用微型刀具進(jìn)行高速切削

    如今，工件的種類(lèi)在不斷增多，同時(shí)工件的尺寸在不斷縮小。制造小型化的趨勢(shì)要求制造工藝必須進(jìn)行相應(yīng)的變革。這種日益增長(zhǎng)的需求要求人們重新思考如何用更小直徑的刀具實(shí)現(xiàn)更高效率的加工。刀具的直徑越小，要求的主軸轉(zhuǎn)速（rpm）越高，而大多數(shù)常規(guī)機(jī)床的主軸卻很難達(dá)到如此高的轉(zhuǎn)速，即使能夠達(dá)到，機(jī)床主軸在極限狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)也會(huì)使其承受過(guò)大的應(yīng)力。常規(guī)的CNC加工機(jī)床采用直徑小于0.5″（12.7mm）的刀具在10000r/min 或以下轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工時(shí)，通常會(huì)導(dǎo)致進(jìn)給不合理和代價(jià)高昂的刀具損壞。

    傳統(tǒng)的加工方法通常采用較大的刀具以較低的速度進(jìn)行加工，而一般來(lái)說(shuō)，較大的刀具本身在設(shè)計(jì)上并不適合完成較復(fù)雜的加工。為了用微型刀具進(jìn)行加工，常規(guī)機(jī)床必須低速運(yùn)轉(zhuǎn)，且微型刀具脆性較大而易于折斷。較大的刀具由于具有較大的質(zhì)量，因此對(duì)切屑的作用力具有一定的回彈作用；反之，較小的刀具因脆性較大而更容易折損。

    排屑不良是刀具損壞的主要原因之一。事實(shí)上，因排屑不良而損壞的微型刀具比采用不合理的切削參數(shù)而損壞的微型刀具更多。為使刀具損壞的可能性降至最小，就必須使切屑從切削區(qū)迅速排出。微型刀具在加工時(shí)需要高的主軸轉(zhuǎn)速，而為了實(shí)現(xiàn)快速排屑所需的主軸轉(zhuǎn)速甚至更高。

刀具尺寸和加工速度的定義：“微型刀具”包括直徑0.250″（6.35mm）以下的銑刀和鉆頭。這種小直徑刀具對(duì)于復(fù)雜、精細(xì)加工必不可少，且采用高速主軸可獲得最佳加工效果。“高速切削”目前尚無(wú)確切定義和絕對(duì)參數(shù)，但一個(gè)可用的參考定義是主軸轉(zhuǎn)速在25000r/min以上即可稱(chēng)為高速切削。

“三要素”解決方案

    提高微型刀具加工效率的三個(gè)相關(guān)要素包括微型刀具的優(yōu)化設(shè)計(jì)、采用低粘度冷卻液和高速切削技術(shù)。

（1）微型刀具的設(shè)計(jì)

    簡(jiǎn)單地將較大直徑刀具的幾何參數(shù)按比例縮小而獲得的微型刀具通常難以實(shí)現(xiàn)高效進(jìn)給和達(dá)到令人滿(mǎn)意的加工精度。因?yàn)殡S著刀具直徑的減小和主軸轉(zhuǎn)速的提高，對(duì)刀具的要求也在發(fā)生變化。采用機(jī)夾刀片的常規(guī)刀具設(shè)計(jì)并不適合微型刀具的加工要求。這主要是因?yàn)樘岣咿D(zhuǎn)速對(duì)刀具的要求并不僅僅局限于刀具直徑的縮小。轉(zhuǎn)速的提高要求刀具具有更好的平衡性和更大的容屑空間，以確保順利排屑和防止產(chǎn)生積屑瘤。采用微型刀具進(jìn)行有效的高速切削加工需要對(duì)刀具進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。微型刀具正確的幾何參數(shù)加上高速主軸機(jī)床和合理的冷卻方式，就能夠完全取消為去除毛刺而進(jìn)行二次加工。

（2）冷卻方式的優(yōu)化

    用微型刀具進(jìn)行高速加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量切削熱，因此需要采取一些措施來(lái)冷卻降溫。雖然高速切削在減少切削熱方面具有某些優(yōu)勢(shì)，但僅靠高速切削技術(shù)有時(shí)還不足以完全解決冷卻問(wèn)題，因此對(duì)于某些加工仍然需要一套有效的冷卻系統(tǒng)。

    冷卻系統(tǒng)能消除切削熱，同時(shí)還可以起到潤(rùn)滑作用，使刀具能夠在工件表面進(jìn)行快速切削。嘗試用一把冷卻的餐刀切一塊冷黃油是一件相當(dāng)困難的事，因?yàn)椴偷肚羞^(guò)黃油表面時(shí)缺乏潤(rùn)滑。但如果將餐刀加熱后，它就能夠融化少許黃油，從而為餐刀提供潤(rùn)滑，使其很容易地切割黃油。用刀具進(jìn)行高速切削也是相同的原理。微型刀具需要使用粘度比水更低的潤(rùn)滑劑，這是因?yàn)樾枰�使冷卻液能夠到達(dá)高速旋轉(zhuǎn)刀具的切削刃處。乳基冷卻液的粘度比水基冷卻液大，因此不適合用作微型刀具高速切削加工的潤(rùn)滑劑。

    加工中使用的微量噴霧冷卻系統(tǒng)可以采用酒精（乙醇）作為冷卻液，它對(duì)于有色金屬和某些塑性材料加工的冷卻潤(rùn)滑效果十分理想。但在加工鋼鐵類(lèi)材料時(shí)則需要使用油基冷卻液，即酒精冷卻液的優(yōu)點(diǎn)并不適用于鋼鐵材料的加工，因?yàn)橛操|(zhì)合金刀具在鋼鐵表面可能會(huì)引起瞬間放電，如果暴露于乙醇基冷卻液中則可能產(chǎn)生相當(dāng)高的動(dòng)態(tài)電勢(shì)。

    常用的噴淋冷卻液通常都是石油基制品，這些冷卻液使用后需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕厥仗幚�，�?huì)產(chǎn)生附加費(fèi)用。而酒精使用后就全部蒸發(fā)了，因此無(wú)需處理或回收再利用。雖然酒精具有易燃性，但它很低的揮發(fā)點(diǎn)使其成為一種對(duì)高速切削加工非常有效的冷卻潤(rùn)滑劑。由于酒精是一種天然化合物，對(duì)環(huán)境無(wú)害，無(wú)廢棄物，無(wú)需清掃，因此也不會(huì)產(chǎn)生相關(guān)費(fèi)用。此外，用酒精作為冷卻潤(rùn)滑劑不會(huì)在工件上殘留任何油漬，從而可以避免對(duì)工件再進(jìn)行去油污的二次操作，而這些工序的成本都相當(dāng)高。

（3）高速切削技術(shù)

    刀具直徑越小，有效切削工件所需的主軸轉(zhuǎn)速就越高。用微型刀具進(jìn)行銑削、鉆削、銑螺紋和雕銑加工時(shí)，采用轉(zhuǎn)速范圍6000～60000r/min的高頻主軸最為理想。高速切削技術(shù)采用了高轉(zhuǎn)速、小步距、大進(jìn)給的加工策略。試想，移動(dòng)你的手通過(guò)燃燒著的蠟燭火苗，如果你的手移動(dòng)緩慢，火苗就有足夠時(shí)間灼傷你的手；而如果你的手快速掠過(guò)，火苗就來(lái)不及灼傷皮膚。用微型刀具進(jìn)行高速切削加工的原理也與此類(lèi)似，當(dāng)?shù)毒呖焖僖苿?dòng)時(shí)，切削熱就來(lái)不及傳入工件中并造成各種問(wèn)題。

    在切削加工過(guò)程中，刀具不斷將切屑切離工件。所產(chǎn)生的切削熱約有40％來(lái)源于刀具每一個(gè)刀面與切屑的摩擦發(fā)熱，另有約20％來(lái)源于切屑的變形（彎曲）發(fā)熱。因此，總共有約60％的切削熱來(lái)源于切屑內(nèi)部。高速切削技術(shù)嘗試?yán)�用切屑帶走大部分熱量，以�?shí)現(xiàn)更為清潔的切削。較高的加工質(zhì)量是基于良好的刀具冷卻、較低的切削力和因此而減小的加工振動(dòng)。

    采用高主軸轉(zhuǎn)速可將切屑載荷（切深）減小到0.005″（0.13mm）以下，如此小的切深能顯著減小刀具與工件材料之間的切削力。高速/小切削力加工產(chǎn)生的熱量較少，可減小刀具偏差，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁工件的加工。由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，采用高速切削可以獲得較好的加工表面質(zhì)量，切削溫度較低，工件易于夾持，加工精度也較高。

正確選用加工機(jī)床

    基于使用微型刀具進(jìn)行高速切削的加工機(jī)床所具有的動(dòng)力學(xué)特性，上述高速切削技術(shù)的相關(guān)原理是完全可以實(shí)現(xiàn)的。此類(lèi)機(jī)床通常重量較輕，因此運(yùn)動(dòng)范圍較大，具有較好的靈敏性、柔性、多功能性以及很高的速度。常規(guī)的數(shù)控機(jī)床重量較大，因此其速度和機(jī)動(dòng)性難以達(dá)到輕型機(jī)床的水平，但它們能夠采用較大的刀具進(jìn)行加工。常規(guī)數(shù)控機(jī)床有點(diǎn)像SUV（皮卡），雖然動(dòng)力強(qiáng)勁，但機(jī)動(dòng)性不足或無(wú)法在狹小空間停放。而跑車(chē)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)使其不但馬力十足，而且具有高水平的可控性和靈敏性。用于微型刀具高速切削的數(shù)控機(jī)床就與跑車(chē)的特點(diǎn)非常相似。正如你不可能在SUV上安裝一個(gè)擾流板和漆上賽車(chē)條紋，然后就期望它能像跑車(chē)那樣飛馳一樣，你也不可能在笨重的常規(guī)數(shù)控機(jī)床上換裝一根高速主軸，就期望它能高效完成使用微型刀具的高速切削加工。

    在設(shè)計(jì)一臺(tái)機(jī)床時(shí)，你可以在兩種思路中任選其一。你可以制造一臺(tái)功率強(qiáng)大的大型機(jī)床，使其能用大型主軸來(lái)驅(qū)動(dòng)大型刀具進(jìn)行加工。驅(qū)動(dòng)大型刀具需要強(qiáng)勁的動(dòng)力，這就意味著必須采用質(zhì)量較重的大電機(jī)。另一方面，你也可以制造一臺(tái)專(zhuān)門(mén)用于微型刀具的輕型機(jī)床。為采用微型刀具進(jìn)行高速切削而設(shè)計(jì)的機(jī)床需要承受的切削力較小，因此設(shè)計(jì)重點(diǎn)應(yīng)放在速度和靈敏性上，而不需要采用大電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

為了使一架飛機(jī)完成飛行，哪一邊的機(jī)翼更重要，左翼還是右翼？回答當(dāng)然是：要使飛機(jī)飛起來(lái)，兩翼同樣重要，同樣不可或缺。與此類(lèi)似，為了實(shí)現(xiàn)微型刀具的高速切削加工，三要素（微型刀具、冷卻方式和高速切削）中的每一要素都同樣重要，缺少了其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)，都不可能實(shí)現(xiàn)高效率、高可靠性和高柔性加工。反之，如果將三要素完美地結(jié)合在一起，就能達(dá)到令人驚喜的加工速度和高水平的加工質(zhì)量。其加工優(yōu)勢(shì)還不止于此，它還能完全取消如去毛刺、去油污等后續(xù)二次操作。

加工實(shí)例

    下面列舉兩個(gè)在Datron機(jī)床上用微型刀具進(jìn)行高速切削的加工實(shí)例：①用直徑1/4″（6.35mm）的單槽銑刀高速銑削厚度為1/8″的6061鋁板，加工轉(zhuǎn)速為45000r/min，采用酒精冷卻，機(jī)床進(jìn)給率為250ipm；②用直徑1/8″（3.175mm）的小螺旋角雙槽高速銑刀（HSC＋）銑削 1/8″厚的6061鋁板，加工轉(zhuǎn)速為50000r/min，采用酒精冷卻，機(jī)床進(jìn)給率為200ipm。

對(duì)于高速切削加工，有一些經(jīng)驗(yàn)值得注意：①應(yīng)避免在主軸上加裝襯套，因?yàn)檫@樣會(huì)增大磨損和破損，大大縮短主軸壽命；②采用具有較小步距和較高進(jìn)給率的機(jī)床；③快速移動(dòng)刀具，利用切屑帶走熱量。

結(jié)論

    綜上所述，要完美地完成任務(wù)，就必須使用正確的工具。一個(gè)高爾夫球手既不會(huì)使用長(zhǎng)打棒在草地上擊球，也不會(huì)使用輕擊棒在球座上開(kāi)球。同樣，在常規(guī)數(shù)控機(jī)床上換裝高速主軸，也很難期望它能達(dá)到高速切削所要求的高標(biāo)準(zhǔn)。只有專(zhuān)門(mén)為微型刀具的高速切削而設(shè)計(jì)制造的機(jī)床才能滿(mǎn)足這種加工的嚴(yán)苛要求。

    用微型刀具進(jìn)行高速切削加工的優(yōu)點(diǎn)包括：切削力小，刀具不易損壞，加工溫度低，表面光潔度好，可取消后續(xù)去毛刺、去油污操作和刀具振動(dòng)小等。高達(dá)60000r/min的主軸轉(zhuǎn)速使加工速度比過(guò)去大大加快，同時(shí)工件加工質(zhì)量也得到了提高。