涂层钨钢刀具加工淬硬钢的切削性能

(1)刀具结构形式
硬质合金铣刀按数控刀具结构的形式可分为平底铣刀、球头铣刀和可转位铣刀等。平底铣刀的刀尖最容易破损，刀具很容易失效。实际应用中，在同等条件下球头铣刀的使用寿命要比平底铣刀长，主要原因是球头铣刀刀尖没有象平底铣刀刀尖那样薄弱，并有利于切削刃上载荷的均匀分布。但是，球头铣刀的制造比平底铣刀更困难。可转位铣刀的刀片可以根据加工条件设计成各种有利于延长刀具寿命的形式，容易实现批量生产，并且可以轮流使用各刀刃来进行切削加工；但是要制作这种铣刀，刀具直径一般要大于8mm，不能用于一些很小的型腔的加工。淬硬零件的粗加工应尽可能使用可转位铣刀，精加工选择整体式球头铣刀或平底铣刀。
(2)刀具磨损及破损
如图1所示的实验结果表明，整体硬质合金涂层平底立铣刀高速加工淬硬钢时，刀具的失效形式上主要有刀尖破损(图1a)、非正常破损(图1b)、切削刃疲劳磨损、涂层烧伤与脱落(图1c、d)等。其中刀尖破损最为常见，这是因为刀尖处刚性差，而加工过程中，往往是刀尖先接触工件。破损以后刀尖附近的涂层被破坏，加快了刀具失效的速度。由于刀尖破损失效在加工淬硬钢时尤为突出，因此应该选择刀尖刚性较好的刀具结构，如采用底刃与侧刃有圆弧过渡的立铣刀。由于工件在淬火后硬度大大提高，若淬火后工件材质不均、有裂纹，将使它的可加工性能大大降低。当加工到淬火后出现的局部硬质点位置时，切削力会突然变大，容易出现崩刃现象。
(a)刀尖破损
(进给速度f=400mm/min)
(b)非正常破损
(由于切入工件时速度过大造成)

(c)由于进给速度过小刀具烧伤(f=50mm/min)
(d)未涂层刀具烧伤(f=50mm/min)
实验结果表明，由于涂层的隔热作用，涂层刀具要比普通刀具有更好的耐高温性能(图1c、d)。在实验过程中，当刀具切削到硬质点时温度突然升高，飞出的切屑呈现剧烈火花，切削完成后刀刃依然锋利，说明实验用的整体硬质合金涂层刀具切削性能良好，利用涂层刀具可以对淬硬钢进行干式高速加工，而且可以获得较好的表面质量(Ra%lt;0.5µm)；而未涂层的硬质合立铣刀的加工表面质量很差，并且刀具被严重烧伤。
影响刀具磨损和破损的主要因素还包括刀具材料、几何角度和直径，切削用量和走刀方式等。
(3)刀具角度
影响立铣刀切削性能的角度主要有前角、后角、刃倾角(螺旋角)。由于加工淬硬钢时刀具失效的主要形式为刀尖破损，因此，应当选择适当的刀具角度以提高刀尖的抗冲击强度， 如采用较小的前角和后角。某文献采用TiAlN涂层刀具加工硬度为55HRC以上的淬硬钢，用不同前角(+15°，+5°，-5°，-15°，)和螺旋角(30°，45°，60°)的刀具切削60HRC的材料，发现前角为-15°和螺旋角为60°的刀具磨损最小，表明大的螺旋角和负前角可以减小刀具磨损。
对于可转位铣刀， 不同的刀片形状有不同的刀尖强度，一般刀尖角越大，刀尖强度越大，反之亦然。如图2所示，圆刀片(R型)刀尖角最大，35°菱形刀片(V型)刀尖角最小。加工淬硬钢时应选用刀尖角较大的刀片，由于刀尖角越大切削力越大，要求机床具有良好的刚性和较大的功率。
直径相同的铣刀，齿数越多，刀杆的刚性越好，并且可以采用的进给速度越大，因此切削效率越高；但是两条切削刃之间的容屑空间小，排屑性变差。双齿铣刀适合采用较大的切削深度加工材质较软的工件，而多齿铣刀则适合用小切削深度加工高硬度(如淬硬钢)材料。
(4)刀具直径
刀具直径越大，刀具的成本也越大。大直径刀具容易给切削刃提供更大的支撑面，刚性好，因此大直径刀具比小直径耐磨。如图3所示，对于两种涂层立铣刀，在相同的切削参数和加工长度条件下，Ø6mm的铣刀刀尖的破损要比Ø8mm的严重，Ø8mm的刀具比Ø6mm的更加耐磨，两者的加工表面质量相差不大。在用小直径铣刀加工淬硬钢时，要考虑整个刀杆能承受的最大载荷，因此，用小直径铣刀时切削深度和进给速度一般都很小。由于加工过程的不稳定因素(如机床主轴的不稳定性和切削过程中载荷的变化等)，使用小直径铣刀时常常出现断刀现象。
(5)切削用量
通过对正交实验结果的分析，研究了切削用量对工件表面质量的影响，如表1及图4所示。图4表明，在所选的各种试验水平中，当主轴转速为6000r/min(Vc=110m/min)， 进给f=400mm/min，ac=0.05mm时工件的表面质量最好；进一步提高这三个参数还可以降低表面粗糙度，但是此时刀具寿命可能会很低，需作进一步研究、试验。三个因素中，切削速度变化引起Ra的变化范围的最大，即它对粗糙度的影响最大，其次是进给量，而切削深度的影响最小。
下面分别讨论各种切削用量对加工过程的影响和实际应用中应注意的问题：
切削速度
切削速度是影响刀具寿命的主要原因之一。在传统的切削加工中，总是先选好切削深度和进给速度，再根据刀具耐用度选择合适切削速度，就是因为提高切削速度会使刀具寿命大大下降。在高速加工中，当切削速度的提高到一定值时，可以使被加工部位先“软化”再切除，从而使切削力降低或使它的提升减缓，在一定程度上改善了切削条件。确定适当的切削速度对高速加工非常重要，但由于加工淬硬钢没有明显的“临界速度”， 而且用不同的机床和刀具加工不同的材料时其值相差很大，目前还没有完善的高速加工工艺参数表可供参考，所以工艺人员应勇于尝试并根据刀具的实际使用情况以优选切削速度。日本安田公司采用YASDA YBM-640V进行切削试验获得了切削速度与刀具寿命的关系曲线(图5a)。试验表明切削硬度为50HRC的材料，Vc=150～200m/min时，刀具寿命较长。
(a)切削速度
(径向切深ap=0.5mm)
(b)切削深度
(切削速度310mm/min)
进给速度
高速加工的进给速度对刀具寿命、加工效率和加工精度都有着很大的影响。在很高的切削速度下进给速度也必须达到一定水平，不允许有明显的滞后。过低的进给速度不但切削效率低，甚至会使工件表面和刀具烧伤(如图1c所示)。然而，当进给速度太高时，加工表面质量会降低，切削力提高，刀具容易磨损甚至出现断刀现象(如图1b所示)。
切削深度
切削深度是提高效率的重要因素。对于提高切削效率，粗加工和精加工的要求不同，粗加工表现为单位时间内去除切屑的体积，而精加工为刀具在单位时间内切削面积。高速加工提倡的是以较小的切削深度切削同时用很高的进给速度提高切削效率，这在精加工时非常适用。但是对粗加工，有时从增大切削深度(尤其是轴向切削深度)来提高效率会更加明显，而且增加切削深度可以减少进刀次数，对刀具有一定的好处。YASDA机床的切削试验表明增大径向切深可延长刀具寿命。