難加工材料的切削加工方法

難加工材料的界定及具體品種，隨時代及專業領域而各有不同，例如，宇航產業常用的超耐熱合金、鈦合金及含有碳纖維的復合材料等，都該領域的難加工材料。宇航業的工程技術員開展了加工技術的研究與開發工作，已經研究出適合該領域使用的切削工具和加工方法。近年來，機械制品多功能、高功能化的發展勢頭十分強勁，要求零件必須實現小型化、微細化。為了滿足些要求，則所用材料必須具有高硬度、高韌性和高耐磨性，而具有這些特性的材料其加工難度也特別大，因此又出現了新的難加工材料。難加工材料就是這樣隨著時代的發展及專業領域的不同而出現，其特有的加工技術也隨著時代及各專業領域的研究開發而不斷向前發展。

另一方面，隨著信息化社會的到來，難加工材料切削技術信息也可通過因特網互相交流，因此，今后有關難加工材料切削加工的數據等信息將會更加充實，加工效率也必然會進一步提高，本文以難加工材料的切削加工為核心，介紹該技術近年來的發展動向。

 

切削領域中的難加工材料

 

在切削加工中，通常出現的刀具磨損包括如下兩種形態：(1)由于機械作用而出現的磨損，如崩刃或磨粒磨損等；(2)由于熱及化學作用而出現的磨損，如粘結、擴散、腐蝕等磨損，以及由切削刃軟化、溶融而產生的破斷、熱疲勞、熱龜裂等。

 

切削難加工材料時，在很短時間內即出現上述刀具磨損，這是由于被加工材料中存在較多促使刀具磨損的因素。例如，多數難加工材料均具有熱傳導率較低的特點，切削時產生的熱量很難擴散，致使刀具刃尖溫度很高，切削刃受熱影響極為明顯。這種影響的結果會使刀具材料中的粘結劑在高溫下粘結強度下降，WC(碳化鎢)等粒子易于分離出去，從而加速了刀具磨損。另外，難加工材料中的成分和刀具材料中的某些成分在切削高溫條件下產生反應，出現成分析出、脫落，或生成其他化合物，這將加速形成崩刃等刀具磨損現象。

 

在切削高硬度、高韌性被加工材料時，切削刃的溫度很高，也會出現與切削難加工材料時類似的刀具磨損。如切削高硬度鋼時，與切削一般鋼材相比，切削力更大，刀具剛性不足將會引起崩刃等現象，使刀具壽命不穩定，而且會縮短刀具壽命，尤其是加工生成短切屑的工件材料時，會在切削刃附近產生月牙洼磨損，往往在短時間內即出現刀具破損。

 

在切削超耐熱合金時，由于材料的高溫硬度很高，切削時的應力大量集中在刃尖處，這將導致切削刃產生塑性變形；同時，由于加工硬化而引起的邊界磨損也比較嚴重。

 

由于這些特點，所以要求用戶在切削難加工材料時，必須慎重選擇刀具品種和切削條件，以獲得理想的加工效果。

 

難加工材料在切削加工中應注意的問題

 

切削加工大致分為車削、銑削及以中心齒為主的切削(鉆頭、立銑刀的端面切削等)，這些切削加工的切削熱對刃尖的影響也各不相同。車削是一種連續切削，刃尖承受的切削力無明顯變化，切削熱連續作用于切削刃上；銑削則是一種間斷切削，切削力是斷續作用于刃尖，切削時將發生振動，刃尖所受的熱影響，是切削時的加熱和非切削時的冷卻交替進行，總的受熱量比車削時少。

 

銑削時的切削熱是一種斷續加熱現象，刀齒在非切削時即被冷卻，這將有利于刀具壽命的延。日本理化研究所對車削和銑削的刀具壽命作了對比試驗，銑削所用刀具為球頭立銑刀，車削為一般車刀，兩者在相同的被加工材料和切削條件(由于切削方式不同，切削深度、進給量、切削速度等只能做到大體一致)及同一環境條件下進行切削對比試驗，結果表明，銑削加工對延長刀具壽命更為有利。

 

利用帶有中心刃(即切削速度=0m/min的部位)的鉆頭、球頭立銑刀等刀具進行切削時，經常出現靠近中心刃處工具壽命低下的情況，但仍比車削加工時強。

 

在切削難加工材料時，切削刃受熱影響較大，常常會降低刀具壽命，切削方式如為銑削，則刀具壽命會相對長一些。但難加工材料不能自始至終全部采用銑削加工，中間總會有需要進行車削或鉆削加工的時候，因此，應針對不同切削方式，采取相應的技術措施，提高加工效率

 

切削難加工材料用的刀具材料

 

CBN的高溫硬度是現有刀具材料中最高的，最適合用于難加工材料的切削加工。新型涂層硬質合金是以超細晶粒合金作基體，選用高溫硬度良好的涂層材料加以涂層處理，這種材料具有優異的耐磨性，也是可用于難加工材料切削的優良刀具材料之一。

 

難加工材料中的鈦、鈦合金由于化學活性高，熱傳導率低，可選用金剛石刀具進行切削加工。CBN燒結體刀具適用于高硬度鋼及鑄鐵等材料的切削加工，CBN成分含量越高，刀具壽命也越長，切削用量也可相應提高。據報道，目前已開發出不使用粘結劑的CBN燒結體。

 

金剛石燒結體刀具適用于鋁合金、純銅等材料的切削加工。金剛石刀具刃口鋒利，熱傳導率高，刃尖滯留的熱量較少，可將積屑瘤等粘附物的發生控制在最低限度之內。在切削純鈦和鈦合金時，選用單晶金剛石刀具切削比較穩定，可延長刀具壽命。

 

涂層硬質合金刀具幾乎適用于各種難加工材料的切削加工，但涂層的性能(單一涂層和復合涂層)差異很大，因此，應根據不同的加工對象，選用適宜的涂層刀具材料。據報道，最近已開發出金剛石涂層硬質合金和DLC(Diamond Like Carbon)涂層硬質合金，使涂層刀具的應用范圍進一步擴大，并已可用于高速切削加工領域。切削難加工材料的刀具形狀

 

在切削難加工材料時，刀具形狀的最佳化可充分發揮刀具材料的性能。選擇與難加工材料特點相適應的前角、后角、切入角等刀具幾何形狀和對刃尖進行適當處理，對提高切削精度和延長刀具壽命有很大的影響，因此，在刀具形狀方面決不能掉以輕心。但是，隨著高速銑削技術的推廣應用，近來已逐漸采用小切深以減輕刀齒負荷，采用逆銑并提高進給速度，因此，對切削刃形狀的設計思路也有所改變。

 

對難加工材料進行鉆削加工時，增大鉆尖角，進行十字形修磨，是降低扭矩和切削熱的有效途徑，它可將切削與切削面的接觸面積控制在最小范圍之內，這對延長刀具壽命和提高切削條件十分有利。鉆頭在鉆孔加工時，切削熱極易滯留在切削刃附近，而且排屑也很困難，在切削難加工材料時，這些問題更為突出，必須給以足夠的關注。

 

為了便于排屑，通常在鉆頭切削刃后側設有冷卻液噴出口，可供給充足的水溶性冷卻液或霧狀冷卻劑等，使排屑變得更為順暢，這種方式對切削刃的冷卻效果也很理想。近年來，已開發出一些潤滑性能良好的涂層物質，這些物質涂鍍在鉆頭表面后，用其加工3～5D的淺孔時，可采用干式鉆削方式。

 

孔的精加工歷來采用鏜削方式，不過近來已逐漸由傳統的連續切削方式改變為采用等高線切削這類間斷切削方式，這種方式對提高排屑性能和延長工具壽命均更為有利。因此，這種間斷切削用的鏜削刀具設計出來后，立即被應用于汽車零件的CNC切削加工。在螺紋孔加工方面，目前也采用螺旋切削插補方式，切螺紋用的立銑刀已大量投放市場。

 

如上所述，這種由原來連續切削向間斷切削的轉換，是隨著對CNC切削理解的加深而進行的，這是一個漸進的過程。采用此種切削方式切削難加工材料時，可保持切削的平穩性，且有利于延長工具壽命。

 

難加工材料的切削條件

 

難加工材料的切削條件歷來都設定得比較低，隨著刀具性能的提高，高速高精度CNC機床的出現，以及高速銑削方式的引進等，目前，難加工材料的切削已進入高速加工、刀具長壽命化的時期。

 

現在，采用小切深以減輕刀具切削刃負荷，從而可提高切削速度和進給速度的加工方式，已成為切削難加工材料的最佳方式。當然，選擇適應難加工材料特有性能的刀具材料和刀具幾何形狀也極為重要，而且應力求刀具切削軌跡的最佳化。例如，鉆削不銹鋼等材料時，由于材料熱傳導率很低，因此，必須防止切削熱大量滯留在切削刃上，為此應盡可能采用間斷切削，以避免切削刃和切削面摩擦生熱，這將有助于延長工具壽命和保證切削的穩定。用球頭立銑刀對難加工材料進行粗加工時，工具形狀和夾具應很好配合，這樣可提高刀具切削部分的振擺精度和夾持剛性，以便在高速回轉條件下，保證將每齒進給量提高到最大限度，同時也可延長工具壽命。