【正文】 上的刀具成本卻低于其他材料刀具，采用先進(jìn)切削加工工藝時(shí)，若將磨削機(jī)床等設(shè)備投資攤?cè)肷a(chǎn)成本，則 PCBN 刀具的使用會(huì)帶來(lái)更大經(jīng)濟(jì)效益。 PCD 的性能主要是受到金剛石的晶粒和鈷含量影響，其使用壽命是硬質(zhì)合金的 10－ 500倍。在金剛石刀具中，損害其壽命和耐磨性的機(jī)理是因?yàn)樵诘都獠糠执嬖谟刹糠謿堄嗾辰Y(jié)金屬和石墨而成的聚接物，其會(huì)對(duì)刀具有很大的影響，另外，溶煤金屬殘留物和金剛石表面接觸，會(huì)對(duì)其抗氧化能力和耐熱性有影響。 （ 2）各向異性。 （ 4）鋒利的刀刃。 綜上所述，要依據(jù)不同材料選擇不同刀具來(lái)加工，同時(shí)，要考慮量產(chǎn)時(shí)的數(shù)量，避免量產(chǎn)數(shù)量過多，影響刀具壽命和工件質(zhì)量。 （ 2）后角的選取在一定 程度上會(huì)影響刀具的剛度。對(duì)于雙倒棱后角而言，要在保證刀具剛度的前提下再增加后角。再就是刀齒的影響問題，為減輕刀具的摩擦，需要使用刀齒要適中，如果選用的刀具齒或許疏松，其刀具容屑空間大，雖說(shuō)切削不會(huì)出現(xiàn)堵塞，其進(jìn)給量也不會(huì)有所增加，也沒有所謂的硬化層出現(xiàn)，但最終會(huì)對(duì)精度有所影響，若過密則前述現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)，進(jìn)而是加劇刀具的摩擦 刀具的形狀 高速切削過程中刀具的損壞方式其中一個(gè)就是刀尖部熱磨損和切削刃邊緣的缺口出破損。通常情況下，切削刀刃數(shù)目多的銑削刀的容縣槽不大，其排切屑不佳，但是銑削刀的橫 15 截面面積小，剛度不高，因此其在加工過程中容易產(chǎn)生變形。 第 3 章 高速銑削下加工薄壁構(gòu)件的路徑優(yōu)化 對(duì)加工路徑的優(yōu)化 在不斷提升自身的要求的前提下，需要做的就是對(duì)刀具加工路徑的改進(jìn)，倘若路徑選擇的不夠合理，是加工時(shí)產(chǎn)生的力的突變會(huì)對(duì)構(gòu)件和刀具等產(chǎn)生巨大的沖擊。 （ 3）機(jī)床負(fù)載與材料去除率保持恒定。從某種程度上講，顛覆了原有的加工理論和路徑規(guī)劃方式。相鄰兩行切削刀路間附加圓滑轉(zhuǎn)接 。 (5)粗加工時(shí)盡量保證所留余量均勻，以減少精加工時(shí)切削負(fù)荷的變化。 粗加工過程中常用的路徑有： 二項(xiàng)等高線層切法。此種方法適用于深度腔體構(gòu)件的粗加工，腔體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)要求刀具很長(zhǎng)，這就對(duì)刀具的剛度提出要 求，相比傳統(tǒng)上那種切削路徑 ，其 刀具剛性不足且又沒有加工質(zhì)量的加工方法，此種 插 銑 方法可以很好的解決這樣的問題，其刀具軌跡如圖 。但是這對(duì)高速加工是非常不利的，事例如圖 ，在①處，加工曲面切槽時(shí)，螺旋進(jìn)刀前要切開一道 通槽，然后在直線走刀。 （ 2）余量加工 類似于筆試加工的余量加工，其工作任務(wù)是將粗加工后構(gòu)件表面的多余量清除。另外，通過快速的編程可以讓編程人員對(duì)工藝策略做比較，從中發(fā)現(xiàn)好的工藝方案，進(jìn)而優(yōu)化程序，達(dá)到最佳加工效率。 薄壁構(gòu)件的 CAM 模擬 鋁合金薄壁構(gòu)件被廣泛的應(yīng)用于軍事和航天設(shè) 備中，但是再加工中如果處理不好剛度差的問題，非常容易變形甚至造成零件報(bào)廢。構(gòu)件加工需要做往返運(yùn)動(dòng)，在這樣的運(yùn)動(dòng)中，其步距的移動(dòng)方向要避開震動(dòng)區(qū)域。 （ 3）加工多型薄壁構(gòu)件。其使用的刀具是山特維克多生產(chǎn)的，直徑為 ，全長(zhǎng) 54mm，刃口長(zhǎng)度 1mm，螺旋角為 30。圖 所示， t 表示加工余量，由幾何常識(shí)知道， t 線在兩個(gè)圓弧的圓心的連線的延長(zhǎng)線上，則有 : )112(222 RRRRt ???? 整理有， )12)(12( RRt ??? （ ） 其中 R1=,R2=,帶入整理后的公式得 )( mmt ? 加工后，理論上二維效果圖如圖 所示，利用 UG 模擬粗加工結(jié)果如圖 所示。 多孔下刀具路徑的優(yōu)化 在 CAD/CAM 集成系統(tǒng)下的操作中，決定其構(gòu)件生產(chǎn)加工的質(zhì)量和效率的是數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)，對(duì)工藝的規(guī)程編寫和生成的數(shù)控代碼對(duì)刀具的走刀路徑有重大影響，主要體現(xiàn)在工件的加工精度、表面 粗糙度 和加工速度等。采用和粗加工一樣的進(jìn)退刀方式，最后模擬加工的效果如圖 所示。為了減少計(jì)算機(jī)計(jì)算量，基于 UG 建模環(huán)境下建立一個(gè)單孔 (槽 )，對(duì)其進(jìn)行刀具路徑的模擬，在 UG CAM 環(huán)境下模擬的效果如圖 3. 4 所示。其選擇的工序原則是，力的釋放要順暢在加工過程中，要有好多夾緊力，不能積存過多熱量。 （ 2）加工薄底構(gòu)件。圖 是 UG 情況下構(gòu)件的模擬效果圖。 對(duì)于系統(tǒng)中的自動(dòng)刀柄干涉主要是當(dāng)高速加工時(shí)，刀具出現(xiàn)與材料不相符的使用時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示并且自動(dòng)進(jìn)行刀具的檢測(cè)。此外還需要注意的是若要得到合理的加工紋路和高速加工過程，需要控制好加工方向的合理選擇，同時(shí)控制好步長(zhǎng)。在②處，轉(zhuǎn)彎時(shí)使用此種方法可以使得刀具軌跡更加的平滑。術(shù)語(yǔ)中的擺線是一個(gè)圓繞著一個(gè)曲線做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓上某一固定點(diǎn)的軌跡。如此以來(lái)，可以使加工中的薄壁構(gòu)件具有較好的剛度。 刀具路徑 在高速加工過程中加工形式有兩種，粗加工和精加工。 (3)切削過程中盡可能保持恒定的切削負(fù)荷及金屬去除率。加工敞口型腔 處走刀時(shí)要從材料表面走；加工無(wú)型腔的封閉處要采用螺旋式走刀，在其局部區(qū)域切入。 （ 5）要避開諸如刀具等急劇轉(zhuǎn)向不利運(yùn)動(dòng)。 總則 高速切削工藝技術(shù)的特征： （ 1）相比普通的加工，其主軸轉(zhuǎn)速和刀具的切削速度都相當(dāng)高。 小結(jié) 本章根據(jù)工件的材料屬性和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了工件的加工難點(diǎn)，設(shè)計(jì)了單個(gè)小槽加工的工藝規(guī)程，并選擇了高速加工用的刀具。 通常情況下，高速切削的深度不會(huì)太大，為使刀具剛度有所提高和刀刃破壞概率有所下降，需要使切削刀刃處盡量取短。在切削鋁合金這種塑性材料時(shí)，因?yàn)榍行夹螤畛蓭?，所以最好采用大的刃傾角。對(duì)于刀具刀刃剛度而言，加大后角卻是不利的。 刀具的形狀和尺寸 幾何角度 在高速加工中所使用的刀具，其幾何參數(shù)主要有刀具的前角、后角和刀刃傾角。 （ 5）導(dǎo)熱性極佳。 （ 3）摩擦系數(shù)低。 金剛石刀具的特點(diǎn)有如下： （ 1）硬度和耐磨性高。在高速加工時(shí)，進(jìn) 14 給速度和切削深度會(huì)對(duì)材料和硬度有一定的影響。另外，目前由于人員費(fèi)用的增大及環(huán)境保護(hù)方面的要求，大力推廣使用 PCBN刀具，充分發(fā)揮其潛在效能，提高切削加工技術(shù)水平也是具有重要意義的。與眾多材料摩擦系數(shù)相比， CBN的摩擦系數(shù)在 左右，且此系數(shù)會(huì)因?yàn)槟Σ了俣鹊臏p小和壓力的減小而變大一些。從刀具壽命的角度，濕式切削對(duì)其是不利的，進(jìn)而在加工時(shí)選擇干式切削加工。其能耐熱性為 HV1400－ 1500，溫度在八百攝氏度時(shí)是 TiC/Al2O3 為常溫硬度，所以，切削加工時(shí)產(chǎn)生的高溫能夠軟化材料卻可以使硬度更強(qiáng)，進(jìn)而促進(jìn)加工，并且對(duì)刀具的使用壽命影響小。為此，介紹 PCBN 刀具材料性能如下： （ 1）硬度和耐熱性高。 立方氮化硼刀具 PCBN 刀具是人造立方氮化硼刀具，在高溫的時(shí)候還能保持高硬度的特性，主 要做加工鐵件之用。 5）熱導(dǎo)率低且強(qiáng)度和韌性差。另外三氧化二鋁在高溫狀態(tài)下不容易被氧化，所以適合在高速加工下產(chǎn)生的高溫中對(duì)工件做連續(xù)的切削。與硬質(zhì)合金做比，具有的特點(diǎn)如下： 1）硬度和耐磨性更高 其所具有的硬度數(shù)值為 HRA93 左右，耐磨性高于硬質(zhì)合金的五倍。由于高速加工中存在的一些原因外加鋼這種材質(zhì)中存在的不足，鋼刀具在高速加工中的使用率成下降趨勢(shì)，并且逐漸被硬質(zhì)合金和陶瓷刀具所替代。其主要的技術(shù)原理是在刀具面上加工上數(shù)道高性能材料，以此來(lái)達(dá)到充分發(fā)揮刀具自身優(yōu)勢(shì)的同時(shí)還能進(jìn)行高速切削工作。但是存在不能實(shí)用于高速銑削的缺點(diǎn)，那就是耐磨性和耐高溫性很差。傳統(tǒng)的高速狀態(tài)下的加工會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為解決這個(gè)問題，需要找到一種能夠耐得住高溫的材料制作銑削刀具。多片鑲嵌刀具的荷載作用于每一個(gè)刀片上，實(shí)體刀具的則作用在每個(gè)齒上。 4)抗熱沖擊能力強(qiáng)等。從經(jīng)濟(jì)的角度，合理的選擇刀具和優(yōu)化參數(shù)，可以多方面提升刀具的性能，如加工效率、質(zhì)量、刀具的使用壽命、節(jié)約材料節(jié)省成本等。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，刀具的材料和制造技術(shù)有了巨大的變化，其極大的推動(dòng)了 刀具類型的擴(kuò)展和使用，當(dāng)前業(yè)內(nèi)主要使用的幾種刀具是陶瓷刀具、 CBN 刀具和金剛石刀具。下面就針對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)需要的刀具做初步分析，然后選擇合適的刀具。 圖 加工表面缺陷 綜上所述，對(duì)于寬厚比大于 160 的構(gòu)件加工，其中槽的尺寸小且質(zhì)量上要求高的，結(jié)合鋁合金剛性差等原因，首要解決的問題是控制變形。 圖 小槽分布示意圖 (3)有分布規(guī)律的小槽出現(xiàn)在構(gòu)件上，且不是在同一條直線上，兩條直線之間存在危險(xiǎn)的位移差，如圖 所示。 圖 工件的外形及主要尺寸 9 圖 工件局部放大圖 零件加工的難點(diǎn) 分析了上文中工件的屬 性和結(jié)構(gòu)，對(duì)加工構(gòu)件的過程中，還需要注意一下幾點(diǎn)： (1)工件壁薄難裝夾。 零件的結(jié)構(gòu)特性 零件結(jié)構(gòu)模型如圖 所示，其結(jié)構(gòu)特征如下 : （ 1）工件尺寸，單位是 mm，長(zhǎng)度寬 度壁厚，即 270 80 ； （ 2）矩形孔個(gè)數(shù)和倒角，表面孔數(shù)是 352 個(gè)且排列整齊，尺寸是 10 ，倒角為≤ ，外加孔徑為 3mm 的通孔在左右下角 。其他指標(biāo)在通常溫度下，其硬度 HB 為 130，熱導(dǎo)率是 190W（ m.℃），線膨脹系數(shù)為 ℃。如圖 所示，影響刀具選擇的因素主要有 12 種因素。存在的問題，如何簡(jiǎn)化加工模型、如何建立有限元模型、 ansys 軟件中如何建模等一系列的操作。 6 （ 3）專用夾具設(shè)計(jì)和工件安裝方案的制定 鋁合金構(gòu)件自身所具有的剛性差，受力諸如切削力、夾緊力和殘余應(yīng)力等的作用容易變形，因此，若想保證構(gòu)件的質(zhì)量，關(guān)鍵是要控制好其變形，而控制的主要措施是裝夾方 案的制定。 刀具的決定因素如下：刀具的形狀要順從構(gòu)件特征； 其形狀由最小圓角確定 刀具的尺寸參數(shù)；刀具的品牌或者說(shuō)刀具的類型，要依據(jù)當(dāng)時(shí)市場(chǎng)情況和使用壽命而定；最后組合與整個(gè)機(jī)床工作，這其中要在完成幾何特征加工的基礎(chǔ)上，讓其切削力和構(gòu)件變形最小化。文獻(xiàn) [42]是采用 Johnson2Cook（ JC）模型對(duì)工件材料做模擬，采用的失效準(zhǔn)則是 JC 破裂模型，利用建立起來(lái)的有限元模型，分析了四種不同切削條件下的材料加工時(shí)切屑的形成過程，獲取了是相應(yīng)情況下的切削力，并且進(jìn)行對(duì)此分析，得到了相同加工條件下不同的不連續(xù)狀的切屑的形成，從切屑形成機(jī)理上，其不連續(xù)狀切屑的與在自由表面破裂的鋸齒狀切屑的是不 相同的。并且通過是結(jié)果得出結(jié)論是：在 2D 平面應(yīng)變結(jié)構(gòu)中，在熱禍合的情況下，其在刀具前方的變形區(qū)內(nèi)和刀具經(jīng)過的表面內(nèi)的主要應(yīng)力是殘余應(yīng)力，其數(shù)值是非常大。 針對(duì)這方面的研究，其方法雷同，都是借助有限元軟件對(duì)其進(jìn)行分析 ，并且模擬出高速切削加工過程中出現(xiàn)的工件變形、切削、應(yīng)力分布、溫度場(chǎng)等。 文獻(xiàn) [34]是研究薄壁構(gòu)件變形特點(diǎn)，將處在不同的切削區(qū)的切削模型做實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn) [35]是通過理論分析了航空薄壁構(gòu)件在加工時(shí)的變形機(jī)理，同時(shí)建立了銑削力學(xué)模型。 1993 年 Moriwaki等人使用有限元方法對(duì)無(wú)氧銅的微切削過程做了模擬，主要研究?jī)?nèi)容是刀具與工件之間溫度的分布情況。 Lajczok 于 1980年建立正交切削模型，并且從實(shí)驗(yàn)中得到，在忽略切屑的前提下獲得了切削力。完畢后，斷磁，去除磁流液體，完成構(gòu)件的加工?；厩疤崾羌庸すぜ砻嫠璧臍堄鄳?yīng)力存在，從控制構(gòu)件加工變形的角度出發(fā)，對(duì)裝夾方案做優(yōu)化。文獻(xiàn) [21]中提到的射流法，其主要是用來(lái)加工大型薄壁構(gòu)件時(shí)控制變形的，工作機(jī)理是，在切削敏感方向使用高壓液體，對(duì)準(zhǔn)正在加工的工件部分噴射，這樣以來(lái)，可以起到浮動(dòng)支撐作用， 進(jìn)而可以有效的減少切削力產(chǎn)生的加工變形。對(duì)此，大部分學(xué)者把鋁合金構(gòu)件加工過程中變形問題視為瓶頸問題。同類的采用路徑最短化優(yōu)化和 X 方向優(yōu)化路徑等，針對(duì)不同類型的混合加工的則是從工序上和路徑雙方向來(lái)考慮。在文獻(xiàn) [12]中，是運(yùn)用一種遺傳算法對(duì)刀具路徑排布的有話，文獻(xiàn) [13]是空群規(guī)律性排布下的正交優(yōu)化方法 。對(duì)TSP(traveling salesman problem)做擴(kuò)展，就可以形成一種節(jié)點(diǎn)可變的廣義 的旅行商問題（ generalized traveling salesman problem，簡(jiǎn)稱 GTSP）。 (4)順銑是高速切削的首選，其所具有的特點(diǎn)有，加工過程穩(wěn)定，對(duì)刀具損害小，加工出來(lái)的工件的見面質(zhì)量最好！ 機(jī)械化時(shí)代的到來(lái)，對(duì)生產(chǎn)效率有了一定程度上的要求，這是供求關(guān)系導(dǎo)致的，針對(duì)提高一個(gè)零件加工速度，主要從兩個(gè)時(shí)間來(lái)提高，即實(shí)際切削時(shí)間和刀具空行程時(shí)間，若想減少一個(gè)零件的加工時(shí)間，提高生產(chǎn)率，需要同時(shí)將兩種時(shí)間縮小，其可實(shí)行的策略其合理安排刀具加工路徑，也就是說(shuō)要 盡量的優(yōu)化路徑，盡量減少空行程時(shí)間。 針對(duì)實(shí)際的高速加工零件，在路徑路徑編制過程中要參考文獻(xiàn) [7]中給出的原則設(shè)計(jì)刀具路徑，主要內(nèi)容有 : （ 1）進(jìn)刀方式采用螺旋式或者圓弧式，并且是緩慢切入，其目的其盡量避免突變力的產(chǎn)生和延長(zhǎng)刀具的使用壽命。 鋁合金構(gòu)件在高速加工時(shí)的走刀路徑 實(shí)現(xiàn)高速切削加工技術(shù)，需要的條件是要強(qiáng)化機(jī)床、刀具 、夾具等設(shè)備的承載能力，同是對(duì)于走刀路徑也需要做一定程度上的改進(jìn)。 （ 7）切削用量的選取 針對(duì)這個(gè)方面的影響，背吃刀量是影響變形的首要因素，并且成正比例關(guān)系，而其切削速度是反比例關(guān)系！因此，有效控制變形并且提高生產(chǎn)效率，需要減少背吃刀量，提高切削速度和恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量。 （ 3）補(bǔ)償應(yīng)變 銑削加工工件時(shí)采取的同方向加工，會(huì)對(duì)工件兩側(cè)的對(duì)應(yīng)面產(chǎn)生拉伸運(yùn)用，這種拉伸會(huì)對(duì)單向延伸有一定的阻撓運(yùn)用，也就是說(shuō)可以對(duì)工件變形有一定的限制作用。