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高速切削加工中刀具技術的選擇

2014-7-25 來源：數（shù）控機床市（shì）場網作者：鄭（zhèng）穎（襄（xiāng）陽汽車職業（yè）技術學院）

0 引言（yán）

高（gāo）速加（jiā）工（gōng）技術由於其精度高、產品（pǐn）表（biǎo）麵質量好，生產效率高，被（bèi）認為是 21 世紀最有發展前途的一種先進製造技（jì）術。特別是在當前市場競爭日趨激（jī）烈的情況下，企業為滿足時代與市場變化的需求，隻有通過不斷提高產品質（zhì）量（liàng）、降低生產成本、改進服務方式、開（kāi）發適應時代變換及有（yǒu）利於環保的新產品，因此不斷推動了這一技術（shù）的發展。高速切（qiē）削加工技術作為機械（xiè）製造中（zhōng）一種集高效、優質、低耗的先進製造（zào）技術，相對於傳統的（de）切削加工，其（qí）切削速度、進給速度都得到了很（hěn）大的提（tí）高。

1 高速加工（gōng）的定義

高速加工，就是采用超硬材料的刀具，通過極（jí）大（dà）地提高切削速度和進給速度，來提高材料切除率、加工精度和加工表麵質量的一種（zhǒng）現（xiàn）代加工（gōng）技術，即以較快的生（shēng）產節拍對零件進行加工。高速加工的一個生產節拍（pāi）一（yī）般包括：零件送進→定位夾緊→刀（dāo）具快進→刀具工進→刀具快（kuài）退→工具（jù）鬆開、卸下零件→質量檢測等七個基本（běn）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（gè）環節（jiē）上。一般主軸轉速（sù）≥ 8 000r/min，最高可達到：10 000 r/min~150 000 r/min ；進給（gěi）速度（dù）超過 40 m/min，為普通切削的 5 倍（bèi） ~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（dào） 0.7s~1.5s。高速加工（gōng）切削速度隨加工（gōng）方（fāng）法不同有所不同，也隨加工材料不同而（ér）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（gāo）速切削（xuē）加工技術中的一個關鍵因（yīn）素，它（tā）對產品加工效率、生（shēng）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（bú）僅要承受高切削力、高（gāo）溫（wēn）、振動、衝擊（jī）等載荷（hé），而且還（hái）應具有良好的力學性能和熱穩定性，即具有高硬度（dù）、高強度、高韌性、高（gāo）耐（nài）磨性、抗氧化能力強和抗（kàng）衝擊能力強（qiáng）等特性。此外，與（yǔ）傳統切削加工相（xiàng）比，由於高速切削速（sù）度高，導致前刀麵摩（mó）擦力增大，使刀具接觸麵溫度增高，要求（qiú）刀具具有高熔點、高耐熱（rè）性、抗熱衝擊性能、高（gāo）溫力學性能等。同時，為（wéi）了保證高（gāo）速切削的加工要求，在刀具材料選定後，應選擇合理的刀具裝夾結（jié）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（gāo）速切削刀具的作業強度，其刀具材（cái）料應具備（bèi）以下幾個性能：1）高硬度和高韌性，能夠承受刀具高速（sù）回轉所產生的衝擊和振動，不發生崩刃和斷裂（liè）現象（xiàng）；2）高耐熱性，能夠承受刀具（jù）高速作（zuò）業過程的高溫（wēn），並具有較強的（de）抗氧化能力。3）高耐磨性，保證（zhèng）刀具在高速切削中，不易形成鋸齒形（xíng）和厚度變化的斷續切屑，有（yǒu）效防止刀具的動平衡性破壞，而導致刀具加（jiā）速磨損。除（chú）了以上性能之外，還要求刀具材料必須具備抗（kàng）熱衝擊（jī）性、抗斷裂和塑性變形的能力。目前高速刀（dāo）具材料主要以（yǐ）塗層硬質合金、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（huà）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 塗層為材料的高（gāo）速硬質刀具適（shì）合加工高強度（dù）鑄鐵件及精鍛結構（gòu）鋼件；采用聚晶金剛石（PCD）、超細硬質合金刀（dāo）具適合加工鑄鋁合金件；采（cǎi）用（yòng）高粉末 Co 冶金表麵（miàn）塗覆的高速鋼整體拉（lā）刀、滾刀適用於加工各種精鍛鋼件、鑄（zhù）鐵件；金屬陶瓷硬度和抗斷裂性與硬質合金基本相當，但導熱係數卻不及硬質（zhì）合金的 1/10，且具有優異的抗粘結性、耐（nài）氧化性和耐磨性，比較適合於模具鋼加工。塗層硬（yìng）質合金由於耐磨性好，且能很好的保持刃口形狀，使零件有高的精度和表麵加工質量，如聚（jù）晶金剛石或（huò）金剛石塗層刀具常用於加工有色金屬或非金屬材料。

2.2 刀（dāo）具裝夾結構的選（xuǎn）擇

高速切（qiē）削加工在對切削刀具的剛性和高機械性能具有很（hěn）高要求的同時，對刀具的裝夾力與裝夾精度也有比（bǐ）較高的要求。刀具係統中，裝夾刀柄與刀具組成（chéng）了一個完整的刀具體。在（zài）刀具高速旋轉加工過程中，由於離心力及（jí）震動的影響，刀具係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。這就要求刀具係統有高（gāo）的幾（jǐ）何精（jīng）度、裝夾剛度和裝夾定位精度。而普通切削加工中大多（duō）采用 7:24 錐（zhuī）度單麵夾持刀柄係統，這類常規刀柄在高（gāo）速（sù）切削時，往往會出現剛性不夠、重複定位精度不穩定、不利於快速換刀等現象。為了提高剛性和裝夾精（jīng）度，目前（qián）國外普遍采用 1:10 錐度的（de） HSK 空心刀柄，它主要依（yī）靠空心薄壁的（de）徑向膨脹量（liàng）保（bǎo）持與（yǔ）主軸內錐（zhuī）孔變形來實現夾緊，采用小錐麵的夾緊力提高接口承（chéng）載能力及良好的定位（wèi）作用，具有換刀快、重複定位精度高等優點。如山特維克可樂滿公司的刀柄係統（tǒng）。

2.3 刀具（jù）幾何參數選擇

刀具材料選定後，刀具幾何參數的選擇（zé）會直接影響到刀具壽命及切削速度，一（yī）般（bān）來說應（yīng）選擇高強度的刀（dāo）片。對圓刀片和球頭銑刀（dāo），注意有效直徑的概念。與普通切削不同，高速切削（xuē）時刀具的前角應小 10°，後角應大 5°~8°。由於後角在高速切削時的進給（gěi）速度（dù）高，為了減少刀具與（yǔ）工件（jiàn）之（zhī）間的摩擦，後角選擇 120°以上；為了減少切屑流出阻力和降低刀具的磨損，刀具（jù）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（yī）般刃傾（qīng）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（yòng）壽命（mìng）。

2.4 刀具的安全性

由（yóu）於轉速（sù）的提高，其安全（quán）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（gōng）作。對於（yú）放坡開挖，要維護已（yǐ）經開（kāi）挖基坑（kēng）邊坡的穩（wěn）定性，減少基坑暴露時間。除了通過降、排水係統控製外部載荷外，還必須采取適當（dāng）的支（zhī）護措施，對坡麵形（xíng）成一定的（de）保護，確保坡土體自（zì）身的抗滑力始終大於該滑動麵上的滑動力，從而防止部分邊坡發生滑塌現象。

4 基坑開挖施工的注（zhù）意要點

4.1 一般的注意要點

盡管放坡開挖簡單方便，但是（shì）一旦邊坡穩（wěn）定失控將引起嚴重的事故災難（nán），而且（qiě）補救工（gōng）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（zhèng）確把握（wò），基坑邊坡必須經過驗算；土（tǔ）質較差且施工期較長的基坑，邊坡宜采用（yòng）鋼絲網水泥或其他材（cái）料（liào）進行護坡；施工（gōng）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（qiú）實施。

深（shēn）基坑若采用機械挖土（tǔ），嚴禁挖（wā）土機械碰撞支撐、圍護牆等支護機構，坑底應保留 200mm~300mm 厚基土。對麵積較大的一級基坑，土（tǔ）方宜采用分塊、分區對稱開挖和分（fèn）區安裝支撐的施工方（fāng）法。相鄰兩基坑打（dǎ）樁開挖施工會相互影響，當拆（chāi）除某一錨杆，必須采取一定的樁錨圍護方案，防止影響另（lìng）一錨杆的支（zhī）撐性能，引起支護樁或（huò）工（gōng）程樁破壞、基坑護坡坍塌或樁頂發生位（wèi）移。基坑內部應（yīng）該設置合理（lǐ）的扶梯以及行人（rén）支撐防（fáng）護，保證施工人員的安全。

4.2 臨近人員、建築的保護

當施工給臨近的人員建築物或者植物造成一定的影響時，必須派駐專門人員進行建築物沉降以及位移的監控工作。當基坑挖深深度大（dà）於 7m 時, 在坑深兩倍的水平範圍確保無主幹道、生命線工（gōng）程（chéng）及重要的建築物。

4.3 監控測量

在基坑開挖過程中，為保證基（jī）坑開挖的安全，必（bì）須（xū）對變形位移、地下水位（wèi）以及應力（lì）應變進行嚴密的監控測量。變形測量的對象主要為地麵（miàn）坡麵、地下管線的沉降以及（jí）圍（wéi）護結（jié）構、及（jí）支護結構的位移；地下水位的測量一般通過預留（liú）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（lì）以（yǐ）及排水量和含沙量（liàng）的測量。在對應力應變測量時並沒有精確的數值（zhí），而要根據施工工況進行分析計算出變化範圍。支護基坑（kēng）的支撐軸力決定支護安全（quán）穩定性，所以要確（què）保軸力的變化在正常值內。一般都會在支護樁外（wài）側每隔一（yī）定距離埋設壓力盒檢測支護樁水平壓（yā）力在高（gāo）度上的分布變（biàn）化。

5 結論（lùn）

基坑開（kāi）挖的施工工藝決定了開挖的成（chéng）敗，但是施（shī）工過程中的注意要（yào）點卻不容忽視，施工（gōng）前我們要做好（hǎo）充分的防護工作（zuò）以及完善的應急措施，做到防患於未然。施工中要進行精確的監（jiān）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，從而更好地服務於整個建築工程。

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