高速切削在模具加工中的應(yīng)用

“高速切削”一詞在金屬加工行業(yè)中非常流行。不論是機(jī)械制造商、刃具制造商、或從事金屬加工的廠商等都在熱衷探討中。所謂高速切削，廣義來說是以立銑刀作高速旋轉(zhuǎn)，及機(jī)床以速度高的進(jìn)給來進(jìn)行切削或加工，而在不同行業(yè)的領(lǐng)域或應(yīng)用上其定義有所不同。高速切削并不等同代表高生產(chǎn)量或高制造量，但可以肯定的是，這有助于提升生產(chǎn)量及有關(guān)的質(zhì)量。

    在20世紀(jì)30年代航空業(yè)的需求下，非鐵金屬（以鋁合金為主）的零部件加工數(shù)量逐漸增加。約于1931年，一名德國工程師“Carl Salomon”提出“高速切削理論 每 以高切削速度來加工（5-10倍的傳統(tǒng)切削速度；以硬質(zhì)合金刀具為例，以往傳統(tǒng)機(jī)床能抵受的最高切削速度約為600 SFM [180m/min]，而進(jìn)給則約為40IPM [1m/min]），降低切屑從刃口逃出時(shí)的溫度……”，目的是以此提升材料的移除速率，增強(qiáng)生產(chǎn)力以應(yīng)付所需。由于當(dāng)時(shí)的冶金、機(jī)床、控制、刃具等各方面的技術(shù)并不如現(xiàn)今發(fā)達(dá)，所以只能在探研的初級階段。如提升切削速度時(shí)，只能以增加刀具的直徑、增加刀具的切削刃數(shù)以替代高進(jìn)給等，效果當(dāng)然并不理想�，F(xiàn)代的研究仍未能完全證實(shí)理論的實(shí)踐性，但高速切削卻可降低切屑從刃口逃出時(shí)的溫度，鋁及非鐵金屬較鐵質(zhì)合金及生鐵有顯著的效果（圖1）；這可以有助增加刀具的壽命。

    對高硬度金屬來說，放電加工是最有效的加工方法之一，但放電加工所需的時(shí)間很長，且成品的精準(zhǔn)度及表面的光滑情況等的控制并不容易，且表面或局部材料的性質(zhì)將會(huì)被放電時(shí)所產(chǎn)生的高溫（局部可達(dá)8,000℃或以上）所改變。

    隨著機(jī)械制造、電子計(jì)算器、伺服控制系統(tǒng)等技術(shù)的進(jìn)展，高速切削的應(yīng)用得以日趨成熟。除應(yīng)用于非鐵金屬之外，于上世紀(jì)90年代期間更被引進(jìn)到鐵金屬及其它合金金屬的加工方面去，而更盛行于模具制造行業(yè)。直接對模具作出復(fù)雜的三維高速切削可大大縮減加工時(shí)間（對深穴或其它特殊加工除外），且可獲更佳的效果；以高速切削加工石墨電極會(huì)有更佳的回報(bào)。

    高速切削也適合加工復(fù)合零部件，如渦輪增壓機(jī)的葉輪及葉片等。而現(xiàn)時(shí)一般對應(yīng)用于加工鋼材的高速切削基本準(zhǔn)則：被加工材料的硬度為洛氏50℃或以上，表面切削速度在300m/min或以上，可編控的進(jìn)給速度為25m/min或以上。從研究與實(shí)踐來看，以4至6倍傳統(tǒng)的切削速度來加工高硬度的鋼材，已有了不俗的表現(xiàn)，也能平衡各方之間的利益，如用戶，機(jī)床、控制系統(tǒng)等的制造商。

“高速切削”在模具加工方面的優(yōu)越性和效益

1. 經(jīng)有限元分析（圖2）而設(shè)計(jì)制造的機(jī)床比傳統(tǒng)的要纖巧一些，但具較強(qiáng)的剛性，可抵御高速切削時(shí)急速移動(dòng)帶來的動(dòng)態(tài)變化，保持位移的精確度。

2. 加工體積不大于400（長）x 400（寬）x 150（高）的模具為最具經(jīng)濟(jì)效益。

3. 經(jīng)熱處理后，硬度達(dá)洛氏63℃的鋼材，仍可以應(yīng)用高速切削來作出修正。

4. 采用合適高速切削的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件及控制系統(tǒng)，可使高速切削更加流暢和順滑。

5. 使用通過動(dòng)平衡修正的刀具夾頭（HSK類型）及整體性硬質(zhì)合金刀具，這有助降低對主軸及刃具所造成的振動(dòng)，保持工作面應(yīng)有的光潔程度。

6. 采用適當(dāng)?shù)谋壤齺韸A持立銑刀（刃具在刀夾內(nèi)的最少長度為2倍刃具的直徑）可增加其剛性，減少振顫的情況出現(xiàn)；不良的夾套，或不合適的鎖緊將使刃具產(chǎn)生翹起的現(xiàn)象。熱縮性設(shè)計(jì)的刀頭，具有較強(qiáng)的剛性及同心性，故有助增加表面的光潔度。

7. 刃具的工作長度以短為佳，因撓度與長度成正比；在一般加工情況下，刃具外露于夾套的長度在3倍刃具直徑或以下時(shí)，將有較佳的工作效果（敬請考慮實(shí)際加工情況所需及請參考各刃具生產(chǎn)建議的切削指引或參數(shù)）。

8. 銑削不同硬度的材料時(shí)，刃具的涂層也需作出考慮；如涂有TiN 或 TiCN的硬質(zhì)合金刃具較適合銑削洛氏硬度42或以下的合金鋼材，如涂有TiAlN 的硬質(zhì)合金刃具較適合銑削洛氏硬度42以上的合金鋼材，多晶立方氮化硼涂層刀片較適合切削洛氏硬度60~65的硬質(zhì)材料（請參考各刃具生產(chǎn)建議的切削指引或參數(shù)）。

9. 采用快速排屑形刃具（直徑與排屑槽長度的比例應(yīng)在1~1.5），將有效防止切屑在工作表面上堆積，及產(chǎn)生不必要的熱地區(qū)。

10. 以刃具在加工時(shí)，接觸到工件的有效工作直徑（Deff） （圖3）來運(yùn)算主軸的轉(zhuǎn)速，較以刃具的直徑來計(jì)算為佳。計(jì)算出最佳轉(zhuǎn)速后，須考慮切削時(shí)刃口與工件接觸的頻率，是否與自然頻率（2000Hz）產(chǎn)生諧振，使刀具產(chǎn)生不必要的振顫影響工件表面。

11. 采用淺薄式的軸向進(jìn)刀 （ap）（圖3），有助減輕刀刃的負(fù)荷及刃具的變形量，但效率仍能保持；每次ap的進(jìn)刀量，應(yīng)不大于刃具直徑的10%（粗切削：6~8%，中切削：4~6%，精切削：3% 或以下；請參考各刃具生產(chǎn)建議的切削指引或參數(shù)），但也需對被加工材料的硬度及加工所需的精度作出適量的調(diào)整。

12. 徑向進(jìn)給量（ae；節(jié)距 - p）（圖3）影響著工件表面的圓滑情況；ae應(yīng)小于有效切削直徑的35%（粗切削：25~30%，中切削：15~20%，精切削：10%或以下；請參考各刃具生產(chǎn)建議的切削指引或參數(shù)），但也需對被加工材料的硬度及加工所需的精度作出適量的調(diào)整。

13. 進(jìn)給將影響著刃具的壽命及工件表面的光潔度；每刃的進(jìn)給量盡可能在0.2~0.02mm 范圍以內(nèi)，而被切削材料的硬度、刃具的涂層及長度也需考慮（請參考各刃具生產(chǎn)建議的切削指引或參數(shù)）。

14. 采用油霧方式（壓縮空氣混合適量的低黏度切削液)，以替代傳統(tǒng)水劑冷卻液及直接沖走方式；一般來說，冷卻液的黏度較高，并不一定能將切屑帶走，且可能將切屑黏附在刃具上去，阻礙進(jìn)行中的切削。

15. 計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)內(nèi)高速的切削模擬，可有助減少在高速切削時(shí)發(fā)生不必要的錯(cuò)誤。

16. 用戶明白到加工前對主軸作出預(yù)熱的重要性，但卻忘記加工后對主軸作出降溫工序的重要性。雖然一般的高速運(yùn)轉(zhuǎn)主軸已配置冷卻的裝置，以保持或降低主軸在工作時(shí)所產(chǎn)生的溫度（以主軸的內(nèi)部為主）。但經(jīng)長時(shí)間的工作后，主軸外圍部分及周邊的溫度也有顯著的變化；故主軸停止工作后，由于兩者的溫度差異情況增加，這將會(huì)使空氣中的水份在主軸外殼等表面上凝結(jié)，最后銹蝕將會(huì)在無保護(hù)或運(yùn)動(dòng)量較少的部件表面上產(chǎn)生，間接或直接影響到機(jī)床的運(yùn)作。所以建議，在加工完結(jié)后，將主軸移放到一安全位置，以中及低速各空運(yùn)轉(zhuǎn)10來分鐘，以降低溫差的差異程度，從而減少上述情況發(fā)生的可能性。

高速切削對工具機(jī)與資料傳送上的需求（＊次要需求）

1. 高剛性機(jī)座并須具吸納振動(dòng)能力

2. 主軸轉(zhuǎn)速范圍：相約于20,000 rpm（不低于10,000 rpm）

3. 主軸功率：相約22 kW

4.可編程進(jìn)給速度：20~40m/min

5. 快速移動(dòng)：相約40m/min

6. 坐標(biāo)加速或減速能力：約1g

7. 指令句處理時(shí)間：1~20ms

8. 以太網(wǎng)資料傳送速度：250Kbits/s

9. 增量值（線性）：5~2μm

10. 通過NURBS來執(zhí)行圓弧插補(bǔ)

11. 主軸內(nèi)應(yīng)耐高溫及高穩(wěn)定性—主軸軸承有適當(dāng)?shù)念A(yù)壓及冷卻

12. 多元性的差誤補(bǔ)償：溫度上（工作間、機(jī)床部件運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互摩擦），滾珠絲桿等

13. 貫通主軸吹風(fēng)或高壓冷卻液傳送系統(tǒng)*

14. 數(shù)控系統(tǒng)配先進(jìn)的工作預(yù)檢功能*

切削計(jì)算范例：

假設(shè)2刃球形立銑刀直徑 （Dc）= 8mm；半徑 c = 4mm

而軸向進(jìn)刀量（ap）為刃具直徑的8%

ap = 8 x 0.08 = 0.64mm

故球立銑刀的有效工作直徑 Deff = 2 x [42 - (4 - 0.640)2]0.5 ≈4.34mm

假設(shè)被切削材料的切削速度 Vc = 300m/min

故主軸速 N = [Vc x 1000] / [π x Deff]

= [250 x 1000 / 3.1416 x 4.34]

≈18,500rpm

假設(shè)球形立銑刀每刃的進(jìn)給量Fz = 0.05mm；刃數(shù) Z = 2

故機(jī)床的進(jìn)給速度 Vf = N x Fz x Z / 1000

= 18,500 x 0.05 x 2 / 1000

= 1.85m/min

假設(shè) 徑向進(jìn)給量 [ae] 為有效工作直徑的30% ae = 0.3 x 4.34 = 1.3mm

移除量 Vr = Vf x ap x ae

= 185 x 0.064 x 0.1302

= 1.542cc/min [cm3/min]