基于HSM的淬硬钢数控加工技术

　　淬硬钢的延伸率小、塑性低，易于形成高光洁的加工表面，在模具行业中得到广泛的应用。但淬硬钢在淬火或低温去应力退火后，硬度往往高于40 HRC，材料的切削加工性能变差，刀具的过早失效成为制约高速数控加工应用的主要原因。把握淬硬钢的加工技术，选择合理的刀具及其几何参数，延长刀具的使用寿命，是高速数控加工要解决的主要问题之一。

1 淬硬钢的高速数控加工技术

　　淬硬钢的高速数控加工技术主要包括：切削刀具及应用、刀具刃口强化、高速切削的走刀方式、编程策略、优化的高速加工参数、充分冷却润滑并具有环保特性的冷却方式等。

　　1.1 切削刀具及应用

　　高速数控加工的刀具不仅在耐用度和可靠性方面比常规加工有更高的要求，在刀具系统的安全性方面也有特殊的要求。采用硬质合金涂层刀具材料，如氮化钛、氮化钛铝和碳氮化钛等，能够加工HRC40甚至更硬的工件材料。从提高刀具耐用度和可靠性的角度来看，采用涂层切削刀具加工淬硬钢是非常适宜的。

　　涂层刀具的涂层厚度一般在2～18μm之间，它在刀具性能方面起着重要的作用。较薄的涂层比厚的涂层在冲击切削时，经受温度变化的性能要好，因为较薄的涂层应力较小，不易产生裂纹。用薄涂层刀片进行干式切削可以延长刀具寿命约40％。

　　目前，氮化钛涂层刀具在所有涂层刀具中约占80％。然而，在高速干式切削的情况下，涂层氮铝钛(TiAlN)具有较好的热稳定性，它的硬度可达维氏3 500度，工作温度高达1 470下，还适宜干式铣削及小直径孔的深孔钻削。其性能优于氮化钛4倍。涂层刀片有较长的刀具寿命，在干式切削时比湿式切削更稳定。

　　切削刀具结构对刀具耐用度和安全性有很大影响，刀具与机床的联接普遍采用HSK刀柄或类似双面接触短锥刀柄。刀具夹紧的最新趋势是采用冷缩式夹紧结构(或称热装式)。装夹时利用感应或热风加热使刀杆孔膨胀，取出旧刀具，装入新刀具，然后采用风冷使刀具冷却到室温，利用刀杆孔与刀具外径的过盈配合夹紧。这种结构刀具刚度高，动平衡性好，夹紧力大，高转速下仍能保持高的夹紧可靠性，特别适用于高速数控切削加工。

　　1.2 刀具刃口强化

　　由于涂层切削刀具硬而较脆，不能经受太大的压力，因此制造刀具时必须结合其特点进行设计，以便满足高速数控加工的需要。方法是对涂层切削刀具加强支撑、分散压力。主要方式有：刃带、强化、刃带强化等。

　　(1)刃带即在刀具刃口上磨出窄平面，以取代较脆弱而锋利的刀刃。要先在刀具上找出最小的平面宽度并赋予刀刃适当强度和寿命的角度，从而大大提高刀具的耐用度。

　(2)强化就是圆整锋利的刃口。虽然强化不像刃带有棱有角，但是强化对用于精加工的涂层刀具的刀片材料效果很好。这些强化刀具主要用于浅切深、低速进给、并保持切削压力最小。

　　(3)刃带强化当强化用于倒棱的前面与后面相交处时，也能加强刃带。在实际应用中，当有微小的剥落发生时，强化能分散在这些部位上的压力，不会使倒棱变大而加强了刀具刃口。

　　除了针对工件确定最适合的刀具刃口外，还必须优化刀具的几何角度和排除切屑的能力。通过增加后角来减小切削力和对刀具的压力，降低切削区的温度，使正前角尽可能地大，减少切削力对切削加工的影响。

　　1.3 走刀方式与编程策略

　　淬硬钢的高速数控加工常采用分层环切加工。斜线轨迹进刀方式的切削力是逐渐加大的，对刀具和主轴的冲击比垂直下刀小，可明显减少下刀崩刃的现象。螺旋式轨迹进刀方式采用螺旋向下切入，最适合型腔高速加工的需要。直接垂直向下进刀极易出现崩刃现象，不宜采用。

　　高速数控加工的编程策略是尽可能保持恒定的刀具载荷，把进给速率的变化降到最低，使程序处理速度最大化。主要方法有：①尽可能减少程序块，提高程序处理速度；②在程序段中可加人圆弧过渡段，减少速度的急剧变化；③粗加工要注意保证本工序和后续工序加工余量均匀，减少切削负荷的变化；④多采用分层顺铣方式；⑤切入和切出尽量采用连续的螺旋和圆弧轨迹进行切向进刀，以保证恒定的切削条件；⑥充分利用数控系统提供的仿真验证的功能，在加工前必须经过仿真，验证刀位数据的正确性、刀具各部位是否与零件发生干涉及刀具与夹具附件是否发生碰撞，确保加工质量和操作安全。

　　1.4 切削用量与切削液

　　淬硬钢高速数控加工的铣削用量主要考虑加工效率、加工表面质量、刀具磨损以及加工成本。不同刀具加工不同的工件材料时，铣削用量会有很大的差异。通常，随着切削速度与加工效率的提高，刀具磨损加剧，除较高的每齿进给量外，加工表面粗糙度随切削速度的提高而降低。对于刀具寿命，每齿进给量和轴向切深均存在最佳值，而且最佳值的范围相对较窄。高速切削参数的选择原则是：高的切削速度、中等的每齿进给量、较小的轴向切深和适当大的径向切深。

　　淬硬钢高速数控加工时，由于金属去除率和切削热的增加，切削液必须具备将切屑快速冲离工件、降低切削热和增加切削界面润滑的功能。常规的切削液及加注方式很难进入加工区域，反而会加大切削刃在切人切出过程的温度变化，产生热疲劳，降低刀具寿命和可靠性。

　　微量油雾冷却一方面可以减小刀具一切屑一工件之间的摩擦，另一方面，细小的油雾粒子在接触到刀具表面时能快速气化，其换热效果与普通冷却液热传导的换热效果相比，能带走更多的热量，目前已成为首选的冷却介质。

　　氮气油雾冷却介质在钛合金的高速铣削中具有良好的效果，除具有空气油雾的冷却润滑作用外，还具有抗氧化磨损等作用。在33 m／min的铣削速度时，相比较空气油雾冷却，刀具耐用度提高了60％，铣削力可降低20％～30％。