淬硬钢高速铣削加工特征分析与刀具设计.docx
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淬硬钢高速铣削加工特征分析与刀具设计
毕业论文(设计)
题目淬硬钢高速铣削加工特征分析与刀具设计
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日期年月日
目 录
摘要
本文研究了涉及高速铣削各方面的加工要素,如切削参数对表面粗糙度的影响,切削特征量的变化规律,用数学方程描述模具几何特征,并加以归类,论述了模具几何特征之间的关系,结合实例具体分析,为提高高速加工的编程效率打下了基础。
关键词:
高速铣削淬硬钢模具铣刀几何特征
1高速铣削加工表面质量与效率分析
1.1高速铣削淬硬模具钢表面质量影响因素
已加工表面质量,是指零件在加工后的表面层状态。
主要包括表面粗糙度(表面几何学方面的参数)、表面层加工硬化程度和表面层残余应力的性质及其大小(表面物理性能方面的参数)等指标。
已加工表面质量对零件的使用性能有很大的影响。
如表面粗糙度会影响接触刚度、配合性质、耐磨性、抗腐蚀性及疲劳强度等。
表面层残余拉应力容易使表面产生微裂纹,降低疲劳强度,使刚度差的零件发生变形而降低形状精度,但残余压应力则可阻止微裂纹的产生与扩展,提高零件的使用寿命。
表面加工硬化层虽然会增加其耐磨性,但由于硬化不均匀,同时脆性也增加,降低零件抵抗冲击的能力,成为发生裂纹而促使表面破损和疲劳破坏的主要原因。
因此,为了加工出所要求的表面质量,就有必要了解己加工表面层的形成及表面层质量的变化规律。
1.2高速铣削淬硬模具钢加工精度影响因素分析
1.2.1从材料和刀具和刀具的匹配关系
如果材料的硬度和刀具的硬度较接近,切削参数选择的不合理,会加剧刀具的磨损,已有试验可以证明,刀具加剧磨损阶段,表面粗糙度会急剧恶化,会造成配合精度的下降。
1.2.2走刀方式和刀具轨迹的影响
前面曾经提到数控加工一般采用顺铣方式,也是考虑到对加工精度的影响。
在进退刀时,要采用合适的方法,降低对刀具的冲击,提高加工精度。
在刀具轨迹方面,要根据加工对象几何特征划分不同区域,对不同的区域采用不同的刀具轨迹方法,控制残留高度值,尽量使其相等。
1.2.3拐角处过切
(1)轮廓曲率半径小于刀具半径
由于刀具半径大于曲面的曲率半径,对理论轮廓线进行刀具功能补偿时,必然导致部分轮廓线被加工,即产生过切;而不破坏理论轮廓线加工时,又有部分未加工,即产生欠切。
而对于拐角两直线段相交,实际也是曲率半径无限小的圆弧相交,按理论轮廓加工时也必然出现过切现象。
(2)刀具补偿过程中的过切
在实际编程时,常常由于刀具补偿在建立或取消时程序轨迹方向不当引起过切;在半径补偿模式下,使用无坐标轴移动类指令,即两个或两个以上连续程序段内无指定补偿平面内的坐标移动,也会导致过切现象。
前者是刀具补偿建立或取消引起的过切,后者是无移动类指令引起的过切。
(3)机床加减速特性不能满足插补指令
由于一般数控机床只有直线和圆弧插补功能,对于复杂曲线加工一般由若干段直线和圆弧插补逼近形成,在各段衔接时由于数控系统与伺服系统的不同步导致在加工中的停顿,在节点处由于铣削力减小,工艺系统的弹性变形减小而产生过切。
在拐角加工时,某一加工路径沿着机床坐标轴时,会出现由于拐角处的转向而导致某一方向的坐标伺服系统减速到零,然后又加速到给定进给速度,而另一坐标方向由零直接加速到某一进给速度,这时可能由于机床坐标方向的加减速度不足和运动惯性导致过切。
1.3高速铣削加工效率影响因素分析
1.3.1切削参数
材料的切除率
:
材料的切除率是指在特定瞬间、单位时间里被刀具切除的工件材料体积。
相当于切削层公称横截面积以
值沿切削速度方向运动一个单位时间所包含的空间体积,它是反映切削效率高低的一个指标。
其计算公式如下
(1-1)
影响因素:
切削速度、进给量、背吃刀量,加工效率与三者呈正比关系,因此使三者乘积最大,工序的切削加工时间最短。
但是提高切削用量要受到工艺装备(机床、刀具)与技术要求(加工精度和表面质量)的限制。
粗加工时,一般是先按照刀具使用寿命的限制确定切削用量,之后再验算系统刚度、机床与刀具的强度是否允许。
精加工时则主要按表面粗糙度和加工精度要求确定切削用量。
1.3.2刀具轨迹
高速铣削时由于切削速度高,金属切削率高,相应地要求提高数控系统的运算速度,选用合适的算法。
可采用等残留高度轨迹规划方法,保证了两条刀具轨迹之间残留高度为定值,刀具轨迹行距疏密一致。
1.4高速铣削加工质量与加工效率冲突及解决方案
1.4.1基本原则
从式(1-1)看,增大三要素中任何一个似乎都可以提高生产率,但从刀具寿命与三要素关系式看,三者的影响程度是不同的,
影响最大,
次之,
最小。
(1-2)
在刀具寿命已经确定的条件下,欲使
三者乘积即金属切除率最大,无疑应首先选择尽量大的背吃刀量
,其次再选择尽量大的进给量
,最后依据三要素与刀具寿命关系式计算确定切削速度
。
1.4.2解决方法
(1)粗加工切削用量的选择
确定背吃刀量
:
背吃刀量
根据工序余量来确定。
除留给以后工序的余量外,其余的粗加工雨量尽可能依次切除,以使走刀次数最少。
确定进给量
:
粗加工时,进给量
受切削力的限制。
在工艺系统强度和刚度允许的情况下选择较大的进给量。
确定切削速度
:
在
和
选定后,再根据达到的合理寿命T(min),就可以确定切削速度
(单位:
m/s)。
(2)半精加工、精加工切削用量的选择
确定背吃刀量
:
半精加工的余量较小,约在1~2mm左右,精加工余量更小,约在0.05~0.80mm之间。
在半精加工、精加工时,应在一次进给中切除工序余量。
确定进给量
:
半精加工和精加工的
值较小,产生的切削力不大,故进给量主要受到表面粗糙度的限制,一般选得较小。
但也不能太小,否则切削层公称厚度太薄不易切下,对已加工表面质量反而不利。
确定切削速度
:
半精加工、精加工的
和
较小,切削力对工艺系统的刚度影响较小,消耗功率较少,故切削速度
值受刀具寿命和已加工表面质量的限制。
2高效模具铣刀设计
2.1模具铣刀的分类和使用条件
模具铣刀包括圆柱铣刀、圆锥铣刀,其头型共分3类,即直角头、球头和圆弧头。
图1为整体直角头圆柱铣刀结构示意图。
图1整体圆柱直角头立铣刀结构
2.1.1立铣刀
立铣刀主要用于模具二维型面的粗加工和半精加工。
立铣刀又可分为带小倒角的直角头与完全直角头。
完全直角头用于壁薄,易发生振动情况下与必须加工出
清角情况使用。
带小倒角直角头用于完全直角头易破损时,若用它也发生破损,则需要再改用圆弧头立铣刀。
直角头立铣刀主要用于加工槽(包括键槽),侧平面等。
圆弧头立铣刀可以加工有转角R的侧面型模的等高线。
零件转角部分是圆弧R形时,圆弧头立铣刀比球头立铣刀刚性大,加工效率高。
在高硬材料加工、高速大进给加工、深雕三维加工时,直角头立铣刀头会产生缺损,用圆弧头立铣刀代之,刀头抗缺损性能可大为提高。
圆弧头立铣刀圆弧R的精度也不断提高高精度圆弧头立铣刀圆弧R达到0.01mm,外径达到0~0.01mm的高精度。
2.1.2圆锥铣刀
主要精加工模具拔模面,如模具型腔和外轮廓,如图2所示。
图2圆锥铣刀
2.1.3球头铣刀
球头铣刀主要用于型腔精加工和复杂曲面精加工,斜面、成形等。
球头立铣刀应用时注意事项为:
(1)在高速加工机床上高速加工时,应使用夹紧力大、刚性好的铣削夹头。
(2)确认工具的振摆:
R部最外径处应在10
以内、高速加工时应在3
以内。
(3)加工时立铣刀应尽量缩短伸出量(只伸出需加工长度)。
(4)小背吃刀量大进给量对工具寿命有利。
(5)尽可能用等高线加工方法加工,不易损伤刀具。
图3球头铣刀
2.2设计目标和方法
以高速高效作为设计目标,加工表面质量、切削力、切削热、刀具寿命、常用的刀具轨迹作为约束条件,进行刀具材料、刀具结构、切削参数的优选。
在现有条件下,高速铣削时机床主轴转速应在10000r/min以上,选择刀具时应考虑加工阶段不同而采用不同的刀具选择方法。
粗加工时应首先较高的刀具寿命和金属切除率,加工效率要考虑刀具寿命的限制,应设法控制切削力。
精加工时主要考虑高的表面质量控制表切削振动。
针对图4所示的模具型腔设计精加工圆槽的球头铣刀和精加工有拔模斜度的三角形槽的圆锥铣刀。
图4加工示例
2.3铣刀材料性能比较
2.3.1涂层硬质合金
硬质合金是用粉末冶金工艺制成的。
它用硬度和熔点都很高的金属碳化物(碳化钨WC、碳化钛TiC、碳化钽TaC和碳化铌NbC等)作硬质相,用金属钴、钼或镍等作粘结相,研制成粉末,按一定比例混合,压制成型,在高温高压下烧结而成。
在高速切削条件下,广泛使用的是有涂层的硬质合金铣刀。
而TiAlN具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小、导热率低等优良特性,尤其适用于高速铣削加工。
当Al含量超过50%时,为了区别于TiAlN,有人称其为AlTiN。
AlTiN涂层的硬度随含铝量的增加而提高,但增加有一个限度。
涂层材料的切削性能除了受材料本身特性影响之外。
各层之间的热膨胀系数的匹配程度和弹性模量的差别对材料性能的影响最大。
由于热胀失配程度和弹性模量的差
别对材料性能的影响最大。
由于热胀失配程度和弹性模量的不同,在材料内部将形成大小及分布不同的残余应力场。
从降低残余拉应力、提高材料强度的角度上讲,应使基体与涂层的热膨胀系数更接近,弹性模量差较小;但从残余应力增韧和微裂纹增韧、提高材料断裂韧性的角度来看,存在适当的残余应力又是必要的。
界面结合强度也是影响涂层在切削过程中发挥性能的重要因素。
除了选择匹配的材料外,在工艺中也可采取多种方法来改善TiAlN膜层与高速钢和硬质合金等基体的结合强度。
如引入TiAl、Ti等中间过渡层可增加涂层的临界载荷。
涂层刀具在使用过程的磨损形式主要表现为中速时磨粒磨损和粘着磨损、高速时的扩散磨损和粘着磨损,最后失效形式多为刀刃微区剥离,其机理是涂层中、涂层间和基体内部的裂纹产生和扩展。
涂层与基体以及层与层之间存在明显的界面,是薄膜内应力的起源,导致涂层的剥落与破损。
在目前的技术条件下,涂层硬质合金应用广泛,而且针对TiAlN涂层进行了广泛的切削试验,因此刀具材料选择TiAlN涂层硬质合金。
2.3.2陶瓷材料
近年来,陶瓷刀具得到快速的发展。
一方面由于高硬度难加工材料的不断增多,迫切需要解决刀具寿命,提高生产率。
另一方面是由于钨资源的日渐缺乏,而硬质合金刀具材料中大量需要钨。
陶瓷刀具材料的主要成分是硬度和熔点都很高的Al
O
、
等氧化物,再加入少量的金属碳化物、氧化物或纯金属等添加剂。
采用粉末冶金工艺方法制粉,压制烧结而成。
与硬质合金相比,主要有下列特点:
(1)有很高的硬度和耐磨性陶瓷的硬度达91~95HRA,超过硬质合金,其耐磨性为一般硬质合金的5倍。
因此,具有比硬质合金更高的寿命。
加工钢材时,寿命可高达硬质合金的10~20倍,在高速切削时,约为碳化钛基硬质合金的两倍。
(2)有很好的高温性能陶瓷材料具有很高的高温硬度。
当切削温度达760
时,硬度为87HRA(相当于66HRC),1200
时,仍能保持80HRA的硬度。
可见,陶瓷刀具在1200
以上的高温下仍可进行切削。
(3)有很好的化学稳定性和抗粘结性能:
陶瓷与金属的亲和力较小,Al
O
陶瓷的化学惰性优于TiC、WC和Si
N
,它与金属相互反应的能力比很多碳化物、氮化物、硼化物都低,即使在熔化温度与钢也互不作用。
Al
O
与钢产粘结的温度在1538
以上,比硬质合金中各种碳化物的粘结温度都高,从而使粘结磨损减少。
Al
O
在高温下不易氧化,即使切削刃处于赤热状态,也能长时间连续切削。
这些特性对高速切削有重要意义。
(4)摩擦系数低:
能减小切屑、刀具和工件之间的摩擦,产生粘结和积屑瘤的可能性减小。
有时,可以或得以铣代磨的效果。
在高速精密铣削时,被加工工件可获得镜面效果。
此外由于摩擦系数较小,切削力也比硬质合金要小。
(5)强度和韧性差,热导率低:
陶瓷刀具材料的最大缺点是脆性大,抗弯强度和冲击韧度比硬质合金低,承受冲击负荷的能力差。
加之陶瓷的热导率小,其热导率仅是硬质合金的1/2~1/5,而热膨胀系数却比硬质合金高10%~30%,所以热冲击性能很差。
当温度发生显著变化时,容易产生裂纹,导致刀片破损;切削时,一般也不宜使用切削液,这些缺点大大限制了陶瓷刀具的使用范围。
2.3.3立方氮化硼
立方氮化硼是继人造金刚石之后人工合成的又一种新型无机超硬材料。
其结构与金刚石类似,重要性能如下:
(1)硬度高立方氮化硼具有仅次于金刚石的硬度和耐磨性,比硬质合金和陶瓷高得多,能在较高切削速度下保持加工精度。
加工淬火钢时,刀具寿命比硬质合金提高3~15倍。
(2)热稳定性好立方氮化硼具有比金刚石更好的热稳定性,其耐热性可达1300
~1400
,其高温硬度高于陶瓷刀具。
当温度高达1370
以上时,才开始由立方晶体转变为六方晶体而软化。
因此CBN适合在高速下加工高温合金。
(3)化学稳定性好立方氮化硼具有比金刚石更好的化学惰性,在1000
以下时,不发生氧化现象,与铁系金属在1200
~1300
时也不易起化学反应。
因此在高速下切削淬火钢,其粘结和扩散磨损比较小,但在高温时易与水产生化学反应。
(4)有较高的热导率和较小的摩擦系数:
立方氮化硼的热导率比金刚石低(约为金刚石的1/2)但远高于陶瓷材料,且热导率随温度的升高而增加。
这一性能对降低刀尖处的温度大有好处。
(5)强度及韧性较差:
立方氮化硼的抗弯强度约为陶瓷刀具的1/5~1/2,一般只用于精加工。
根据CBN的性能特点,它最适合用于加工高硬度淬火钢、高温合金等。
通常采用负前角高速切削,以发挥刀具材料在高温时相对工件材料的硬度优势。
但因其脆性大、耐冲击性能弱的特点在铣削这种断续切削场合受到不少限制。
2.4结构设计
2.4.1齿数
立铣刀刃齿一般有2齿、4齿、6齿;6齿用的较少,最近又增加有3齿的。
一般刃齿数愈多,容屑槽减小,心部实体直径增大,刚性更高。
但排屑性渐差,故一般刃齿数少用与粗加工、切槽。
刃齿数多用于半精加工、精加工、切浅槽。
根据进给量公式:
(2-1)
在主轴转速一定的情况下,铣刀每增加一个齿数,生产效率相应增加50%。
在切削长度和每齿进给量一定的情况下,齿数多的铣刀比齿数少的铣刀每齿切削次数减少了,寿命会有相应的提高。
另外在每分钟进给量、转速一定。
多刃比少刃加工表面粗糙度低。
多齿较少齿在粗加工切槽时,由于同时接触刃齿数量多而较少齿切削阻力大,中心部切屑排除性能也比少齿差,球头立铣刀磨损时,多齿比少齿的中心刃重磨难。
对于球头铣刀,使用2齿。
对于锥度模具铣刀,出于延长刀具寿命和加工效率的要求使用3齿。
2.4.2螺旋角
直刃加工时,切削刃全部同时切入工件,同时离开工件,这样反复作用加工。
易引起振动缺损,加工表面质量不佳。
作用在刀刃上的切削力作用在同一方向上,使刀具弯曲,故壁面加工精度差。
立铣刀的螺旋角相当于其他刀具的刃倾角。
增大刃倾角,可增加实际工作前角,增加刀齿的锯削切割作用,使切削平稳轻快,同时易于排屑,有利于刀具耐用度、生产率和加工表面质量的提高。
在适当范围内,增大螺旋角可减小受切削力影响的加工表面宽度,提高加工表面精度。
有文献证明:
当立铣刀的螺旋角小于30
之前,垂直度误差随螺旋角的增大而增大,螺旋角大于40
以后,又随螺旋角的增大而减小。
。
螺旋刃加工切入工件时,刀刃上某点其受力位置随刀具回转而变化。
结构上难以引起振动,作用在刀刃上的切削力垂直于螺旋角方向,并分解为垂直分力与进给分力,使刀具弯曲的进给分力见效了,故壁面加工精度好。
根据本论文收集的实验数据,当工件硬度为50HRC时,使用50
螺旋角可获得较小的表面粗糙度,当工件硬度为60HRC时,使用30
螺旋角可获得较小的表面粗糙度,而30
螺旋角可获得比较小的铣削力。
因此粗加工或精加工60HRC的淬硬钢时螺旋角应取30
。
加工50HRC淬硬钢时,粗加工时螺旋角应取30
,精加工时螺旋角应取50
。
本文设计的两把模具铣刀均用于精加工,根据材料硬度的中间值60HRC,取螺旋角30
。
2.4.3几何参数
(1)前角
实验表明,采用正前角硬质合金车刀加工淬火钢,特别是高硬度淬火钢时,切削刃几乎刚开始就会发生崩刃。
因为淬火钢塑性小,切削抗力大,切削负荷集中在切削刃附近,切削力使刀片受到弯曲作用,这正是硬质合金及陶瓷等脆性刀具材料的弱点,常因张应力而产生崩刃破坏。
若采用负前角
,就改变了刀片的受力状况,而硬质合金金属陶瓷的抗压强度很高,解决了崩刃问题。
随着淬火钢硬度的提高,负前角绝对数值也相应增加。
但负前角绝对数值越大,背向力也越大,容易引起振动,降低加工精度。
因此,精加工时宜取绝对值较小的负前角,当硬度不
高时,也可取小的正前角和负刃倾角的搭配。
(2)后角
后角数值与前角有一定的内在关系,为改善切削刃切入工件的条件,减小后面的摩擦,提高刀具寿命。
考虑精加工阶段应减小切削振动,前角取
,后角取
。
(3)结构尺寸
根据相关文献,在目前的加工条件下,加工淬硬钢最佳的切削速度是
=240m/min,根据公式可得出要求的机床主轴转速。
两铣刀的结构示意图见图5、图6,结构参数见表1、表2。
图5球头铣刀结构示意图
表1球头铣刀结构参数
基本尺寸(mm)
齿数
D
R
d
H
L
6
3
6
13
50
2
图6锥铣刀结构示意图
表2锥铣刀结构参数
基本尺寸(mm)
齿数
D
R
d2
H
L
6
3
6
12
50
3
铣刀锥度为
。
2.5刀具连接结构
高速加工,特别当主轴转速超过15000r/min后,传统刀夹系统必须改进才能适应高速加工对刀夹系统提出的实际要求:
高联接刚性、高精度、传递大扭矩和适合于高速运行。
标准刀夹采用7:
24锥柄BT型,应用在高速加工中是不理想的。
这种刀夹系统除重复精度较低外,更重要的是在高速加工应用场合,由于离心力作用会导致主轴锥孔扩张,使刀夹和主轴联接刚性明显降低,径向跳动精度将急剧下降,甚至出现颤振。
刀具颤振不仅降低零件加工质量,甚至引发造成机床损坏。
一种空心短锥柄、双定位新结构的刀夹系统可克服传统刀央系统在高速加工应用中所存在的缺点。
这种新型刀夹系统靠1:
10的短锥部和主轴内锥定心,同时要求刀柄凸缘端面和主轴端面紧贴,形成“双定位”而取得高转速的联接刚性,保证在高转速离心力作用下,刀夹会更牢固地锁紧,适合于传递大扭矩,如图5所示。
在整个10000r/min~50000r/min转速范围内保持高的静态和动态刚性,装入重复精度比传统刀夹提高3倍;轴向重复定位精度可达0.001mm,径向跳动不超过5
m,比传统刀夹低2~3倍。
同时,其重量比传统刀夹系统减轻了50%。
如图7所示为高速切用HSK40刀柄。
图7HSK刀柄与主轴连接 图8高速切削用HSK40刀柄
刀杆夹紧刀具的方式主要有侧固式、弹性夹紧式、液压夹紧式和热装式等。
侧固式难以保证刀具动平衡,在高速铣削时不宜采用。
热装式刀杆夹头的到孔与刀柄为过盈配合,须采用专用热膨胀装置装卸刀具,一般使用感应加热或热空气加热刀杆,使刀孔直径膨胀,装卸刀具,冷却后孔径收缩将刀柄紧紧夹住,加工过程中在温度梯度的作用下,刀具会越夹越紧。
除了热膨胀装置初期投资费用较大外,其刀杆结构简单,同心度、操作精度高,动平衡好,使用简便,使最佳的高速铣削刀具的夹紧方式。
3结论
高速铣削淬火钢是一项具有发展前景的加工技术,推动高速铣削技术的发展与广泛应用,对推动产业结构调整、带动国民经济的发展具有重大的现实作用。
本文对于高速铣削技术的研究除了加强详细规范的实验研究,总结出准确的铣削力、铣削热、刀具寿命的变化规律(公式外)还应结合材料科学的基础上,对刀具切削过程与材料的相互作用的微观过程进行研究,为宏观的切削实验提供事实依据。
同时进一步加工新一代刀具材料性能的研究或有别于传统切削加工原理的新一代无接触式加工方法。
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致谢
在论文完成之际,我要特别感谢我的指导老师热情关怀和悉心指导。
在我撰写论文的过程中,指导老师倾注了大量的心血和汗水,无论是在论文的选题、构思和资料的收集方面,还是在论文的研究方法以及成文定稿方面,指导老师都给予了悉心细致的教诲和无私的帮助,特别是老师广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我终生受益,在此表示真诚地感谢和深深的谢意。
在论文的写作过程中,也得到了同学的支持和帮助,在此一并致以诚挚的谢意。
感谢所有关心、支持、帮助过我的良师益友。
最后,向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷
心地感谢!
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- 淬硬钢 高速 铣削 加工 特征 分析 刀具 设计