hardened是什么意思dened在线翻译读音例

淬硬钢高速切削加工技术研究＊

王宗才何文平孟奎

（河南工业大学机电工程学院，郑州４５０００７）

Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｆｈａｒｄｅｎｅｄｓｔｅｅｌｓ

ＷＡＮＧＺｏｎｇ－ｃａｉ，ＨＥＷｅｎ－ｐｉｎｇ，ＭＥＮＧＫｕｉ

（Ｈｅ’ｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００７，Ｃｈｉｎａ）

文章编号：１００１－３９９７（２００８）０７－０１２０－０３

【摘要】淬硬钢高速铣削加工具有传统加工无可比拟的优势，是淬硬钢加工的发展方向。从切

削刀柄和刀具

、加工工艺、数控编程等方面阐述了淬硬模具钢高速加工的技术特点。

关键词：淬硬钢；高速切削；高速加工

【Ａｂｓｔｒａｃｔ】ＨｉｇｈｓｐｅｅｄｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｆＨａｒｄｅｎｅｄＳｔｅｅｌｓｈａｓｉｎｃｏｍｐａｒａｂｌｅａｄｖａｎｔａｇｅｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈ

ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍａｃｈｉｎｉｎｇ，ａｎｄｉｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆＨａｒｄｅｎｅｄＳｔｅｅｌｓｃｕｔｔｉｎｇ．Ｆｒｏｍｔｈｅｈａｎｄｌｅａｎｄｃｕｔｔｉｎｇ

ｔｏｏｌｓ，ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｃｒａｆｔａｎｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅｏｆｎｕｍｂｅｒｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｍａｃｈｉｎｉｎｇｏｆ

ｈａｒｄｅｎｅｄｓｔｅｅｌｓｉｓｅｌａｂｏｒａｔｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈａｒｄｅｎｅｄｓｔｅｅｌ；ＨＳＭ；Ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｃｕｔｔｉｎｇ

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＊来稿日期：２００７－１０－０８＊基金项目：郑州市科技攻关项目（２００６－１－１０８）

１引言

“高速切削”的概念首先是由德国的萨洛蒙博士提出的，并于

１９３１年４月发表了著名的切削速度与切削温度的理论。此后，高

速切削技术经过２０世纪５０年代的机理与可行性研究，７０年代

的工艺技术研究

，８０年代全面系统的高速切削技术研究，到９０年

代初，高速切削技术开始进入实用化，到９０年代后期，商品化高速

切削机床大量涌现

，２１世纪初，高速切削技术在工业发达国家得到

普遍应用，正成为切削加工的主流技术。

高速切削技术作为先进的制造技术之一，被当作是提高生产

效率和加工质量的关键技术。起初，高速切削加工主要应用于航

空制造业的铝

、铁及其合金的加工，但随着超硬刀具材料、先进数

控系统和高速强力加工中心的出现与发展

，而逐步扩展到高速加

工淬硬钢

。淬硬钢是一类较难加工的材料，硬度高达（５０～６５）

ＨＲＣ，主要包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承钢、轧辊钢及高

速钢等

。

淬硬钢采用高速加工的具有诸多优点：

（１）加工效率提高（３￣１０）倍。（２）切削力降低３０％以上，尤

其是径向切削分力大幅度减少。特别有利于提高薄壁件、细长件

等刚性差的零件的加工精度

。（３）切削热９５％被切屑带走，特别

适合加工容易热变形的零件

。（４）高速切削时，机床的激振颇率

远离工艺系统的固有频率

，工作平稳，振动较小，适合加工精密

零件。因此高速加工的淬硬钢零件的加工精度高，表面质量好，

粗糙度可达Ｒａ０．６厌的组词

!

ｍ以上。经过高速铣削的型腔，表面质量能

达到磨削的水平

，效率高出电加工（ＥＤＭ）的（３～６）倍。

高速切削淬硬钢技术虽然是一项高效率、高质量、无污染的

先进加工技术，但由于刀具恶劣的切削条件（工件的高硬度、高

强度

），对切削参数和切削条件的要求比较苛刻，使得这项技术

的发展受到了很大的制约。通过实践并综合国内外大量文献，

对淬硬钢高速切削加工涉及到的刀具及加工工艺的等进行了分

析、讨论，以期促进淬硬钢切削工艺的推广应用。

２淬硬钢高速切削加工的刀具的选择

２．１刀具材料

淬火钢硬度一般在４５ＨＲＣ以上，高速切削时产生的切削热

和对刀具的磨损比普通速度切削时要高得多，因此高速切削对

刀具材料的性能有更高的要求

。要求刀具材料：（１）硬度高、强

度高、耐磨性好；（２）韧度高、抗冲击能力强；（３）热硬性和化学稳

定性好

，抗热冲击能力强。高速加工的刀具材料必须根据工件材

料和加工性质来选择。粗加工时优先考虑刀具材料的韧性，精加

工时优先考虑刀具材料的硬度

。目前，陶瓷、立方氮化硼（ＣＢＮ）、

涂层硬质合金刀具等均可作为高速差的部首 切削淬硬钢的刀具材料。其

中

，陶瓷以化学稳定性好，具有良好的耐磨性，能以比硬质合金

更高的切削速度进行切削加工。然而它的硬度、韧性低于ＣＢＮ，

可用于加工硬度ＨＲＣ＜５０的材料。而ＣＢＮ以其高硬度、极强的

耐磨性、高温化学稳定性及良好的导热性，用于铣削淬硬钢、冷

硬铸铁

、钛合金等材料。如用聚晶方法得到的聚晶立方氮化硼

（ＰＣＢＮ）的刀片硬度达（３５００￣４５００）ＨＶ已成为高速切削淬硬钢

的首选刀具

。涂层硬质合金因涂层不同而具有切削多种材料绞组词 的

能力。目前，刀具的涂层技术是加快高速切削能力的关键技术

之一

。

２．２刀具结构

刀具结构与精度、切削刃的几何参数、排屑与断屑功能、刀

具的动平衡等对高速切削的生产效率

、表面质量、刀具寿命等也

中图分类号：ＴＨ１６，ＴＧ５０６文献表识码：Ａ

ＭａｃｈｉｎｅｒｙＤｅｓｉｇｎ＆Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ

机械设计与制造

第７期

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有很大的影响，必须精心设计或选择。

淬硬钢型腔的粗加工、半精加工和精加工一般采用球头铣

刀，球头铣刀的直径一般从（１￣１２ｍｍ）。最终的精加工应尽可能用

同一把球头铣刀连续完成整个型面的加工，其直径应小于模具型

腔曲面的最小曲率半径

。球头的大圆弧形状可以分散高速加工淬

硬金属时作用在刀刃上的切削力和切削热，并且加工出来的曲面

较接近所需的形状。

球头铣刀使用时应注意其近中心处切削速度极小，接近于

“零”，因此切削条件比较恶劣。因此有可能的话，应该是铣刀轴线

与工件的法线方向由一个倾斜角

。根据试验，当这个夹角为１５

左右时，刀具的寿命将达到极大值。淬硬钢平面的粗、精加工则可

采用带转位刀片的端铣刀。

２．３刀具的夹持系统

刀具的夹持系统是支撑高速切削的重要技术，目前使用最为

广泛的是两面夹紧式刀柄，主要有ＨＳＫ、ＫＭ、Ｂｉｇ－ｐｌｕｓ、ＮＣ５、ＡＨＯ

等系统。应用最多的是ＨＳＫ刀柄，其结构特点是空心、薄壁、短

锥，锥度为１：１０；端面与锥面同时定位、夹紧，刀柄在主轴中的定

位为过定位；使用由内向外的外涨式夹紧机构。

刀具的夹紧方式主要有侧固式、弹性夹紧式、液压夹紧式和

热装式等。侧固式难以保证刀具动平衡，在高速铣削时不宜采用。

热装式刀杆夹头的刀孔与刀柄为过盈配合，装夹时利用感应或热

风加热使刀杆孔膨胀，取出旧刀具，装入新刀具，然后采用风冷使

刀具冷却到室温，利用刀杆孔与刀具外径的过盈配合夹紧，这种

结构刀具的径向跳动在４

!

ｍ，刚性高，动平衡性好，夹紧力大，高

转速下仍能保持高的夹紧可靠性，特别适用于更高转速的高速铣

削加工

。

当主轴转速超过１５０００ｒ／ｍｉｎ时，由于离心力的作用，主轴

锥孔扩张，刀柄与主轴的连接刚度会显著降低，径向跳动精度会

急剧下降，甚至出现颤振。一般来说，刀具以及刀夹的加速度达到

３ｇ以上时，刀具的径向跳动要小于０．０１５ｍｍ，而刀的长度不能大

于４倍的刀具直径。

２．４刀具检测技术

在高速加工过程中，由于主轴转速通常比常规切削高出近一

个数量输入名字自动生成藏头诗 级，因此刀具在巨大离心力作用下很容易发生破碎、解体，

其切削过程的危险性比传统的加工方法大大增加。

刀具监测技术对于高速切削加工的安全性十分重要，其主要

体现在：通过传感器监测切削力以控制刀具磨损；监测刀具破损；

提供测试控制和报警系统等。目前国内外对高速切削刀具监测技

术尚处于发展阶段，未来有很大的研究空间。

２．５刀具的磨损

刀具磨损是高速切削淬硬钢中一个极其重要的问题，影响刀

具磨损的因素多而复杂。有工件材料硬度及组织、刀具材料硬度及

组织

、刀具几何及刃磨状况、切削参数、铣削方式（顺或逆铣，干切或

湿切）、工艺系统振动等。

用钝的刀具必须及时更换。刀具磨损的判断，通常可通过肉眼

来观察

：当刀具用钝时，切削时刀头部位会变红，表明力和温度都已

超载。开始时这种灼红的颜色只出现在刀尖的部位和材料切除量大

的地方，时现青玉案为什么读wan 时无，到磨钝时，可以看到刀头部位持续发红。为便于

看清这种红色，观察时可把机床照明关掉。

３淬硬钢高速切削加工工艺与策略

３．１加工策略

３．１．１粗加工

其目标是追求单位时间内的最大切除量，对表面质量和轮

廓精度的要求不高，重要的是让机床平稳地工作，避免急剧的切

削方向和载荷改变

，所以粗加工一般采用常规切削。

３．１．２半精加工

其目的是把前道工序加工后的残留加工面变得平滑，同时去

除拐角处的多余材料，以在工件加工面上留下一层比较均匀的余

量，为精加工的高速切削作准备。原则上半精加工应沿着粗加工后

的棱状轮廓进行切削

，以便使切入过程稳定，并减小切削力波动对

刀具的不利影响。另一方面，半精加工时刀具的切削应尽量连续，避

免频繁地进退刀。

３．１．３精加工

其目的是按照零件的设计要求达到最好的表面质量和轮廓

精度。精加工时的刀位轨迹紧贴零件表面，贯通轮廓表面的刀位轨

迹要求平稳、圆滑，没有剧烈的方向改变。如果半精加工较好，则精

加工时可用最佳的切削速度

、大的进给量。

高速切削不适于粗加工，只有用于精加工才能发挥其应有的

效率。对于硬质材料高速切削的精加工来说，必须要避免急剧变

化的刀具运动，避免在外形轮廓上进刀和退刀。对于硬质材料高

速铣削的精加工

，建议采用下面的加工顺序：外轮廓加工—凸起规

范几何体加工—自由型面加工—阶梯层面加工—平面加工—凹陷

规范几何体的加工。

３．２加工工艺

常规切削加工工艺的特点是低转速、缓进给、大切深。高速

切削工艺则和常规切削工艺有很大不同，其特点是高转速、快进

给

、小切深。在进六年级语文试卷及答案 行高速切削时，工件材料不同，所选用的切削刀

具、切削参数和切削工艺也会有较大差别。

３．２．１走刀方式

高速切削走刀方式应满足一些基本原则，如应避免刀具轨迹

中走刀方向的突然变化，以免因局部过切而造成刀具或设备的损

坏；走刀速度要平稳，避免突然加速或减速；避免多余空刀；应采

用光滑的转弯走刀。

高速切削的走刀方式主要有平行铣削、环行铣削、摆线式加

工等

。高速切削的加工方式原则上多采用分层环切加工。为了确

保高速加工刀具受力状态的平稳性

，提高刀具的使用寿命，现在

的著名的ＣＡＭ系统大都提供了高速铣削刀具轨迹策略，能根据

加工瞬时余量的大小自动对进给率进行优李白诗集大全981首诗的名 化处理，能自动进行刀

具轨迹编辑优化

、加工残余分析并对待加工轨迹监控。

高速切削中有很多进、退刀方式，如：垂直进退刀、斜线进退

刀

、螺旋进退刀等花的拼音 。直接垂直向下进刀极易出现崩刃现象，不宜

采用。斜线轨迹进刀方式（常用倾斜角为（描写屈原的诗词 ２０～３０））的铣削力

第７期

王宗才等：淬硬钢高速切削加工技术研究＊１２１

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是逐渐加大的，因此对刀具和主轴的冲击比垂直下刀小，可明显

减少下刀崩刃的现象

。螺旋式轨迹进刀方式采用螺旋向下切入，

切入过程较平稳，最适合型腔高速加工的需要。

３．２．２编程策略

ＣＡＤ／ＣＡＭ编程原则是尽可能保持恒定的刀具载荷，把进

结速率变化降到最低

，使程序处理速度最大化。

主要方法有：尽可能减少程序块，提高程序处理速度；在程

序段中可加入一些圆弧过渡段

，尽可能减少速度的急剧变化；粗

加工不是简单的去除材料，要注意保证本工序和后续工序加工

余量均匀

，尽可能减少铣削负荷的变化；多采用分层顺铣方式；

切入和切出尽量采用连续的螺旋和圆弧轨迹进行切向进刀，

以保证恒定的切削条件；充分利用数控系统提供的仿真验证

的功能

。

零件在加工前必须经过仿真，验证：（１）刀位数据的正确性；

（２）刀具各部位是否与零件发生干涉；（３）刀具与夹具附件是否

发生碰撞

，确保产品质量和操作安全。

３．２．３加工用量

高速铣削加工用量的确定主要考虑加工效率、加工表面质

量

、刀具磨损以及加工成本。不同刀具加不同工件材料时，加工用

量会有很大差异，目前尚无完整的加工数据。通常，随着切削速度

的提高

，加工效率提高，刀具磨损加剧，除较高的每齿进给量外，

加工表面粗糙度随切削速度提高而降低。

对于刀具寿命，每齿进给量和轴向切深均存在最佳值，而且

最佳值的范围相对较窄。高速铣削参数一般的选择原则是高的切

削速度

、中等的每齿进给量ｆ

ｚ

、较小的轴向切深ａ

ｐ

和适当大的径

向切深ａ

ｅ

。

一般情况下，淬硬钢在高速切削时的切削深度为（０．１～０．３）

ｍｍ，当然这也需要根据表面粗糙度的要求进行选择，当表面粗糙

度要求高时

，切削深度可以选择小一些，但不能太小。实验表明，

进给量过大和过小都会降低刀具的使用寿命，因此进给量通常为

（０．０５～０．２５）ｍｍ／ｒ。

３．２．４采取措施，减少切削热

过多的切削热会使工件变形，降低加工精度。减少热量的一

个方法是控制每次走刀的间距。对于粗加工，走刀间距Ｓ应等干

铣刀直径的（２５￣４０）％。而对于精加工，走刀间距可根据给定的刀

痕高度进行计算

。走刀间距的大小决定了每条刀刃在每一转里参

与切削的时间长短。

走刀间距大，刀刃在每一转里切削时间多，冷却时间少，使热

量不断积聚，刀具温度升高；反之，小的走刀间距可限制热量的产

生和积聚

。因此，通过调节走刀间距的大小，可以控制热量和刀具

的温度，并进一步提高切削速度而使切削温度仍低于涂层能承受

的最高温度。

另一方面，还可以选择新的涂层，使刀具能承受更高的切削

温度

，从而可承受用更高的切削速度。例如ＴｉＣＮ涂层的最高工

件温度是４００℃（７２０Ｆ），而ＴｉＡｌＮ是８００℃（１４７０Ｆ），由于它耐热

性好

，所以，ＴｉＡＩＮ涂层更适用于高速加工淬硬的模具。

切削速度和进给量也是控制热量的关键因素，厚的切屑带走

的热量多，留给工件的热量较少。如果切屑太薄，刀具在工件上挤

压摩擦会导致工件发热

。此外，大的切削截面可延长刀具寿命，提

高生产效率

。

减少切削热的另一项措施就是采用高效的冷却系统。常规的

冷却液及加注方式很难进入加工区域，反而会加大铣刀刃在切入

切出过程的温度变化

，产生热疲劳，降低刀具寿命和可靠性。现代

刀具材料，如硬质合金、涂层刀具、陶瓷和金属陶瓷、ＣＢＮ等具有

较高的红硬性

，如果不能解决热疲劳问题，可不使用冷却液。

在一些特殊情况下要求湿切削时，可以使切削液通过主轴中

心通孔和刀夹内部孔并对准刀尖喷射

，使刀刃部分布满冷却夜，

从而实现准确高效的冷却。传统的乳化液和油类切削液已不能很

好满足高速加工冷却的要求

，目前正逐渐被微量油雾冷却和氮气

油雾冷却所代出塞的意思全解 替。

微量油雾冷却一方面可以减小刀具－切屑－工件之间的摩

擦，另一方面细小的油雾粒子在接触到刀具表面时快速气化的换

热效果较冷却液热传导的换热效果方式能带走更多的热量

，目前

已成为高速切削首选的冷却介质。氮气油雾冷却介质在钛合金的

高速铣削中取得了很好的效果

。

氮气油雾冷却介质除具有空气油雾的冷却润滑作用外，还具

有抗氧化磨损等作用，在３３ｍ／ｍｉｎ的铣削速度时，相比较空气

油雾冷却，刀具耐用度提高６０％，铣削力可降低２０％￣３０％。

３．２．５高性能的高速机床

高速机床是实现高速加工的前提和基础。符合高速加工要求

的机床应具备的必要条件有

：高的主轴转速（１００００～２００００）ｒ／ｍｉｎ

越来越普及，（１０００００～２０００００）ｒ／ｍｉｎ的高速主轴正在研制开发中、

高速和高加（减）速的切削进给机构进给／快移速度可达（４０～１８０）

ｍ／ｍｉｎ，加速度现多为（１～２）ｇ、高速ＣＮＣ控制系统（加减预差补，前

馈控制，精确矢量补偿，最佳拐角减速等）、高速切削机床的安全

防护与实时监控系统。

４结束语

淬硬钢高速切削加工是多种先进加工技术的集成，对机床

结构

、切削刀柄和刀具、加工工艺、数控编程的要求很高。它具有

传统加工无可比拟的优势，是淬硬钢加工的发展方向。在淬硬钢

高速切削加工中只有选用高性能的数控机床，合适的的刀具，合

理的的加工工艺才能取得满意的效果。

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