金属切削技术概论
记得大学的机械课程里面有一门课叫做机械加工工艺原理,大抵是讲如何对金属进行机械加工来获得期望的零件形状,表面状态,实现一定的加工效率,经济效益以及达到零件实际应用的需求。
有别于现在比较流行的增材制造、3D打印的材料成型方法,传统的机械加工一般采用去除材料的方式来实现,一般都是经过毛坯成型-粗加工-热处理-半精加工-精加工-后处理的的这样的工艺路线。
常见的金属切削的工艺方法包括:车削加工、切断和切槽、螺纹加工、铣削加工、钻削加工、镗削加工等。它们的组成一般包括:切削刀具、夹持以及机床设备。如图1所示。
图1 ISO 13399中加工工具的组成结构示意图车削加工是指使用单刃刀具加工出回转体和回转曲面的应用,在大多数情况下,刀具固定做进给运动,工件旋转为主运动。刀具进给运动可以沿着工件的轴线进行,这意味着工件直径会被车小;常见的车削工艺包括:轴向车削、端面车削以及仿形切削。
螺纹车削是指可转为刀具沿着需要加工螺纹的工件截面进行多次走刀的工艺。螺纹主要可以实现以下功能:
-实现机械耦合;
-通过将旋转/线性运动转化为线性/旋转运动来实现运动;
-实现机械效益,利用较小的力产生较大的力。
常见的金属切削螺纹的加工方法包括:螺纹车削、攻丝、螺纹铣削、旋风铣螺纹和磨削。
铣削加工是指通过旋转的多刃切削刀具按照编订的程序,相对于工件执行进给运动,铣削几乎可以沿任何方向进行。铣削主要用于加工平面,尤其是一些大平面区域。
钻削涵盖了金属切削刀具在工件中加工圆柱孔的方法。由于钻头加工时无法看到钻削运动,所以必须进行切屑的控制,同时排屑也很关键,会直接影响加工工件孔的质量,刀具寿命以及可靠性。
钻削通常可以分为钻削、套料钻削、倒角钻削以及阶梯孔钻削。如图1所以
图2 四种钻屑方式镗削加工是指使用旋转刀具进行孔加工工序,适用于对加工已经预加工过的孔、铸造的孔、锻件的孔、挤压孔以及气割的孔进行半精加工和精加工。通常情况下,镗削工序在加工中心和卧式镗床上进行。旋转的刀具在孔中轴向进给。大多数为通孔且在壳体框架类等棱柱状零件上加工。
切削刀具的加持会显著地影响切削刀具的性能和生产效益,因此,选择正确的刀柄非常的重要。刀柄与机床的接口在切削过程中发挥着非常重要的作用。稳定性、换刀时间、精度、灵活性、模块化、操作和存储对于优化加工过程至关重要,与传统常规刀具相比,快换系统可将车削中心的有效切削时间比率增加25%。
针对于待加工的工件材料特性,选择合适的切削刀具材质和刀片形状,对于获得合格的和高生产率的加工过程极为重要。ISO标准中将待加工的金属材料分为6种不同类型,分别为钢、不锈钢、铸铁、有色金属、耐热合金和淬硬钢。上述的每种材料都有应用在不同的特定的行业和领域。
考虑到金属切削过程的复杂性,许多参数都会对切削过程产生影响,他们包括:工件材料、硬度、零件形状、应用的加工方法、加工工况以及切削环境。
在设计一个成功的切削过程时,切削刀具材料和材质的选择是一个重要的考虑因素。因此,只有掌握每种切削刀具材料的特性以及性能,才能针对于每种待加工的零件做出正确的选择,选择时,也需要将每道工序的待加工工件材料、零件类型和形状、加工工况和要求的表面质量水平考虑在内。
常见的切削刀具材料类型有:
-高速钢(HSS);
-涂层硬质合金;
-金属陶瓷;
-陶瓷;
-立方氮化硼;
-金刚石
理想的切削刀具材料应该具有足够硬,具有抗后刀面磨损和抗变形能力;韧性高,具有抗整体破裂性能;与工件材料不会发生化学反应;具有化学稳定性,抗氧化和扩散;具有良好的抗热疲劳性能。
由于刀具材料的应用工况的严苛,对材料自身的要求也会严格,同时这类材料也比较难加工,对这些加工刀具的成型工艺方法必然会引用一些非常规的加工工艺;这也是我对该领域感兴趣的一个原因;后续会逐步介绍刀具材料的类别、成型以及加工工艺等。
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