開發(fā)和改進(jìn)切削刀具材料來大幅度提升切削速度

    切削速度的提高反映了機(jī)械制造整體技術(shù)水平的進(jìn)步，為機(jī)械制造業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。從切削加工的發(fā)展歷史來看，通常是通過開發(fā)和改進(jìn)切削刀具材料來大幅度提升切削速度，從而達(dá)到提高切削效率、降低生產(chǎn)成本的目的。20世紀(jì)80年代以來，歐美刀具制造業(yè)經(jīng)過大量的試驗(yàn)研究，對切削機(jī)理的認(rèn)識有了新的突破，認(rèn)為當(dāng)切削速度的提高超過某個臨界值(因材料而異)后，刀具的磨損并非按照泰勒曲線的規(guī)律急劇增加，而是在以后的某個區(qū)間內(nèi)隨切削速度的提高而有所減少，并在經(jīng)歷一個谷底后再重新上升。雖然對這一現(xiàn)象尚未得到一致的理論解釋，但并不妨礙根據(jù)這一規(guī)律在此谷底附近區(qū)間進(jìn)行高速加工技術(shù)的應(yīng)用。目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的航空、汽車、動力機(jī)械、模具、軸承、機(jī)床等行業(yè)依據(jù)這個理論發(fā)展高速切削，使上述行業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量明顯提高，加工成本大幅度降低，獲得了市場競爭優(yōu)勢。?

    理論分析和實(shí)踐證明，高速切削是一個系統(tǒng)工程。從技術(shù)的層面上看，高速切削涉及高速主軸單元、快速進(jìn)給和高加(減)速度的驅(qū)動系統(tǒng)、高性能的快速CNC控制系統(tǒng)、高剛性的機(jī)床結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的快速處理和傳送、動平衡控制、超硬刀具材料和鍍層工藝技術(shù)等各個方面；從管理的層面上看，高速切削涉及高速加工理念、新的管理方法等。作為系統(tǒng)的一部分，各個環(huán)節(jié)只有互相協(xié)調(diào)，才能發(fā)揮其應(yīng)有的效益。如在加工模具的曲面時，如果其它環(huán)節(jié)都符合高速加工的要求，但其CAM的數(shù)據(jù)處理只使用直線插補(bǔ)而不是圓弧插補(bǔ)或樣條曲線插補(bǔ)來模擬工件表面的曲線，機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)總是處在不停的加減速過程中，就無法達(dá)到預(yù)定的進(jìn)給速度，從而限制了切削效率的提高和生產(chǎn)成本的降低。同樣，如果在高速銑削中選用普通結(jié)構(gòu)的三刃立銑刀，由于其通常采用一齒過中心的結(jié)構(gòu)，動平衡性能先天不足，同樣也不能達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速，不能獲得預(yù)期的加工效率。

    瓦爾特公司是世界領(lǐng)先的金屬加工刀具企業(yè)之一，在與世界各地的制造業(yè)尤其是德國汽車業(yè)的合作中積累了大量的成功經(jīng)驗(yàn)。瓦爾特(無錫)有限公司很早就在中國開始了高速加工的實(shí)踐�？吹礁咚偾邢髡�在中國快速發(fā)展，作為國內(nèi)企業(yè)的系統(tǒng)刀具伙伴，瓦爾特(無錫)非常愿意與中國制造業(yè)共同分享高速切削的技術(shù)成果。?

    在高速切削加工中，首先應(yīng)充分重視刀具安全性問題。銑削是目前高速切削應(yīng)用的主要工藝，銑刀（包括面銑刀、立銑刀和模具銑刀）是主要的高速切削刀具。這類刀具在高速旋轉(zhuǎn)時各部分都要承受很大的離心力，由于其作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過切削力的作用（過大的離心力足以導(dǎo)致刀體破碎），因此成為刀具的主要載荷。德國在20世紀(jì)90年代初就開始了對高速銑刀安全性技術(shù)的研究，并在機(jī)器制造商協(xié)會的支持下，組成了由大學(xué)研究機(jī)構(gòu)、刀具制造廠、研究所和刀具用戶參加的工作組，從事高速銑刀安全性技術(shù)的研究。經(jīng)過近十年的工作，取得了一系列階段性成果，制定了德國國家標(biāo)準(zhǔn)并被采納為歐洲標(biāo)準(zhǔn)，推動了世界范圍內(nèi)高速切削技術(shù)的發(fā)展。在此過程中，瓦爾特公司與工作組一起就高速銑刀的強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行了研究。通過專門用于高速銑刀的有限元計(jì)算方法，分別開發(fā)了刀體、刀座、刀片、夾緊螺釘?shù)挠?jì)算模塊，還可模擬刀片在刀座里的滑動、螺釘頭在擰緊和工作載荷下的變形等。研究計(jì)算顯示，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到某臨界速度時，螺釘達(dá)到臨界應(yīng)力而出現(xiàn)拉伸變形。而在達(dá)到臨界速度之前，螺釘首先產(chǎn)生彎曲，實(shí)際長度變長，夾緊力下降，造成刀片產(chǎn)生位移。

    為了保證切削加工的安全，德國標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定刀具產(chǎn)品應(yīng)在至少超過廠家標(biāo)稱的最高轉(zhuǎn)速60%的情況下才能發(fā)生位移，在至少超過廠家標(biāo)稱的最高轉(zhuǎn)速100%的情況下才能發(fā)生解體或整體刀具的折斷。在實(shí)際應(yīng)用中，瓦爾特公司在2000年的綜合樣本上，列出了幾乎所有的擴(kuò)孔、鏜孔刀具和銑刀在不同直徑下的的最高轉(zhuǎn)速，保證在使用規(guī)定的原產(chǎn)刀片和原產(chǎn)配件的條件下銑削是非常安全的。而在德國達(dá)姆斯塔特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，瓦爾特標(biāo)稱最高轉(zhuǎn)速8000r/min的銑刀在實(shí)際轉(zhuǎn)速高達(dá)36700r/min時才發(fā)生解體，也充分說明了瓦爾特刀具本身具有足夠的安全性。隨著高速加工的應(yīng)用日益廣泛，現(xiàn)在越來越多的歐美刀具廠商在刀具設(shè)計(jì)階段就考慮對高速切削的適應(yīng)性。如瓦爾特的球頭銑刀新產(chǎn)品F2339，其刀片底面有兩個空刀窩，可與刀體上的凸起部分相配合，對作用在夾緊螺釘上的離心力起卸載作用，使其可以采用相對較高的切削速度。高速銑削時，加工鋁合金的面銑刀在直徑較大時其轉(zhuǎn)動慣量也會很大，因此瓦爾特對加工鋁合金的大直徑銑刀采用了高強(qiáng)度鋁合金刀體，極大地降低了轉(zhuǎn)動慣量，增加了刀具的安全性。2003年，瓦爾特還推出了能在尺寸調(diào)節(jié)過程中自動進(jìn)行平衡適應(yīng)的鏜刀。

    高速加工時，除了刀具本身的安全性，刀具夾持系統(tǒng)的安全性和安裝后的整體動平衡性能也必須充分重視。瓦爾特推薦在高速切削中使用HSK空心短錐柄作為刀具與機(jī)床的接口，刀柄與刀具的接口采用液壓式、熱膨脹式，而將標(biāo)準(zhǔn)的圓柱柄(不帶削平結(jié)構(gòu))作為刀具柄部的主要形式。在非常高的轉(zhuǎn)速下，除刀具和夾持系統(tǒng)本身的平衡是必要的前提條件外，刀具安裝后仍需要進(jìn)行整體的平衡。因此，用于加工鋁合金的大尺寸銑刀必須能進(jìn)行平衡調(diào)整。一般說來，高速切削條件下的盤類刀具至少應(yīng)進(jìn)行靜平衡，而桿類刀具則必須進(jìn)行動平衡。由于我國企業(yè)較少在引進(jìn)高速機(jī)床的同時引進(jìn)平衡設(shè)備，因此希望能引起刀具用戶的重視。同時，筆者認(rèn)為國內(nèi)刀具供應(yīng)商也必須加強(qiáng)高速刀具安全性的研究，以促進(jìn)我國高速切削技術(shù)的發(fā)展。?

    由于高轉(zhuǎn)速帶來高的金屬切除率，因此，即使是加工鋁合金也會對機(jī)床的功率提出很高要求。計(jì)算表明，用直徑30mm的3齒玉米銑刀加工寬30mm、深度也為30mm的槽，如采用1100m/min的切削速度和0.1mm/z的進(jìn)給量，功率可能達(dá)到57.6kW。因此，瓦爾特公司推薦用戶采用的高速切削策略是：高的切削速度、中等的進(jìn)給量和小的切削深度。對于大余量加工，建議采用分層切削。?