切削速度下的加工情况相同。表2 为用刃口区研磨质量不同的聚晶金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>在三种不同切削速度下进行切削试验时获得的加工表面粗糙度值(切削条件：v=500，800， 1100m/min，f=0.01mm/r，ap=0.05mm，直线修光刃be=0.2mm，加乳化<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-58.html" target=_blank>切削液</A>)。由试验结果可知，<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>研磨质量的影响十分显著。 
<TABLE cellSpacing=0 borderColorDark=#ffffff cellPadding=0 align=right bgColor=#e5ebba borderColorLight=#006600 border=1>
<CAPTION>表2 研磨质量不同的聚晶金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>的加工表面粗糙度</CAPTION>
<TBODY>
<TR align=middle>
<TH rowSpan=2><A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>研磨质量</TH>
<TH colSpan=3>加工表面粗糙度Ra(µm)</TH></TR>
<TR align=middle>
<TH>v=500m/min</TH>
<TH>v=800m/min</TH>
<TH>v=1100m/min</TH></TR>
<TR align=middle>
<TD>研磨(▽12)</TD>
<TD>0.210</TD>
<TD>0.180</TD>
<TD>0.235</TD></TR>
<TR align=middle>
<TD>精研(▽14)</TD>
<TD>0.109</TD>
<TD>0.102</TD>
<TD>0.132</TD></TR></TBODY></TABLE></DD>
<LI>干、湿切削方式的影响
<DD>高速切削加工铝合金时，干、湿切削方式对加工表面粗糙度影响较大。干式切削时(尤其当背吃刀量ap<5µm时)，切屑呈薄絮状，由于切削速度高，加工表面的切痕和粘结现象十分明显，表明此时积屑瘤较严重。湿式切削时(加特制乳化<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-58.html" target=_blank>切削液</A>)，加工表面粗糙度显著改善，可达到与普通速度精密切削(加润滑油)相同的效果。</DD></LI></OL>
<H1>4 切削用量对加工表面粗糙度的影响</H1>
<DD>高速精密切削时，切削用量的选择是影响加工质量和加工效率的主要因素。对应于不同的工艺条件，需要通过切削试验来确定合理的切削用量。在本切削试验中，根据高速数控<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/1-1.html" target=_blank>车床</A>的性能特点，并为了进行比较，选用的切削速度范围从常用的 200m/min直至超高速切削的1200m/min；选用进给量范围为0.002～0.02mm/r；采用经精密研磨的人造金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>切削LY12铝合金(加乳化<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-58.html" target=_blank>切削液</A>)。通过优选切削用量，获得了Ra=0.04～0.10µm的高光洁表面，即在比常用切削速度高8 倍的切削条件下获得了相当于▽11 光洁度的加工表面。下面分析各切削用量对加工表面粗糙度的影响。 
<OL>
<LI>切削速度的影响
<DD>传统的精密、超精密加工大都在较低切削速度下进行，如生产中对LY12铝合金进行高精度加工(Ra≤0.06µm)时，切削速度通常为v=80m/min 左右，而且对操作人员的加工经验具有较高要求。在本切削试验中，切削速度v 对加工表面粗糙度的影响结果如图1所示。 
<TABLE align=right>
<TBODY>
<TR>
<TD align=middle width=300>
<IMG style="BORDER-RIGHT: rgb(0,0,0) 1px solid; BORDER-TOP: rgb(0,0,0) 1px solid; BORDER-LEFT: rgb(0,0,0) 1px solid; BORDER-BOTTOM: rgb(0,0,0) 1px solid" alt=1 src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_cuy8i62007092804.gif" border=0> (f=0.02mm/r，ap=0.03mm) 图1 切削速度对加工表面粗糙度的影响</TD></TR>
<TR>
<TD align=middle width=300>
<IMG style="BORDER-RIGHT: rgb(0,0,0) 1px solid; BORDER-TOP: rgb(0,0,0) 1px solid; BORDER-LEFT: rgb(0,0,0) 1px solid; BORDER-BOTTOM: rgb(0,0,0) 1px solid" alt=1 src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_qwt8xg2007092805.gif" border=0> (v=800m/min，ap=0.03mm) 图2 进给量对加工表面粗糙度的影响</TD></TR>
<TR>
<TD align=middle width=300>
<IMG style="BORDER-RIGHT: rgb(0,0,0) 1px solid; BORDER-TOP: rgb(0,0,0) 1px solid; BORDER-LEFT: rgb(0,0,0) 1px solid; BORDER-BOTTOM: rgb(0,0,0) 1px solid" alt=1 src="http://www.chmcw.com/upload/news/RCL/13220_g2wtvm2007092806.gif" border=0> (v=800m/min，f=0.01mm/min) 图3 背吃刀量对加工表面粗糙度的影响</TD></TR></TBODY></TABLE>
<DD>从v=400m/min 开始切削，随着切削速度的提高，加工表面粗糙度值不断增大，但两种金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>的变化规律略有不同。v=400m/min时，加工表面粗糙度值最小，用天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>可加工出Ra=0.04µm 的表面；v=800m/min时，聚晶金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>的加工表面粗糙度值稍有增大，而天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>加工表面粗糙度值的增加幅度相对较大。当切削速度提高到v =1200m/min时，天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>加工表面的粗糙度值反而比v=800m/min时有所降低。总的来看，在高速切削区域可获得较低的加工表面粗糙度，且随着切削速度的提高，表面粗糙度值变化幅度不大，特别是天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>对切削速度的变化不敏感。
<DD>在更宽的切削速度范围内进行切削试验，同时测量了切削力和振动。试验结果表明，当切削速度v=100m/min时，机床和工件的振动较大，加工表面较粗糙(这一点在对45钢的切削试验中也得到了验证)；但当切削速度提高到v=400m/min(转速n=910r/min)时，机床和工件的振动明显减小，加工表面变得较为光滑；而在400～1200m/min的切削速度范围内，机床和工件的振动均较小，可获得光滑的加工表面。显然，在满足精密加工要求(Ra≤0.1µm)的前提下，采用800～1200m/min的切削速度进行数控加工，可大大提高精密切削的生产效率和自动化水平。 </DD>
<LI>进给量的影响
<DD>切削试验中，进给量对加工表面粗糙度的影响规律如图2所示。人造聚晶金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>以f=0.015mm/r的进给量切削时，表面粗糙度值有一个跃升；而在f=0.005mm/r和f=0.02mm/r时加工表面粗糙度相差不大；当f>0.02mm/r时，加工表面粗糙度值将迅速增大，说明该进给量不适用于超精密加工。天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>以f<0.02mm/r的进给量进行切削时，加工表面粗糙度值变化很小。为获得高光洁表面，精密切削加工时一般采用极小的进给量。试验表明，用f=0.005mm/r的微小进给量切削时，加工表面十分光洁，<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>上的积屑瘤很小；当f 值增大时，聚晶金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>的加工表面粗糙度随着积屑瘤高度的变化而变化，而天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>的加工表面粗糙度几乎不发生变化，这是因为天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>刃口锋利，刀面光洁，与工件材料的摩擦系数较小，因此产生的积屑瘤很小。但在切削试验中也发现，采用更小的进给量切削时，工件表面的挤压和粘结痕迹较明显，表面粗糙度值反而增大，加工效率也进一步降低。由图2试验结果可知，合理的进给量应选为f=0.02mm/r，此时可获得与f=0.005mm/r时相同的加工表面质量(Ra=0.06µm)，而加工效率可提高4倍。 </DD>
<LI>背吃刀量的影响
<DD>背吃刀量ap的大小对加工表面质量影响很大。普通精密切削一般采用很小的背吃刀量。在高速切削条件下，背吃刀量对加工表面粗糙度的影响规律如图3所示。由图可见，两种金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>加工表面粗糙度的变化规律存在差别。随着背吃刀量的增大，聚晶金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>的加工表面粗糙度值将缓慢增大，在ap=0.025～0.10mm范围内，加工表面粗糙度值Ra≤0.1µm，可满足精密加工要求。观察表明，当背吃刀量ap≤0.025mm时，积屑瘤高度变化不大，即对加工表面粗糙度影响不大；当背吃刀量ap>0.025mm后，积屑瘤将随着ap值的增大而增大，其原因是切削温度和积屑瘤底部粘结面积发生变化造成的。由于天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>刃口锋利，因此可选用较小背吃刀量进行切削。由图可见，当ap由0.01mm提高到0.02mm时，加工表面粗糙度变化很小；当ap=0.03mm时，获得的加工表面粗糙度值最低；而当ap<0.005mm时，虽然切屑极薄，但加工表面并不光洁，经分析，这是因为试验使用的<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>刃口半径r较大，当切削层深度极小时，切削较困难，易发生挤刮，造成加工表面粗糙度加大。为使加工表面光洁，切削过程稳定，加工效率提高，在其它切削试验中均采用ap=0.03mm的背吃刀量。</DD></LI></OL>
<H1>5 结论</H1>
<DD>天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>和聚晶金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>在v=400～1200m/min的高速切削范围内均能获得Ra<0.1µm的光洁表面；天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>在v=1200m/min时可获得Ra=0.05µm的高光洁表面，而聚晶金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>则具有价格较低的优势；在满足精密加工质量的前提下，对<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>材料、切削用量和切削条件均有较大选择空间。通过切削试验及分析，可得如下结论： 
<OL>
<LI>在高速精密切削中使用特制的乳化<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-58.html" target=_blank>切削液</A>，可使加工表面粗糙度大为改善，达到与使用润滑油进行常规精密切削相同的加工效果。
<LI>天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>的加工表面质量优于聚晶金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>，可使表面轮廓曲线波动的最大高度值Ry显著下降，但聚晶金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>具有成本优势，可以较好的经济效益满足高速精密切削的要求。
<LI>切削速度的选择主要受机床和工艺系统振动特性的影响，应在振动较小的转速范围内合理选用切削速度。
<LI>在一定的取值范围内(f≤0.02mm/r)，进给量变化对天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>加工表面粗糙度的影响很小，可根据加工效益要求尽可能选择较大进给量。
<LI>天然金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>可选用相对较小的背吃刀量，但选用最小的背吃刀量并不能获得光洁度最高的加工表面，可通过切削试验确定最佳背吃刀量值。对于聚晶金刚石<A href="http://buy.china.machine35.com/trade/6-52.html" target=_blank>刀具</A>，加工表面粗糙度值将随着背吃刀量的增大而缓慢提高，因此应尽量选用较小的背吃刀量。</LI></OL></DD>

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