摘要：数控高速切削技术，是提高加工效率和加工质量的先进制造技术之一，相关技术的研究已成为国内外先进制造技术领域重要的研究方向。本文对高速铣削铝合金时影响表面粗糙度的主要因素和高速铣削铝合金加工技术进行了分析研究。
关键词：数控加工；高速切削技术；刀具材料
引言
随着高速机床、高速刀具在航空、航天、汽车、模具等行业的广泛应用，高速切削加工技术的研究已成为衡量一个国家先进制造技术水平的重要标志之一。高速切削具有高生产效率、表面质量、加工精度等优点，因此高速切削在加工复杂薄壁件中体现出了独特的优势。高速切削加工技术虽然近年来受到广泛重视，但在实际应用中还存在许多问题，因此，在高速切削机理、高速切削基础工艺理论以及切削加工数据库等方面还需要进一步的研究。
1 目前高速加工铝合金的机理研究
世界上比较早进行铝合金等多种有色金属材料高速加工机理研究的是德国的达姆施塔特工业大学，在高速铣削的过程中，铝合金被切削下来的铝屑的形状受到每齿切削量和铣削背吃刀量的影响，其在一定切削的速度范围内是连续的形态，当切削速度到达某数值后，铝屑就会变成断续状。铝合金这种材料的来源比较多，而且比较容易加工，所以也成为较早用来研究高速加工的耗材，HParisand DBrissaud建立了高速铝合金加工切削表面质量的数学模型；ALamikiz对铝合金切削参数及刀具的优化进行了研究；Jeong-Kim对采用金刚石刀具铣削铝合金的过程中出现的毛刺和积屑瘤的因素进行了研究，并得出的主要的原因是切削背吃刀量和刀具磨损有关；上海交通大学对硬铝的高速铣削过程进行研究，得出切削力与切削温度会根据切削速度的的不同而存在动态变化，得出结论。如果切削速度超越了临界值，切削温度与切削力的变化会与常规切削加工不同，会有明显趋势的下降。高速加工铝合金时，一定要选配比较适合的加工刀具，刀具的材料要保证在高速切削状态中热变形小，从而保证切削状态达到理想化。
2 铝合金高速切削的刀具材料
高速铣削加工时，对不同的毛坯材料一定要选择最合适的刀具材料加工，切削效果才能达到最佳，刀具的基材一定要选择热变形小，变形抗力强的材料。高速加工铝合金时，我们常使用的刀具材料有：硬质合金、陶瓷、聚晶金刚石等。
硬质合金：按GB2075-87的标准，硬质合金有三类：P、M、K。P类（其实就是我国的钨钛钴类合金，化学成分为WC+TiC+Co，代号采用YT），这种类型的硬质合金经常用来加工长切屑的黑色金属，颜色用蓝色标识；M类（等同我国原钨钛钽钴类合金，化学成分是WC+TiC+TaC（NbC）+Co，代号采用YW），主要加工有色金属和黑色金属，颜色用黄色标识，又称为通用硬质合金；K类（等同于我国原钨钴类，化学成分是WC+Co，代号采用YG），主要用来切削短切屑的非金属材料、黑色金属、有色金属，颜色用红色标识。硬质合金因其耐高温的特性成为高速切削铝合金的主要刀具材料。在实际切削过程中通常用没有涂层的硬质合金刀具，原因是较厚的涂层会钝化刀尖圆弧，而涂层较薄的会在切削时磨损迅速，很难延长刀具使用寿命。由于P与M系列的硬质合金中存在TiC成分，而TiC这种成分与铝有很好的亲和性，导致不利于加工，所以在开粗时一般选用K系列刀具。
陶瓷：Al2O3是陶瓷刀具的主要化学成分，它是通过压制成型后，在高温下烧结而成的一种刀具材料。与硬质合金材料比较，它有更好的硬度与耐磨性；较好的高温性能；化学稳定性好；抗粘接性能好；加工中摩擦系数小。但陶瓷刀具最大的问题就是脆性大，抗弯性不好，冲击韧性不好，承受冲击的能力差，导热率不好，热膨胀系数较大，当有温度发生明显变化时，刀具容易产生裂纹从而刀片破损；在加工中一般不使用切削液，这些不足也很大程度上限制了陶瓷刀具的使用。
PCD（聚晶金刚石）：金刚石刀具是高速切削铝合金非常理想的刀具基材。PCD是人造的金刚石，它的硬度和耐磨性极高；摩擦系数极低；导热性很好；热膨胀系数低；并且刃口锋利。它的缺点是耐热性不好；脆性大，抗弯强度低，对于振动比较敏感，所以只适合用在精加工，最重要是价格昂贵。
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3 高速铣削表面粗糙度的影响因素
3.1 工件与刀具的匹配
非高速加工与高速加工相似，数控高速铣削的材料与所使用的刀具材料的匹配是十分关键的，刀具与工件选用的匹配度不但影响切削加工的性能，而且对表面质量的影响也是很突出。
3.2 工件材料的硬度
数控高速铣削加工中，表面粗糙度的好坏与被加工材料的硬度有很大关系。高速铣削中的表面质量的变化规律与被加工材料硬度有关，与普通速度切削的变化规律不同，工件材料硬度的增加会使表面粗糙度不断降低。
3.3 切削速度和进给量
在普通速度的加工中，理论上认为：加工脆性材料时，切削速度的快慢对表面粗糙度不会有什么影响，但加工塑性材料时，在切削速度较慢时，容易产生积屑瘤或鳞刺，从而使表面粗糙度增大，但如果提高切削速度，积屑瘤或鳞刺就会减少，工件的塑性变形也会变小，大大提高了表面质量。如果进给量变大，刀具的残留面积就会变大，导致表面粗糙度过大。
3.4 振动
虽然高速数控机床的加工刚度都不错，可是在薄壁零件加工过程中，因为高次谐振与工件的固有频率产生共振，最终影响到工件的表面质量。
4 高速铣削的加工硬化
4.1 工件属性的影响
铝合金材料有它固有的特性，铝合金产品的特点是塑性大，在切削过程中特别容易产生较大的变形，铝合金导热快，切屑会带走切削过程中大量的热量，这些都是导致加工硬化的因素，铝合金材料的熔点较低，会使工件的加工硬化程度减低，在高速铣加工中，实验取得的硬化程度大概为120%，与45#钢的加工硬化来比较，铝合金属于加工性较好的金属。
4.2 切削速度的影响
表面产生加工硬化的原因是切削速度产生的切削力使工件发生塑性变形，从而出现表面强化和切削热弱化的共同作用的结果，切削速度范围区间不同，加工硬化层与硬化程度也不同，它的影响变化因素：首先，在较慢的切削速度时，如果切削速度不断的增加，表面金属层塑性变形的速率就会升高，工件的拉伸强度极限就会不断上升，屈服极限的改变就会影响零件材料的塑性与加工硬化；随着切削速度的不断提升，已加工表面温度就会上升，从而使金属表层发生软化，因此在这个速度区间，切削速度的提高，硬化层深度、程度都会下降。其次，高速加工时工件表层处在高应变率的情况下，变形速度之快，与此同时，切削中产生的热量立即被切屑带走，当变形速率大于弱化速率时，弱化的过程不能彻底完成，所以在高速加工时，会使硬化深度与程度加大。
4.3 进给速度的影响
高速立式数控铣加工，进给量过大就会使已加工面塑性变形变大，不单硬化程度增加，而且表面质量也变差；进给量过小，刀具加工零件的挤压研磨次数变多，表面硬化增大。所以，进给速度与切削速度要有一个合适的配比，这样能使表面质量提高。除此之外，刀具基材与几何形状差异，所引起加工中的摩擦变形情况，都对表面加工硬化有十分重要的影响。
5 结束语
综上所述，数控技术高速铣削铝合金加工技术不但使产品质量明显提高，成本大幅度降低，还增强了企业参与国际市场竞争的优势。因此，随着高速机床、高速刀具在航空、航天、汽车、模具等行业的广泛应用，高速切削加工技术的研究已成为衡量一个国家先进制造技术水平的重要标志之一。
参考文献：
[1]丁许，何宁，李亮，郝秀清.微细铣削工艺数据库系统设计与开发[J].制造技术与机床. 2017（04）
[2]陈强.高速铣削铝合金材质表面粗糙度影响因素分析[J].民营科技. 2016（04）
论文作者:周小玲
论文发表刊物:《基层建设》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/17
标签：加工论文; 刀具论文; 铝合金论文; 速度论文; 表面论文; 工件论文; 材料论文; 《基层建设》2017年第16期论文;