高速切削刀具

                         瓦爾特(無錫)有限公司 楊曉

    高速切削的研究歷史，可以追溯到二十世紀(jì)30年代由德國Carl Salomon博士首次提出的有關(guān)高速切削的概念。Salomon博士的研究突破了傳統(tǒng)切削理論對切削熱的認(rèn)識，認(rèn)為切削熱只是在傳統(tǒng)切削速度范圍內(nèi)是與切削速度成單調(diào)增函數(shù)關(guān)系。而當(dāng)切削速度突破一定限度以后，切削溫度不再隨切削速度的增加而增加，反而會隨切削速度的增加而降低，即與切削速度在較高速度的范圍內(nèi)成單調(diào)減函數(shù)。Salomon博士的研究因第二次世界大戰(zhàn)而中斷。50年代后期開始，高速切削的試驗(yàn)又開始進(jìn)入各種試驗(yàn)研究，高速切削的機(jī)理開始被科學(xué)家們所認(rèn)識。1979年開始由德國政府研究技術(shù)部資助、德國Darmstadt大學(xué)PTW研究所牽頭、由大學(xué)研究機(jī)構(gòu)、機(jī)床制造商、刀具制造商、用戶等多方面共同組成的研究團(tuán)隊(duì)對高速銑削展開了系統(tǒng)的研究。除了高速切削機(jī)理外，研究團(tuán)隊(duì)同步研究解決高速銑削中機(jī)床、刀具、工藝參數(shù)等多方面的應(yīng)用解決方案，使高速銑削在加工機(jī)理尚未得到完全共識的情況下首先在鋁合金加工和硬材料加工等領(lǐng)域得到應(yīng)用，解決模具、汽車、航空等領(lǐng)域的加工需求，從而取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 

    從目前的試驗(yàn)看，隨著切削速度的逐步提高，切削時的變形規(guī)律發(fā)生一些改變。切屑中的剪切變形逐漸加劇，剪切區(qū)的滑移逐漸加強(qiáng)，即使是塑性材料的切屑形態(tài)，也會組建逐漸從帶狀切屑轉(zhuǎn)變?yōu)殇忼X狀切屑，進(jìn)而有可能進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧獱钋行�。下圖是鎳基高溫合金在不同的切削速度下切屑的形態(tài)。 
    
    v=106m/min v=125m/min v=160m/min v=200m/min 
    由于在高速切削的條件下切屑會由帶狀切屑轉(zhuǎn)變?yōu)閱卧�切屑，切屑與前刀面的摩擦將不再是切削力和切削熱的主要來源之一；同樣由于切削速度的提高，后刀面處工件材料的彈性變形也將由于變形速度逐漸跟不上切削速度而減少，后刀面的摩擦也因此而減少，從而對降低切削力和切削熱產(chǎn)生有利的影響。因此在高速切削時，主要的切削熱將由切屑導(dǎo)出，而工件和刀具的溫升都非常小，高速切削也被成為“冷態(tài)切削”。 

    德國高速切削研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，高速切削的速度范圍應(yīng)該是傳統(tǒng)切削速度的5-10倍。而實(shí)現(xiàn)高速切削可能涉及機(jī)床、刀具、工件、工藝參數(shù)等諸多方面的問題。本文將就高速切削的刀具及其它有關(guān)因素與刀具相關(guān)的若干方面介紹一些自己的看法。 

    一、刀具與機(jī)床的接口 

    在傳統(tǒng)的鏜銑加工中，我們通常使用的是各種7:24的刀具接口。這些接口的主軸端面與刀具存在間隙，在主軸高速旋轉(zhuǎn)和切削力的作用下，主軸的大端孔徑膨脹，造成刀具軸向和徑向定位精度下降。同時錐柄的軸向尺寸和重量都較大，不利于快速換刀和機(jī)床的小型化。 

    而高速加工我們通常會推薦一種新的被稱為HSK的接口標(biāo)準(zhǔn)。HSK由德國阿亨大學(xué)機(jī)床研究所專門為高轉(zhuǎn)速機(jī)床開發(fā)的新型刀-機(jī)接口，并形成了用于自動換刀和手動換刀、中心冷卻和端面冷卻、普通型和緊湊型等6種形式。HSK是一種小錐度(1:10)的空心短錐柄，使用時端面和錐面同時接觸，從而形成高的接觸剛性。經(jīng)分析研究，盡管HSK連接在高速旋轉(zhuǎn)時主軸也同樣會擴(kuò)張，但仍然能夠保持良好的接觸，轉(zhuǎn)速對接口的連接剛性影響不大。 

    二、刀具的平衡 

    物理學(xué)的原理表明，旋轉(zhuǎn)中的質(zhì)點(diǎn)的離心力與質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量、質(zhì)點(diǎn)與旋轉(zhuǎn)軸的距離以及旋轉(zhuǎn)的角速度(或者轉(zhuǎn)速)的二次方成正比。也就是說，如果轉(zhuǎn)速增加1倍，離心力將增大到原來的四倍。這就意味著在高的旋轉(zhuǎn)速度下，刀具的加工精度和壽命都可能受到離心力的嚴(yán)重影響。 

    某精密鏜刀制造商提供了如下圖的數(shù)據(jù)，說明了這一問題。他們選擇兩把鏜刀進(jìn)行試驗(yàn)，其中只有一把精鏜刀預(yù)先進(jìn)行過動平衡。這兩把鏜刀在5000r/min時所加工孔的的圓度沒有什么差別，都是1.1µm，這些誤差我認(rèn)為主要由于機(jī)床工具系統(tǒng)的精度造成；而當(dāng)轉(zhuǎn)速提高1倍到10000r/min時，情況就明顯不同了。經(jīng)過平衡的鏜刀所加工出的孔的圓度比5000r/min時略有增加，為1.25µm，而未經(jīng)平衡的鏜刀所加工出的孔的圓度比5000r/min時增加很多，達(dá)到6.30µm，是經(jīng)過平衡調(diào)整的鏜刀的5倍多。

    因此，對于在高速旋轉(zhuǎn)下使用的刀具必須進(jìn)行平衡。 

    按照平衡理論，回轉(zhuǎn)體的不平衡可以分為3種： 

    靜不平衡： 
    靜不平衡是只有一個不平衡質(zhì)量且該不平衡質(zhì)量位于兩個支承的正中間，因此其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個支承上反力的大小和方向均相等。在切削加工中的短懸伸刀具(如盤類刀具)可近似地認(rèn)為只是靜不平衡。 

    偶不平衡： 
    有兩個不平衡質(zhì)量，分布在對稱于支承中點(diǎn)的180°位置，因此其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個支承上反力的大小相等方向卻相反，形成的是一個力偶。 

    動不平衡： 
    有兩個或兩個以上的不平衡質(zhì)量，分布不符合以上的規(guī)律，其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個支承上反力的大小和方向都不一樣�？梢赃@樣認(rèn)為，動不平衡是靜不平衡和偶不平衡的疊加，桿類刀具大部分都是此類不平衡。 

    有兩個或兩個以上的不平衡質(zhì)量，分布不符合以上的規(guī)律，其在旋轉(zhuǎn)中的離心力在兩個支承上反力的大小和方向都不一樣�？梢赃@樣認(rèn)為，動不平衡是靜不平衡和偶不平衡的疊加，桿類刀具大部分都是此類不平衡。 

    不平衡的消除有加重、去重和調(diào)整三類方法，刀具的出廠預(yù)平衡多采用鉆孔去重的方法。即在經(jīng)平衡機(jī)測量并計(jì)算得到的位置鉆一個指定大小和深度的孔，以使刀具在該位置截面上得到靜平衡，或者在兩個位置上各鉆一個孔以實(shí)現(xiàn)動平衡�？赊D(zhuǎn)位刀具由于更換刀片和配件后會產(chǎn)生新的微量不平衡，整體刀具在裝入刀柄后也會在整體上形成某種微量不平衡，我們經(jīng)常會使用調(diào)整法來去除不平衡量以達(dá)到平衡目的。調(diào)整法主要有三種方式： 

    平衡調(diào)整環(huán)：高速加工中安裝整體刀具使用的刀柄主要采用這種方式，通常在刀柄上具有兩個平衡調(diào)整環(huán)。通過分別旋轉(zhuǎn)平衡調(diào)整環(huán)，可以產(chǎn)生一個合力和一個平衡力矩，從而實(shí)現(xiàn)動平衡。 

    平衡調(diào)整螺釘：盤類刀具可以采用這種方式。這種方法通常通過在一個(或兩個)截面內(nèi)對兩個螺釘進(jìn)行徑向移動來改變該截面內(nèi)的質(zhì)心位置，從而達(dá)到平衡調(diào)整的目的。 

    平衡調(diào)整塊：大尺寸的單刃刀具(如單刃鏜刀)通常會設(shè)置一個平衡調(diào)整塊。該調(diào)整塊與單刃刀頭處于同一截面，徑向可以移動。通過該調(diào)整塊的移動來達(dá)到平衡。 

    減少刀具不平衡的方法，除了上述平衡方法以外，減少刀具的重量也是一個有效的方法。瓦爾特用于鋁合金高速切削的刀具。該刀具的刀體用高強(qiáng)度的鋁合金制造。由于鋁的密度僅為鋼的34.6%，同樣制造精度下的離心力也就大大減少了。以直徑200mm的銑刀為例，相對于相同直徑鋼刀體銑刀，刀具的重量由9.8kg減少到3.7kg，允許使用的最高轉(zhuǎn)速也從4200r/min提高到13200r/min。 
 
    帶平衡調(diào)整螺釘?shù)匿X合金刀體銑刀
    對于在高速切削條件下使用的刀具，盤類刀具由于軸向尺寸相對較小，一般可以只進(jìn)行靜平衡；而桿類刀具的懸伸較長，其質(zhì)量軸線與旋轉(zhuǎn)軸線之間可能存在的夾角就不能被忽略，因此必須進(jìn)行動平衡。必須明確的是，只有在兩個或兩個以上截面中進(jìn)行的平衡調(diào)整才可能是動平衡，而在一個截面內(nèi)進(jìn)行的平衡都應(yīng)是靜平衡。  
     
    就一般規(guī)律而言，中心對稱的結(jié)構(gòu)的更適合高速加工。不對稱的三齒結(jié)構(gòu)，三齒中僅一齒過中心，該刀具一般不合適作為高速切削刀具；中心對稱的二齒結(jié)構(gòu)，其兩個刀齒均過中心，就比較合適高速切削。同樣，帶削平的圓柱刀柄由于削平去除了刀具一側(cè)的部分材料，也造成了刀具的不平衡，對于高速切削也是不利的。加上其通常使用螺釘從側(cè)面壓緊，使刀柄上安裝孔與刀具柄部的間隙在夾緊過程中變?yōu)椴粚ΨQ間隙，安裝后的不平衡可能被加劇，更不合適用于高速切削。因此我們在高速切削的刀具選擇過程中要充分考慮其結(jié)構(gòu)的影響，避免刀具結(jié)構(gòu)在原理上就不平衡。因?yàn)橥ǔＭㄟ^調(diào)整所能去除的不平衡量相當(dāng)有限，而原理上的不平衡往往遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出刀柄調(diào)整所能消除的不平衡的范圍。 
    我們認(rèn)為刀具供應(yīng)者應(yīng)對自己提供的刀具能否用于高速切削作出明示�，F(xiàn)在，許多歐美刀具商已經(jīng)在其樣本等宣傳資料上標(biāo)明了表示適用于高速切削的符號“HSC”或適用于高速加工的符號“HSM”，因此，一般沒有標(biāo)注這類符號的就表示不適合高速切削。 

   三、安全性 

    由于高速切削通常會需要較高的轉(zhuǎn)速，由此使刀具在巨大離心力作用下發(fā)生破碎、解體的可能性大大增加。左圖的一組照片說明了這種問題不但存在，而且具有不小的危險(xiǎn)。 
  
    刀片飛脫的可轉(zhuǎn)位銑刀機(jī)床的防彈玻璃被擊碎 
    刀片飛脫的可轉(zhuǎn)位銑刀是國內(nèi)某知名廠商生產(chǎn)的直徑100mm的面銑刀。山東大學(xué)在使用該銑刀安裝單刀片進(jìn)行切削試驗(yàn)時，在轉(zhuǎn)速增加到5000r/min時，僅有的一個刀片在離心力超過鍥塊摩擦力的情況下飛離了刀體，擊打在機(jī)床的防護(hù)鋼板上。而蘇州的一個用戶則比較不幸，他們的刀具破碎后碎片擊中了機(jī)床的防彈玻璃，結(jié)果是玻璃被完全擊碎。 

    那么，高速加工的刀具為什么會有如此大的破壞能力呢？我們作了如下的簡要分析。如果一個直徑40mm的可轉(zhuǎn)位銑刀以40000r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工，其線速度為5024m/min，即83.7m/s，以刀片重量0.015kg計(jì)算，其動量為1.26 kg·m/s。這一結(jié)果與一著名的微聲手槍子彈的出膛動量相當(dāng)(該手槍子彈彈頭重量約0.005kg，出膛初速度為230m/s，因此動量為1.20 kg·m/s)。 

    刀片式銑刀的結(jié)構(gòu)與安全性有很大關(guān)系。山東大學(xué)在使用的刀片飛出的銑刀，是國內(nèi)普遍采用的鍥塊時夾緊方式。這種夾緊方式完全依靠摩擦力來抵御離心力，刀片比較容易飛出，而采用螺釘夾緊方式的刀具則需要剪斷螺釘才會導(dǎo)致刀片飛出，安全性大大提高。研究表明，用螺釘夾緊的銑刀隨著轉(zhuǎn)速的逐漸提高，螺釘會在離心力的作用下被拉長，刀體也會發(fā)生輕微的膨脹。大約在30000~35000r/min時已達(dá)臨界應(yīng)力而出現(xiàn)永久性的拉伸變形，而在在達(dá)到臨界速度之前，螺釘已經(jīng)出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，造成夾緊力下降，刀片也隨之發(fā)生位移。 

    因此，我們必須充分注意高速加工刀具的安全性問題，杜絕在高速切削時發(fā)生安全事故。德國高速切削的工作組就此提出的高速加工刀具安全性技術(shù)規(guī)范早已被建議成為德國標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。該規(guī)范規(guī)定：對于刀片式的刀具，生產(chǎn)商必須保證在1.6倍于最大使用轉(zhuǎn)速(np＝1.6nmax)下試驗(yàn)，刀具的永久變形或零件的位移不超過0.05mm，而在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速(np=2nmax)下試驗(yàn)，刀具不發(fā)生爆碎；對于整體式刀具，則應(yīng)在np=2nmax條件下試驗(yàn)而不發(fā)生彎曲或斷裂。同時要求刀具生產(chǎn)商必須對可用于高速切削的刀具明示其最大使用轉(zhuǎn)速。在此條件下使用刀具的安全性將得到充分的安全保證。當(dāng)然，對于非高速切削刀具(即在左圖的綠色部分)，則不需要作如此要求。因此我們在選用高速切削刀具時應(yīng)嚴(yán)格按照生產(chǎn)商提供的核定最高轉(zhuǎn)速規(guī)定。但由于國內(nèi)尚無高速切削刀具的安全性標(biāo)準(zhǔn)，我們在選用時需要更加慎重。
   

     對于高速切削的刀具，我們應(yīng)采取一定措施來保證其安全性。比如，瓦爾特要求對高速切削的刀片式刀具，使用原廠刀片鎖緊螺釘以保證安全性；刀片安裝時保證規(guī)定扭矩；同時在刀片更換5次后，使用新的刀片鎖緊螺釘以防止螺釘因疲勞著成造成夾緊力下降，影響刀具的安全使用。 
 
    帶離心力卸載的銑刀示意
    同樣，刀具生產(chǎn)商也應(yīng)該采取措施來加強(qiáng)刀具在高速加工中的安全性。國外一些著名的刀具生產(chǎn)商近年來在刀片式刀具的開發(fā)中紛紛采用了技術(shù)措施來加強(qiáng)刀具的安全性，刀片與刀體間增加離心力卸載結(jié)構(gòu)就是其中之一。左圖的刀體上有一個突起，刀片的相應(yīng)位置上則有一個凹坑，刀片的離心力可由刀片與刀體間的摩擦力、螺釘?shù)闹С辛�和離心力卸載結(jié)構(gòu)的支承力共同承擔(dān)，這樣抵御刀片飛出的能力得到了加強(qiáng)。 

   四、高速切削刀具的材料 

    雖然我們總是希望得到既有高的硬度以保證刀具的耐磨性，又有高的韌性來防止刀具的碎裂，但目前的技術(shù)發(fā)展還沒有找到如此優(yōu)越性能的刀具材料，魚于熊掌無法兼得。因此，我們會在實(shí)際中按照需要選用更合適的刀具材料： 

    粗加工時優(yōu)先考慮刀具材料的韌性； 
    精加工時優(yōu)先考慮刀具材料的硬度。 

    金剛石、立方氮化硼和陶瓷的技術(shù)由來已久，他們共同的特點(diǎn)是硬度高，脆性大，不能承受較大的沖擊。 
 
    刀具材料性能示意
    而近年來鍍層技術(shù)的發(fā)展，使細(xì)顆粒硬質(zhì)合金在保持其較高韌性的同時，提高了其抗高溫和抗沖擊載荷的能力，為高速切削應(yīng)用更經(jīng)濟(jì)的刀具提供了技術(shù)保證。 

    如瓦爾特公司創(chuàng)建的Tiger·Tec技術(shù)(中文我們稱之為“老虎刀片”)，采用了特殊的鍍層技術(shù)使刀片的前后刀面分別呈現(xiàn)黑色和金色兩種顏色，又通過改善前刀面表面氧化鋁鍍層和基礎(chǔ)鍍層之間的連接結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了鍍層的強(qiáng)度，使氧化鋁膜層的厚度得到了增強(qiáng)，刀片的抗高溫性能大大提高。由于高速切削時切屑狀態(tài)的單元化，老虎刀片從主要適合加工鑄鐵加工，擴(kuò)展為不僅適合鑄鐵加工，也同樣適合鋼件的加工。 

    瓦爾特在1999年的歐洲機(jī)床展覽會上推出的Quar·Tec系列產(chǎn)品中有一個被命名為WQM35的刀片材質(zhì)，該材質(zhì)使用了一個具有100層的鍍層技術(shù)。這100層的鍍層總厚度為6-8µm，單層的厚度大部分為20~50nm。由于鍍層在高速切削，尤其是高速銑削下，在雖然數(shù)值不大但交變頻率非常高的切削力和切削熱的沖擊下，極易將微小的缺口擴(kuò)張形成裂紋，從而降低膜層與膜層、膜層與基體之間的結(jié)合力。因此，我們建議在粗加工時選擇鍍層的硬質(zhì)合金(尤其是細(xì)顆粒硬質(zhì)合金)，精加工是選擇金剛石或立方氮化硼。 
 
    100鍍層的WAP35
    五、高速加工策略 

    高速加工可能導(dǎo)致高的金屬切除率，因此在粗加工時必須檢查其所需的扭距和功率是否超過了機(jī)床所能提供的扭距和功率。尤其在加工鋁件時，由于其加工速度極高，其所需可能導(dǎo)致超出我們想象的的值。以32mm直徑的玉米銑刀為例，如果以約1000m/min的線速度(相應(yīng)的轉(zhuǎn)速大約為10000r/min)進(jìn)行銑槽，當(dāng)切深為10mm時，其功率消耗大約是19kW，而當(dāng)切深增加到30mm的話，功率消耗將增加到大約56kW。因此，我們的建議是： 

    在高速加工中盡可能增加切削時間在整個工作時間中的比例，減少非加工時間(如換刀、調(diào)整、空行程等)； 
    面銑和立銑加工：采用用小或中等尺寸的刀具和分層切削的加工策略； 
    在槽銑加工時，采用分層切削,小的切深, 中等進(jìn)給。由于切削速度高，同樣可以得到高的進(jìn)給速度。 

    還有一些具體的加工注意事項(xiàng)： 

    球頭銑刀使用時應(yīng)注意其近中心處切削速度極小，接近于“零”，因此切削條件比較惡劣。因此有可能的話，應(yīng)該是銑刀軸線與工件的法線方向由一個傾斜角。根據(jù)試驗(yàn)，當(dāng)這個夾角為15°左右時，刀具的壽命將達(dá)到極大值。 

   刀具的懸伸對高速加工中的刀具壽命將產(chǎn)生一些影響。就有限的試驗(yàn)的結(jié)果看，當(dāng)6mm的立銑刀懸伸從30mm增加到60mm時，刀具壽命可望增加到原來的140%到230%。 

    在仿形加工中，沿橫截面輪廓的銑削方式(又稱為等高銑)優(yōu)于沿縱截面輪廓的銑削方式(又稱爬坡銑)。因?yàn)榈雀咩姷那邢鳁l件比較一致，切削平穩(wěn)，工件表面的粗糙度情況也比較好，而爬坡銑的切削條件極不穩(wěn)定，刀具接近中心處極易發(fā)生崩刃，工件表面的粗糙度情況也不理想。而在采用爬坡銑的情況下，實(shí)驗(yàn)表明，順銑的刀具壽命優(yōu)于逆銑，向上銑的刀具壽命要優(yōu)于向下銑。 
 
    銑削內(nèi)部型腔時切削力的變化
    在銑削內(nèi)部型腔時，當(dāng)?shù)毒哌M(jìn)給到拐角處時，由于切削包角突然增大，其徑向力會急劇增大，峰值會達(dá)到正常切削值的170%左右。因此，我們建議在拐角處實(shí)施所謂的“擺線切削”，這樣就可以避免切削力的突然增大，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切削，延長刀具的壽命。 

    在冷卻方面，我們應(yīng)該加以特別注意。油霧冷卻(又稱準(zhǔn)干切削)是比較理想的，噴氣冷卻、高壓大流量內(nèi)部冷卻也可以接受，但應(yīng)避免低壓的、外部的冷卻方式。