淬硬鋼的延伸率小、塑性低，易于形成高光潔的加工表面，在模具行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。但淬硬鋼在淬火或低溫去應(yīng)力退火后，硬度往往高于40 HRC，材料的切削加工性能變差，刀具的過早失效成為制約高速數(shù)控加工應(yīng)用的主要原因。把握淬硬鋼的加工技術(shù)，選擇合理的刀具及其幾何參數(shù)，延長(zhǎng)刀具的使用壽命，是高速數(shù)控加工要解決的主要問題之一。

1 淬硬鋼的高速數(shù)控加工技術(shù)

　　淬硬鋼的高速數(shù)控加工技術(shù)主要包括：切削刀具及應(yīng)用、刀具刃口強(qiáng)化、高速切削的走刀方式、編程策略、優(yōu)化的高速加工參數(shù)、充分冷卻潤(rùn)滑并具有環(huán)保特性的冷卻方式等。

　　1.1 切削刀具及應(yīng)用

　　高速數(shù)控加工的刀具不僅在耐用度和可靠性方面比常規(guī)加工有更高的要求，在刀具系統(tǒng)的安全性方面也有特殊的要求。采用硬質(zhì)合金涂層刀具材料，如氮化鈦、氮化鈦鋁和碳氮化鈦等，能夠加工HRC40甚至更硬的工件材料。從提高刀具耐用度和可靠性的角度來看，采用涂層切削刀具加工淬硬鋼是非常適宜的。

　　涂層刀具的涂層厚度一般在2～18m之間，它在刀具性能方面起著重要的作用。較薄的涂層比厚的涂層在沖擊切削時(shí)，經(jīng)受溫度變化的性能要好，因?yàn)檩^薄的涂層應(yīng)力較小，不易產(chǎn)生裂紋。用薄涂層刀片進(jìn)行干式切削可以延長(zhǎng)刀具壽命約40％。

　　目前，氮化鈦涂層刀具在所有涂層刀具中約占80％。然而，在高速干式切削的情況下，涂層氮鋁鈦(TiAlN)具有較好的熱穩(wěn)定性，它的硬度可達(dá)維氏3 500度，工作溫度高達(dá)1 470下，還適宜干式銑削及小直徑孔的深孔鉆削。其性能優(yōu)于氮化鈦4倍。涂層刀片有較長(zhǎng)的刀具壽命，在干式切削時(shí)比濕式切削更穩(wěn)定。

　　切削刀具結(jié)構(gòu)對(duì)刀具耐用度和安全性有很大影響，刀具與機(jī)床的聯(lián)接普遍采用HSK刀柄或類似雙面接觸短錐刀柄。刀具夾緊的最新趨勢(shì)是采用冷縮式夾緊結(jié)構(gòu)(或稱熱裝式)。裝夾時(shí)利用感應(yīng)或熱風(fēng)加熱使刀桿孔膨脹，取出舊刀具，裝入新刀具，然后采用風(fēng)冷使刀具冷卻到室溫，利用刀桿孔與刀具外徑的過盈配合夾緊。這種結(jié)構(gòu)刀具剛度高，動(dòng)平衡性好，夾緊力大，高轉(zhuǎn)速下仍能保持高的夾緊可靠性，特別適用于高速數(shù)控切削加工。

　　1.2 刀具刃口強(qiáng)化

　　由于涂層切削刀具硬而較脆，不能經(jīng)受太大的壓力，因此制造刀具時(shí)必須結(jié)合其特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便滿足高速數(shù)控加工的需要。方法是對(duì)涂層切削刀具加強(qiáng)支撐、分散壓力。主要方式有：刃帶、強(qiáng)化、刃帶強(qiáng)化等。

　　(1)刃帶即在刀具刃口上磨出窄平面，以取代較脆弱而鋒利的刀刃。要先在刀具上找出最小的平面寬度并賦予刀刃適當(dāng)強(qiáng)度和壽命的角度，從而大大提高刀具的耐用度。

　(2)強(qiáng)化就是圓整鋒利的刃口。雖然強(qiáng)化不像刃帶有棱有角，但是強(qiáng)化對(duì)用于精加工的涂層刀具的刀片材料效果很好。這些強(qiáng)化刀具主要用于淺切深、低速進(jìn)給、并保持切削壓力最小。

　　(3)刃帶強(qiáng)化當(dāng)強(qiáng)化用于倒棱的前面與后面相交處時(shí)，也能加強(qiáng)刃帶。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)有微小的剝落發(fā)生時(shí)，強(qiáng)化能分散在這些部位上的壓力，不會(huì)使倒棱變大而加強(qiáng)了刀具刃口。

　　除了針對(duì)工件確定最適合的刀具刃口外，還必須優(yōu)化刀具的幾何角度和排除切屑的能力。通過增加后角來減小切削力和對(duì)刀具的壓力，降低切削區(qū)的溫度，使正前角盡可能地大，減少切削力對(duì)切削加工的影響。

　　1.3 走刀方式與編程策略

　　淬硬鋼的高速數(shù)控加工常采用分層環(huán)切加工。斜線軌跡進(jìn)刀方式的切削力是逐漸加大的，對(duì)刀具和主軸的沖擊比垂直下刀小，可明顯減少下刀崩刃的現(xiàn)象。螺旋式軌跡進(jìn)刀方式采用螺旋向下切入，最適合型腔高速加工的需要。直接垂直向下進(jìn)刀極易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，不宜采用。

　　高速數(shù)控加工的編程策略是盡可能保持恒定的刀具載荷，把進(jìn)給速率的變化降到最低，使程序處理速度最大化。主要方法有：①盡可能減少程序塊，提高程序處理速度；②在程序段中可加人圓弧過渡段，減少速度的急劇變化；③粗加工要注意保證本工序和后續(xù)工序加工余量均勻，減少切削負(fù)荷的變化；④多采用分層順銑方式；⑤切入和切出盡量采用連續(xù)的螺旋和圓弧軌跡進(jìn)行切向進(jìn)刀，以保證恒定的切削條件；⑥充分利用數(shù)控系統(tǒng)提供的仿真驗(yàn)證的功能，在加工前必須經(jīng)過仿真，驗(yàn)證刀位數(shù)據(jù)的正確性、刀具各部位是否與零件發(fā)生干涉及刀具與夾具附件是否發(fā)生碰撞，確保加工質(zhì)量和操作安全。

　　1.4 切削用量與切削液

　　淬硬鋼高速數(shù)控加工的銑削用量主要考慮加工效率、加工表面質(zhì)量、刀具磨損以及加工成本。不同刀具加工不同的工件材料時(shí)，銑削用量會(huì)有很大的差異。通常，隨著切削速度與加工效率的提高，刀具磨損加劇，除較高的每齒進(jìn)給量外，加工表面粗糙度隨切削速度的提高而降低。對(duì)于刀具壽命，每齒進(jìn)給量和軸向切深均存在最佳值，而且最佳值的范圍相對(duì)較窄。高速切削參數(shù)的選擇原則是：高的切削速度、中等的每齒進(jìn)給量、較小的軸向切深和適當(dāng)大的徑向切深。

　　淬硬鋼高速數(shù)控加工時(shí)，由于金屬去除率和切削熱的增加，切削液必須具備將切屑快速?zèng)_離工件、降低切削熱和增加切削界面潤(rùn)滑的功能。常規(guī)的切削液及加注方式很難進(jìn)入加工區(qū)域，反而會(huì)加大切削刃在切人切出過程的溫度變化，產(chǎn)生熱疲勞，降低刀具壽命和可靠性。

　　微量油霧冷卻一方面可以減小刀具一切屑一工件之間的摩擦，另一方面，細(xì)小的油霧粒子在接觸到刀具表面時(shí)能快速氣化，其換熱效果與普通冷卻液熱傳導(dǎo)的換熱效果相比，能帶走更多的熱量，目前已成為首選的冷卻介質(zhì)。

　　氮?dú)庥挽F冷卻介質(zhì)在鈦合金的高速銑削中具有良好的效果，除具有空氣油霧的冷卻潤(rùn)滑作用外，還具有抗氧化磨損等作用。在33 m／min的銑削速度時(shí)，相比較空氣油霧冷卻，刀具耐用度提高了60％，銑削力可降低20％～30％。

2 淬硬鋼的高速數(shù)控加工實(shí)例

　　2.1 涂層硬質(zhì)合金刀具與未涂層硬質(zhì)合金刀具的壽命對(duì)比

　　(1)實(shí)驗(yàn)條件

　　機(jī)床：MIKRON HSM700高速數(shù)控加工中心刀具：涂層氮鋁鈦(TiAlN)硬質(zhì)合金刀具(WC基體)與未涂層硬質(zhì)合金刀具(WC基體)

　　(2)實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)

　　將3種含Co量不同的涂層硬質(zhì)合金和未涂層硬質(zhì)合金刀具對(duì)相同材質(zhì)的淬硬鋼SKD61(40HRC)進(jìn)行加工，分別檢測(cè)刀具的磨損情況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、刀具磨損圖片及磨損量曲線圖。

　　(3)實(shí)驗(yàn)分析

　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可作出3種刀具磨損量對(duì)比曲線

　　(4)實(shí)驗(yàn)結(jié)論

　　①涂層氮鋁鈦(TiAIN)硬質(zhì)合金刀具比未涂層硬質(zhì)合金刀具的壽命高出很多。在同等條件下，如刀具切削長(zhǎng)度為1 1TI時(shí)，涂層刀具的壽命是未涂層刀具的2至4倍。

　?、谕繉拥X鈦(TiAIN)硬質(zhì)合金刀具比未涂層硬質(zhì)合金刀具的刀具磨損過程慢。主要是由于涂層的支撐作用，延緩了刀具的磨損。因此，涂層氮鋁鈦(TiAIN)硬質(zhì)合金刀具的壽命更長(zhǎng)。

　　2.2 淬硬鋼加工的切削力、刀具磨損與破損形式

　　2.2.1 切削力

　　表2中列出了直徑為62 mm的TiAIN涂層硬質(zhì)合金刀具銑削加工45淬硬鋼時(shí)，不同切削參數(shù)變化對(duì)銑削力的影響。

　　結(jié)果表明：切削速度對(duì)銑削力的影響最小，且隨切削速度的增加，銑削力有下降趨勢(shì)。目前切削速度可達(dá)到300 m／min。提高每齒進(jìn)給量和切削深度都會(huì)使得切削力呈直線上升。切削深度對(duì)切削力的影響最顯著。因此每齒進(jìn)給量和切削深度應(yīng)盡量小，可通過切削速度的提高實(shí)現(xiàn)進(jìn)給量的增大。隨著刀具磨損加劇，切削力增大。

　　2.2.2 刀具磨損與破損形式

　　淬硬鋼高速加工常用的刀具結(jié)構(gòu)形式有平底銑刀、球頭銑刀和可轉(zhuǎn)位銑刀等。平底銑刀的刀尖很容易破損，刀具易失效。相同條件下，球頭銑刀的使用壽命要比平底銑刀長(zhǎng)，主要原因是球頭銑刀刀尖不象平底銑刀刀尖那樣薄弱，并且刀刃形狀有利于切削刃上載荷的均勻分布。但球頭銑刀的制造比平底銑刀困難。可轉(zhuǎn)位銑刀的刀片可根據(jù)加工條件設(shè)計(jì)成有利于延長(zhǎng)刀具壽命的不同形式，容易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，并且可以輪流使用各刀刃來進(jìn)行切削加工；但是這類銑刀的刀具直徑一般大于8 mm，不能用于小型模具型腔的加工。因此淬硬模具材料的粗加工應(yīng)盡可能使用可轉(zhuǎn)位銑刀，精加工時(shí)可根據(jù)加工條件選擇相應(yīng)的整體式球頭銑刀或平底銑刀。

　　銑削是斷續(xù)切削，在銑削過程中切削力循環(huán)變化產(chǎn)生高頻振動(dòng)，影響刀具壽命；加工淬硬鋼時(shí)，刀具破損更為嚴(yán)重。刀具后刀面的磨損比前刀面嚴(yán)重，主要失效形式有刀尖破損、涂層燒傷與脫落、側(cè)刃微崩等。

　　2.2.3 影響刀具磨損的主要因素

　　影響刀具磨損的主要因素有：

　　(1)刀具直徑：在相同的切削參數(shù)和加工長(zhǎng)度條件下，直徑小的銑刀磨損比直徑大的銑刀磨損嚴(yán)重，而加工表面質(zhì)量相差不大。因此在用小直徑銑刀加工淬硬鋼時(shí)，要考慮整個(gè)刀桿能承受的最大載荷，切削深度和進(jìn)給速度盡量小。

　　(2)刀具幾何參數(shù)：由于加工淬硬鋼時(shí)刀具的失效主要形式為刀尖破損，因此應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牡毒呓嵌纫蕴岣叩都獾目箾_擊強(qiáng)度，如采用較小的前角和后角等。

　　(3)刀具材料：可用于淬硬鋼加工的刀具材料主要有硬質(zhì)合金、硬質(zhì)合金涂層、陶瓷和CBN刀具。陶瓷刀具的抗沖擊韌性差，抗彎強(qiáng)度小，不太適應(yīng)斷續(xù)切削；CBN刀具沖擊韌性好，但價(jià)格貴，應(yīng)用比較少。

3 結(jié)語(yǔ)

　　淬硬鋼的高速數(shù)控加工技術(shù)是多種先進(jìn)加工技術(shù)的集成，不僅涉及到高速數(shù)控加工工藝，而且還包括高速數(shù)控加工機(jī)床、數(shù)控系統(tǒng)、高速數(shù)控切削刀具及CAD／CAM技術(shù)等。本文通過對(duì)淬硬鋼的高速銑削力、刀具磨損以及加工工藝技術(shù)的研究與實(shí)踐，為生產(chǎn)實(shí)際中的淬硬鋼的高速數(shù)控加工提供了一定的理論依據(jù)。

　　實(shí)踐證明：淬硬鋼的高速數(shù)控銑削加工表面質(zhì)量好，形狀精度提高，比電火花加工提高效率50％，可減少手工修磨工作量，對(duì)于復(fù)雜工件表面的加工更具明顯的優(yōu)勢(shì)。還可避免電火花加工產(chǎn)生的表面損傷，提高模具壽命20％。

　　高速數(shù)控切削是一項(xiàng)先進(jìn)的、正在發(fā)展的綜合技術(shù)，必須將高性能的高速數(shù)控切削機(jī)床與工件材料相適應(yīng)的刀具和對(duì)于具體加工對(duì)象最佳的加工工藝技術(shù)相結(jié)合，才能充分發(fā)揮高速數(shù)控切削加工工藝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。