數控機床

        摘 要：高速切削作（zuò）為一種高（gāo）效切削的加工方法（fǎ）在航空領域中已廣泛應用。影響高速切（qiē）削的因素非常多，其中刀具對於高速切削（xuē）有著重要的（de）影響（xiǎng），刀具（jù）自身的結構、材料和幾何（hé）參（cān）數，刀具（jù）的夾持係統以及加工工藝等直接影響高速切削的效率。通過對刀具自身相關（guān）參數及與刀具相關的因素進行分析，結合航空殼體零件在實際加工中的（de）應用實例，進一步掌握刀具在高速切削（xuē）中的影響，從而提升高速切削在實際應用中的效果，降（jiàng）低企業的加工成（chéng）本。
 
        關鍵詞：高速切削；刀具；刀具夾持係統；航空殼體
 
        航空殼體類零件主要應用於航空產品的液壓傳動及機（jī）械傳動裝置，是產品（pǐn）的核心零部件。其不僅是產品裝配 母（mǔ） 體（tǐ），更是產品功能實現的樞紐（niǔ）部位。該零件的複 合 程 度 高，殼體材料多以鋁（lǚ）合（hé）金為主。其按結構（gòu）特點（diǎn）可劃分為作動類殼體、薄壁類殼體、液壓類殼體及其他類殼（ké）體。由於大多數航空殼（ké）體具（jù）有料去除率高、單道工序加工時間長和所采用的刀具種（zhǒng）類多等特點（diǎn），因而殼體類零件（jiàn）適（shì）合采用高（gāo）速切（qiē）削，以提高加工效率（lǜ）。
 
       刀具以及（jí）相關係統對於高速切削有著重（chóng）要的影響（xiǎng）。本文（wén）對（duì）刀具幾何參數、刀具夾持係統以及加工工藝等影響（xiǎng）因素進（jìn）行研究分（fèn）析。
 
       １、 高速切削
 
       高速切削（xuē）（ＨＳＭ 或 ＨＳＣ）是２０世紀９０年代迅（xùn）速（sù）走向實際應用（yòng）的先進加工技術，通常指在高主軸轉速和高進給情況下進行切（qiē）削。國際生產工程學會提出，高 速 切 削 的 切 削 線 速 度 為 ５００～７０００ ｍ／ｍｉｎ［１］。在模具 加 工 中，高 速 切 削（xuē） 可 加 工 淬 火 硬 度＞５０ＨＲＣ的鋼件。高速切削是一項係統（tǒng）技術，從刀具材 料、刀 柄、機床（chuáng）、控製係統和加工工藝等方麵均與常（cháng）規加工有很（hěn）大區別。由於不同的加工方（fāng）式、不同的工件材料有不同的高速切削範圍，因（yīn）而應根據不同的加工材料，結 合 實 際 生 產 情 況，確 定（dìng） 合 理 的 高 速 切 削 範圍［２－６］。高速切削（xuē）的速度範圍與被加工材料的關係如圖１所示。
 
       
  
              圖１ 不同加工材料大致的切削速度範（fàn）圍（wéi）
 
       ２ 、刀具對高速切（qiē）削的影響分析
 
       ２．１ 刀具幾何參數
 
       目前，高速切（qiē）削鋁（lǚ）合（hé）金刀具多（duō）采用硬質合金刀具，粗加工刀具具有良好的強（qiáng）度及排屑性能，適用於大餘量去除材料；精加工刀具具有良好的刃口鋒利性和較小（xiǎo）的徑向力，適用於減少加工變形，降低表麵粗（cū）糙度（dù）。刀具主要參數為（wéi）前、後角和螺旋角，高速切削刀具與普通刀具幾何參數的區別主要為柄部公差、螺旋角和刀具跳動（見表１）。

  
                                                表１ 不同加工材（cái）料的刀具幾何參數
  
      
  
       ２．２ 刀具（jù）材料
      
       按照刀具材料硬（yìng）度大小排列如下：金剛石（shí） ＰＣＤ＞立方氮（dàn） 化 硼 ＰＣＢＮ＞ 陶瓷 ＞ 硬（yìng） 質 合 金 ＞ 高 速 鋼ＨＳＳ；按照抗彎強度大小排列如下：高速鋼（gāng） ＨＳＳ＞硬質合金＞陶瓷＞金剛石（shí）ＰＣＤ＞立方氮化硼 ＰＣＢＮ；按照斷（duàn）裂韌性大（dà）小排列如下：高速鋼（gāng） ＨＳＳ＞硬質（zhì）合金＞立方氮化硼 ＰＣＢＮ＞金剛石 ＰＣＤ＞陶（táo）瓷。根據切削
材料以及刀具成本等方麵（miàn）綜合考慮，現階段航空企（qǐ）業高速切削鋁合金多以硬質（zhì）合（hé）金材料為主。
 
       硬質合金刀具種類按照化學（xué）成分不同（tóng），可分為碳化鎢基硬質合金和碳化鈦基硬質合金；按照晶粒大小區分，可（kě）分（fèn）為普通（tōng）硬質合金、細晶粒硬質合（hé）金和超細晶粒硬質合金。硬質合金顆粒的大小影響到合金材料的強度，普通硬質合金（jīn）晶粒度為３～５μｍ；一般細晶粒硬質合金的（de）晶粒度（dù）約為１．５μｍ；亞微細晶粒硬質（zhì）合金的晶粒度為（wéi）０．５～１μｍ；超細晶粒硬質合金 ＷＣ 的晶粒度＜０．５μｍ。晶粒細化（huà）後 可 以 提（tí）高合金的（de）硬度（dù）、耐磨（mó）性、抗彎強度和抗崩刃性。Ｋ 類和 Ｍ 類硬質合金具有較高的硬度、耐 用 度、抗 彎 強度（dù）和韌度（dù），細晶粒和超細晶粒硬質合（hé）金中由於硬質相（xiàng）和粘結相高度分散，可減少切削時產（chǎn）生的崩刃情況（kuàng），適合於高速切削鋁合金（jīn）［７］。適合高速切 削 的 硬質合金（jīn）材料見表（biǎo）２。
 
 
                                                  表２ 適合高速切削的硬質合金材料
      
  
       ２．３ 刀（dāo）柄結構
 
       刀具的夾持係統為刀柄，按照與機（jī）床連接方（fāng）式，刀柄分為７∶２４和１∶１０等（děng）２種。在傳 統 的 加 工中，通常使用的是７∶２４的刀（dāo）柄。這種刀柄端麵與主軸端麵之間存在間（jiān）隙，在主軸高速旋轉和切（qiē）削力的（de）作用下，主軸的大端孔徑膨脹，造成刀具軸（zhóu）向和徑向定位精（jīng） 度 下 降（jiàng）。高速切削通常推薦 ＨＳＫ 刀柄。ＨＳＫ 是一（yī）種小錐度（１∶１０）的空心短錐柄，使用時端麵和錐麵同時接觸（chù），從而形成高的接觸剛度，高（gāo）轉速對接口的（de）連接剛度（dù）影響不大。在（zài）高速切削中，刀柄對刀具的夾持力的大小和夾持精度的高低具有十分重要的作用（yòng）。當機床轉速達到１００００ｒ／ｍｉｎ時，應采用夾持可靠（kào）的刀柄。目前，加工中常用的刀柄為側固刀柄、卡簧（huáng）刀柄、液壓刀柄和熱脹刀柄等，側固式刀柄（bǐng）難以保證刀具的動（dòng）平衡，不適用於高（gāo）速切削；卡簧刀柄采（cǎi）用彈性夾緊方式，刀柄與刀具中間存在彈性（xìng）夾頭的過渡，會影響刀具的跳動和動（dòng）平衡，不適用於高速切削；液壓刀柄采用兩點（diǎn）夾持的一體型構造，具有很高的夾持力和夾持（chí）精度，且（qiě）減小了夾頭質量；熱（rè）脹刀柄利用刀柄裝刀孔（kǒng）熱脹冷（lěng）縮使刀具夾（jiá）緊可靠，其結構簡單對稱、夾緊力大。可見，液（yè）壓刀柄和熱（rè）脹刀柄適用於高速切削。
 
       ２．４ 刀具的動平衡及安全性
 
       高速切削設（shè）備的（de）主軸轉速一般可達到１５０００～２４０００ｒ／ｍｉｎ。刀具在高速旋（xuán）轉時存在的殘餘不平衡量會產生與轉速成平方關係的離（lí）心力，這種動態負（fù）載會激起刀（dāo）具和機（jī）床的振動（dòng），從而導致（zhì）加工表麵質（zhì）量、刀具壽命和主軸軸承壽命下降。刀具係統（tǒng）不平（píng）衡的主要因素如下：１）刀（dāo）具製造尺寸精度偏差（chà）導致不平（píng）衡；２）非對稱式刀具、刀柄以及連接件導致不平衡；３）刀具使用（yòng）時產（chǎn）生偏移導致不平衡；４）非整體（tǐ）式刀（dāo）具係統（tǒng）裝配時的累積誤差導致不平衡；５）刀（dāo）具裝夾誤差導致不平衡。
      
       為減小或限製這種由殘餘不平衡量產生的動態（tài）負載的影響，應對主軸及刀具係統進（jìn）行必要的動平衡調整。刀具動平衡分為機外平衡和機上平衡（héng），機上（shàng）動平衡利用機床主軸提供旋轉運動，其餘與機外（wài）動平衡機相同。現階段動平衡檢查主要以機外平衡為主。機外動平衡需通過專用機外動平衡（héng）機測量出（chū）不平衡的質量和相位，再通過技術手段進行調整，使刀具係統（tǒng）達到平衡（héng）標準要求。動（dòng）平衡調整過程通常（cháng）須經過多次反複，調整到最佳平衡量，以（yǐ）減小振動負（fù）載，並盡可能將較高的精度傳遞到刀具的切削刃。
 
       ２．５ 切削路徑
 
       采取不同的（de）切削（xuē）路徑能得到（dào）不同的切削效果。優化（huà）切（qiē）削路（lù）徑可提高刀具耐用度和切削效率，獲得最小的加工變形，充分發揮高速切削的優勢（shì）。本文從進、退刀（dāo）加工和刀具軌跡２個方麵（miàn）進（jìn）行（háng）分析。
 
       １）進、退刀加工。在加工進刀時，應避免刀具垂直插入工件，采用傾斜下刀方（fāng）式或者螺旋式下刀，以降低（dī）刀具載荷。在加工平麵或輪廓時，應盡量從工件外部下刀，然後水平切入工件（jiàn）。在水平退刀時，應盡（jìn）量保持加工進給速度，當（dāng）刀具垂直退出時可采用最大位移速度。
      
       ２）刀具軌跡。在（zài）高速切削時應保證刀具軌跡盡可能簡化，減少轉折點（diǎn）和急速轉向，保證刀具（jù）軌跡的平滑過渡。螺旋曲線走刀是高速切削加工中一種較為有效的走刀方（fāng）式（shì）。另外，應通過不中斷切削過（guò）程和刀具路徑，減少刀具（jù）的切入和切出次數，以獲（huò）得穩定（dìng）、高效和高精度的切削過程（chéng）［８］。
 
       ２．６ 切削參數
 
       切削參數是高速切削中重要（yào）的指（zhǐ）標之一，切削參數選擇（zé）是否合理將直接影響最終的加工效率、加工表麵質量以及加工成本。
 
       切（qiē）削速度（dù）取決於機床的性能，采用較高的切削（xuē）速度可以減少（shǎo）加工過程中的積屑瘤，提高表麵加工（gōng）質量；但（dàn）是過高的切削速度會加劇刀具磨損，降低刀具壽命。所以在零件切削過程中需要根（gēn）據現場的加工（gōng）環境（jìng）選（xuǎn）擇合適的切削速度。
 
       進給（gěi）量是影（yǐng）響（xiǎng）加工效率的主要因（yīn）素，在（zài）粗加工過（guò）程中，選用較高的進給量能夠獲得較大的材料去（qù）除率。進給量與刀（dāo）具的直徑相關（guān），每齒進給量隨直徑（jìng）增 大 而（ér） 增 加。粗加工時每齒進給量推薦 ０．１～０．３ｍｍ；精加工時每齒進給（gěi）量推薦０．０４～０．１ｍｍ。軸向切深和徑向切（qiē）寬在粗加工時根（gēn）據刀具直徑（jìng）和機床的剛度所決定。一般在選用刀（dāo）尖圓弧半徑較大的刀具時，軸向切深不宜大於刀具半徑；徑向切深與被加工材料相關（guān），對於鋁合金等（děng）輕合金材料可以選擇較大的徑向切深，甚至（zhì）滿刀切削。

       ３ 、某葉輪（lún）加工應用實例
 
       ３．１ 葉（yè）輪結構
 
       葉輪類零件屬於薄壁、易變形類零件，一（yī）般壁≤４ｍｍ。本次試加工葉（yè）輪（lún）為離心壓縮機中應用的非直紋麵葉輪（lún）（見圖２），其共有１４片葉片，直徑 為６０ｍｍ，高度為１８ｍｍ。葉片厚度為１ｍｍ，葉片間（jiān）距最（zuì）小為１ｍｍ。葉輪材料（liào）為７Ａ０４。
  
       
                       圖２ 某葉輪係（xì）列模型
 
       由於（yú）受體積限製，葉輪采用小直徑、大扭角的（de）結構，這給（gěi）葉片的加工帶來了更高的難度：整體葉輪加工（gōng）流道窄，葉片相對長，葉片間距最小處≤１．５ｍｍ，一（yī）般需要采用小刀具直徑加工，加工過程（chéng）中易造成刀具斷裂。
      
       ３．２ 刀具切削（xuē）參數的選（xuǎn）用
      
       選用（yòng）ＳＥＣＯ 的極 小 徑 係 列 刀 具，選 用４和２ｍｍ 刀具進行粗加工；１．２ｍｍ 刀具進行半精加工留餘（yú）量０．１ｍｍ；１ｍｍ 刀具（jù） 進 行 精 加 工。精 加 工刀具為錐杆結構，切削刃（rèn）末（mò）端為縮頸，該結構在（zài）讓開幹涉的同時最大限度地提高了刀具強度，保證了（le）加工穩 定 性。刀 柄 采 用 ＨＳＫ－Ａ６３ 熱（rè）脹 刀 柄 夾 持。切削參數（shù）見表３。
 
 
                             表３ 切削參數
      
  
       ３．３ 走刀過程
 
       本次加工使用 ＣＡＴＩＡ 軟件編（biān）製加工程序。粗加工采用插銑加工方（fāng）法，刀具沿葉片各角度的切線（xiàn）方向對葉輪進行插銑（xǐ）加工。插銑粗加工（gōng）的優點如下：１）由（yóu）於（yú）切削力為軸向力，可采用大懸伸避免幹涉；２）可減小工件變形；３）提高加工效率。粗加工插銑采用 定 軸３＋２方式 進 行 分 層 加 工（見 圖 ３）。在 ＣＡＴＩＡ 軟件中 選 擇 等 高 降 層 粗 銑 策（cè） 略，以 流 道輪廓為限製線，兩側葉頂為幹涉（shè）麵，刀軸方向以一次策略為單位多（duō）次旋轉（zhuǎn），以達到讓開（kāi）幹涉，去除大餘量的目的。
  

      
  
                       圖３ 粗加工示意圖（tú）
 
       精加工中，流道底（dǐ）部按照３個區域分別拾（shí）取加工麵，使用曲麵等參數線加（jiā）工策略，選擇插補軸的多軸方式，以（yǐ）區域邊（biān）界多個驅動軸為刀軸方向，通過手動設置適應 曲 率 變 化，形 成 整（zhěng） 齊、穩定和高效（xiào）的刀路。主葉片吸力麵、主葉片壓力麵、分流葉片吸（xī）力麵和分流葉片壓力麵分別采用同樣的策略，以無幹涉、無跳刀（dāo）和加（jiā）工完整為目的，以區域邊界的２５個（gè）驅動軸為刀軸方向，通過手動設置來適應劇（jù）烈的曲率變化，生成整齊可（kě）靠的刀（dāo）路（見（jiàn）圖４）。
  
  

      
                      圖４ 精（jīng）加工（gōng）示（shì）意圖（tú）
 
       ４、 結（jié）語
 
       高（gāo）速切削已（yǐ）經在航空（kōng）領域得到廣泛應用，本文從刀（dāo）具結構、刀具幾何參數、刀具夾持係統以及加工工藝等影響因素進行分（fèn）析，並結合航空殼體零件在（zài）實（shí）際加（jiā）工中的應用實例，進一步掌握刀具在高速切削中的影響，從而提升高速切削的應用（yòng）效果，降低加工成（chéng）本。