高速切削工藝技術(shù)

我國在20世紀(jì)90年代開始重視高速切削技術(shù)的研究，一批高等院校在難加工材料高速切削、先進(jìn)陶瓷刀具、高速切削機(jī)床、直線電機(jī)、高速車銑等技術(shù)領(lǐng)域開展了大量研究。到90年代后期，許多企業(yè)開始引進(jìn)國外高速切削機(jī)床，在生產(chǎn)中進(jìn)行了高速切削技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

1．高速切削關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用

(1) 高速切削的關(guān)鍵技術(shù) 根據(jù)1992年國際生產(chǎn)工程研究會(huì)(CIRP)年會(huì)主題報(bào)告的定義，高速切削指切削速度超過傳統(tǒng)切削速度5-10倍的切削加工。因此，根據(jù)加工材料的不同和加工方式的不同，高速切削的切削速度范圍也不同。高速切削包括高速銑削，高速車削，高速鉆孔，高速車銑等，但絕大部分應(yīng)用是高速銑削。目前，加工鋁合金已達(dá)到 2,000-7,500m/min；鑄鐵為900-5,000m/min；鋼為 600-3,000m/min；耐熱鎳基合金達(dá)500m/min；鈦合金達(dá)150-1,000m/min；纖維增強(qiáng)塑料為 2,000－9,000m/min。

實(shí)現(xiàn)高速切削，必須考慮下列關(guān)鍵技術(shù)： 

高速切削機(jī)床 具有高主軸轉(zhuǎn)速、高動(dòng)態(tài)的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)，大的功率，主軸和床身良好的剛性，優(yōu)良的吸振特性和隔熱性能，快速的CNC控制性能，可靠的安全防護(hù)等等。

高速切削刀具 具有良好的耐磨性和高的強(qiáng)度韌性的先進(jìn)刀具材料，優(yōu)良的刀具涂層技術(shù)，合理的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，高度動(dòng)平衡的刀具系統(tǒng)，安全可靠的夾緊方式，高同心度的刀刃精度質(zhì)量等等。

高速切削工藝 優(yōu)化的高速加工參數(shù)，合適高速切削的加工走刀方式，專門的CAD/CAM編程策略，充分冷卻潤(rùn)滑并具有環(huán)保特性的冷卻方式等等。

由此可見，高速切削是一項(xiàng)綜合技術(shù)，企業(yè)在購置合適的高速切削機(jī)床后，必須根據(jù)產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇合適的切削刀具，采用最佳的切削工藝，以達(dá)到理想的高速加工效果。

（2）高速切削技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域 高速切削的先進(jìn)性表現(xiàn)在其適用領(lǐng)域內(nèi)，可以應(yīng)對(duì)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)效率和成本越來越高的要求；可以滿足越來越高的加工質(zhì)量要求和越來越復(fù)雜的三維曲面形狀精密加工要求；提供了解決硬材料、薄壁件加工問題的新方案。

高速切削的應(yīng)用越來越廣泛，如：飛機(jī)的蜂窩結(jié)構(gòu)件必須采用高速銑削技術(shù)才能保證加工質(zhì)量，梁、框、壁板等零件加工余量特別大，高速銑削可提高生產(chǎn)率，發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片采用高速銑削可解決材料難加工問題，等等；絕大部分模具均適用高速銑削技術(shù)，如鍛模、壓鑄模、注塑與吹塑模等，鍛模腔體較淺，刀具壽命較長(zhǎng)；壓鑄模尺寸適中，生產(chǎn)率較高，注塑與吹塑模一般尺寸較小，比較經(jīng)濟(jì)。加工模具的石墨電極和銅電極也非常適用高速銑削；高速銑削也適用于模具的快速原型制造；電子產(chǎn)品中的薄壁結(jié)構(gòu)加工尤其需要高速加工。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件也是高速銑削的應(yīng)用領(lǐng)域。此外，高速銑削也可用于原型制造。表1按其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)列出了高速銑削的一些應(yīng)用范圍。

                             表1 高速銑削應(yīng)用范圍
2．高速切削刀具
（1）高速切削刀具材料 高速切削刀具材料主要有硬質(zhì)合金、涂層刀具、金屬陶瓷、陶瓷、立方氮化硼（CBN）和金剛石刀具。高速銑削中最常用的刀具材料是硬質(zhì)合金、涂層刀具和金屬陶瓷。硬質(zhì)合金高速銑刀通常采用細(xì)晶粒或超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金（晶粒尺寸0.2-1µm）。涂層刀具在高速銑削中占很大比例，基體以硬質(zhì)合金為主，通常采用多層復(fù)合涂層，如：TiCN+Al2O3+TiN，TiCN+Al2O3，TiCN+Al2O3+HfN，TiN+Al2O3，TiCN，TiB2，TiAlN/TiN和TiAlN等。金屬陶瓷主要有高耐磨性的TiC基金屬陶瓷（TiC+Ni/Mo），高韌性 TiC基金屬陶瓷（TiC+TaC+WC+Co），增強(qiáng)型 TiCN基金屬陶瓷（TiCN+bC），相比硬質(zhì)合金改善了刀具的高溫性能，適合高速加工合金鋼和鑄鐵。高速車削中陶瓷刀具也是良好的刀具材料，Al2O3基陶瓷刀具硬度較高，適合高速車削鋼件；Si3N4基陶瓷刀具強(qiáng)度和韌性較高，適合高速車削鑄鐵；Al2O3＋Si3N4（Sialon）復(fù)合陶瓷刀具有高的強(qiáng)度和韌性，以及抗熱沖擊的能力，適合高速切削鑄鐵和鎳基高溫合金。必須注意的是刀具材料與工件材料副之間有一個(gè)適配性問題，即一種刀具材料加工某種工件材料時(shí)性能良好，但加工另一種工件材料時(shí)卻不理想，換句話說，不存在一種萬能刀具材料可適于所有工件材料的高速加工。這也是高速切削技術(shù)復(fù)雜性的一個(gè)方面。

（2）高速銑削刀具結(jié)構(gòu) 高速銑削刀具分為整體式和機(jī)夾式兩類。小直徑銑刀一般采用整體式，大直徑銑刀采用機(jī)夾式。高轉(zhuǎn)速機(jī)床對(duì)刀具直徑有一定限制，整體式高速銑刀在出廠時(shí)經(jīng)過動(dòng)平衡檢驗(yàn)，比較常用，而機(jī)夾式需要在每次裝夾刀片后進(jìn)行動(dòng)平衡。機(jī)床在轉(zhuǎn)速比較低、能提供較大扭矩時(shí)可采用機(jī)夾式銑刀。

銑刀節(jié)距定義為相鄰兩個(gè)刀齒間的周向距離。短節(jié)距意味著較多的刀齒和中等的容屑空間，允許高的金屬去除率。一般用于鑄鐵銑削和中等負(fù)荷銑削鋼件，通常作為高速銑刀首選。大節(jié)距銑刀齒數(shù)較少，容屑空間大，常用于鋼的粗加工和精加工，以及容易發(fā)生振動(dòng)的場(chǎng)合。超密節(jié)距的容屑空間小，可承受非常高的進(jìn)給速度，適合鑄鐵斷續(xù)表面加工，鑄鐵的粗加工和鋼件的小切深加工。

                               圖1 HSK熱膨脹刀桿

當(dāng)機(jī)床最高轉(zhuǎn)速超過 15,000r/min時(shí)，必須采用HSK高速銑刀刀桿（圖1），或其他類似的短柄刀桿。HSK刀桿為過定位結(jié)構(gòu)，提供與機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)結(jié)，在機(jī)床拉力作用下，保證刀杯短錐和端面與機(jī)床緊密配合。

（3）刀具夾緊方式 刀桿夾緊刀具的方式主要有側(cè)固式、彈性夾緊式、液壓夾緊式和熱裝式等。側(cè)固式難以保證刀具動(dòng)平衡，在高速銑削時(shí)不宜采用。熱裝式刀桿夾頭（圖1）的刀孔與刀柄為過盈配合，須采用專用熱膨脹裝置裝卸刀具，一般使用感應(yīng)加熱或熱空氣加熱刀桿，使刀孔直徑膨脹，裝卸刀具，冷卻后孔徑收縮將刀柄緊緊夾住，加工過程中在溫度梯度的作用下，刀具會(huì)越夾越緊。表2列出了彈性夾緊式、液壓夾緊式和熱裝式刀桿比較，可見熱裝式是最佳的高速銑削刀桿結(jié)構(gòu)形式。

                            表2 三種刀桿夾緊結(jié)構(gòu)比較
（4）刀具動(dòng)平衡 當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過12,000r/min后，必須考慮刀具動(dòng)平衡問題，過大的動(dòng)不平衡引起刀具軸線的偏擺將直接影響加工表面質(zhì)量、刀具壽命和機(jī)床精度。如二齒刀具若達(dá)不到G2.5（動(dòng)平衡標(biāo)準(zhǔn)），由于兩個(gè)刀齒在直徑方向上尺寸的偏離，表面粗糙度將會(huì)隨著轉(zhuǎn)速的提高而增大，在加工表面留下類似于振紋的痕跡，這種振紋的間距剛好等于刀具的每轉(zhuǎn)進(jìn)給量。因此在選擇刀具時(shí)，首先應(yīng)選用經(jīng)過動(dòng)平衡的高質(zhì)量刀桿與刀具，應(yīng)盡量選用短而輕刀具，定期檢查刀具與刀桿的疲勞裂紋和變形征兆。

刀具動(dòng)平衡分機(jī)外動(dòng)平衡和機(jī)上動(dòng)平衡兩種。機(jī)外動(dòng)平衡需專用機(jī)外動(dòng)平衡機(jī)，由動(dòng)力裝置提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，測(cè)量出動(dòng)不平衡的質(zhì)量和相位，再通過調(diào)整平衡環(huán)或在特定位置去掉部分材料，使刀具系統(tǒng)達(dá)到動(dòng)平衡標(biāo)準(zhǔn)的要求。機(jī)上動(dòng)平行機(jī)則用機(jī)床主軸提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其余與機(jī)外動(dòng)平衡機(jī)相同。每種規(guī)格的高速機(jī)床都會(huì)按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定動(dòng)不平衡量，選購整體刀具時(shí)必須要求達(dá)到動(dòng)平衡標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)夾刀具必須經(jīng)過動(dòng)平衡后才能適用。

（5）刀具安全性 高轉(zhuǎn)速情況下會(huì)產(chǎn)生很大的離心力，造成兩種危險(xiǎn)，一是普通彈簧夾頭夾緊力會(huì)下降，二是大直徑刀具可能會(huì)破壞，同時(shí)，飛濺的切屑和崩刃具有很高的動(dòng)能，很可能會(huì)造成人身傷害。因此，工藝系統(tǒng)必須有高標(biāo)準(zhǔn)的防護(hù)措施。根據(jù)試驗(yàn)，不同直徑的刀具對(duì)應(yīng)一個(gè)破壞轉(zhuǎn)速，因此，在一定的轉(zhuǎn)速范圍，使用刀具的最大直徑受到安全性的限制。

3．高速切削加工方式和加工參數(shù)

(1)高速銑削方式 高速切削的加工方式有許
多特點(diǎn)，原則上多采用分層環(huán)切加工，順銑加工刀具壽命較長(zhǎng)，而往復(fù)銑方式刀具壽命最低。直接垂直向下進(jìn)刀極易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，不宜采用。斜線軌跡進(jìn)刀方式是逐漸加大軸向切深運(yùn)動(dòng)到設(shè)定的軸向切深值，銑削力是逐漸加大的，因此對(duì)刀具和主軸的沖擊比垂直下刀小，可明顯減少下刀崩刃的現(xiàn)象。螺旋式軌跡進(jìn)刀方式從工件上面開始，螺旋向下切入。由于采用的連續(xù)加工的方式，可以比較容易的保證加工精度。而且，由于沒有速度突變，可以用較高的速度進(jìn)行加工。螺旋進(jìn)刀最適合型腔高速加工的需要。

(2)高速銑削用量 高速銑削加工用量的確定主要考慮加工效率、加工表面質(zhì)量、刀具磨損以及加工成本。不同刀具加工不同工件材料時(shí)，加工用量會(huì)有很大差異，目前尚無完整的加工數(shù)據(jù)。通常，隨著切削速度的提高，加工效率提高，刀具磨損加劇，除較高的每齒進(jìn)給量外，加工表面粗糙度隨切削速度提高而降低。對(duì)于刀具壽命，每齒進(jìn)給量和軸向切深均存在最佳值，而且最佳值的范圍相對(duì)較窄。高速銑削參數(shù)一般的選擇原則是高的切削速度，中等的每齒進(jìn)給量fz，較小的軸向切深ap，適當(dāng)大的徑向切深ae。如加工48－58HRC淬硬鋼時(shí)，粗加工選v=100m/min， ap=6%-8%D， ae=35%-40%D，fz=0.05-0.1mm/z，半精加工選v=150-200m/min，ap=3%-4%D，ae=20%-40%D，fz=0.05-0.15mm/z，精加工選v=200-250m/min， ap=0.1-1.2mm， ae=0.1-0.2mm，fz=0.02～0.2mm/z。

銑刀實(shí)際參與切削部分的直徑稱有效直徑，銑刀實(shí)際參與切削部分的最大線速度稱有效切削速度。（參見圖3）。采用球頭銑刀加工時(shí)，如果軸向銑削深度小于刀具半徑，則有效直徑將小于銑刀名義直徑，有效速度也將小于名義速度，當(dāng)采用圓弧銑刀淺切深時(shí)也會(huì)出現(xiàn)上述情況。在優(yōu)化加工參數(shù)時(shí)應(yīng)按有效直徑和有效銑削速度選擇：  

                            圖3 銑刀的有效直徑計(jì)算

deff=2(d·ap-ap²)1/2 b=0

deff=d·sin[b±arecos( d-ap )]

d
b≠0

veff= 2pn (d·ap-ap²)1/2

1000
b=0

veff= pnd sin[b±arecos( d-ap )]

1000 d
b≠0

式中 deff——銑刀有效直徑

veff——有效切削速度

d——球頭刀具直徑

ap——刀具軸向切削深度

b——刀具傾角

向前傾b角可延長(zhǎng)刀具壽命，一般傾斜15°可提高有效速度，改善刀刃加工條件。

4．高速切削冷卻潤(rùn)滑技術(shù)


在高速銑削時(shí)由于金屬去除率和切削熱的增加，切削介質(zhì)必須具備將切屑快速?zèng)_離工件、降低切削熱和增加切削界面潤(rùn)滑的能力。常規(guī)的切削液及加注方式很難進(jìn)入加工區(qū)域，反而會(huì)加大銑刀刃在切入切出過程的溫度變化，產(chǎn)生熱疲勞，降低刀具壽命和可靠性。現(xiàn)代刀具材料，如硬質(zhì)合金、涂層刀具、陶瓷和金屬陶瓷、CBN等具有較高的紅硬性，如果不能解決熱疲勞問題，可不使用切削液。

在一些特殊情況下要求濕切削時(shí)，傳統(tǒng)的濕式冷卻如乳化液和油類切削液，必須具備較高的壓力和流速才能達(dá)到高速切削的要求。但是所產(chǎn)生的污染問題等也更嚴(yán)重，同時(shí)也增加了加工成本，目前正逐漸被微量油霧冷卻、水霧冷卻和高壓氣體冷卻等方式所代替。

微量油霧冷卻一方面可以減小“刀具─切屑─工件”之間的摩擦，另一方面細(xì)小的油霧粒子在接觸到刀具表面時(shí)快速氣化的換熱效果較冷卻液熱傳導(dǎo)的換熱效果方式能帶走更多的熱量，目前已成為高速切削首選的冷卻介質(zhì)。

氮?dú)庥挽F冷卻介質(zhì)在鈦合金的高速銑削中取得了很好的效果。氮?dú)庥挽F冷卻介質(zhì)除具有空氣油霧的冷卻潤(rùn)滑作用外，還具有抗氧化磨損等作用，在300m/min的銑削速度時(shí)，相比較空氣油霧冷卻，刀具耐用度提高60%，銑削力可降低20%-30%。

5．高速鐵削數(shù)控編程


高速銑削數(shù)控編程的特殊要點(diǎn)包括： 


盡可能減少程序塊，提高程序處理速度。

盡可能減少速度的急劇變化，可在程序段中可加入一些圓弧過渡段。

盡可能減少銑削負(fù)荷的變化，使加工余量盡量控制均勻。

多采用分層銑削。

原則上均采用順銑方式。

切入和切出盡量采用切向進(jìn)刀。刀具進(jìn)入材料盡可能采用連續(xù)的螺旋和圓弧軌跡進(jìn)行銑削，以保證恒定的切削條件。

粗加工不是簡(jiǎn)單的去除材料，要注意保證本工序和后續(xù)工序加工余量均勻。

充分利用數(shù)控系統(tǒng)提供的仿真驗(yàn)證的功能。零件在加工前必須經(jīng)過仿真，驗(yàn)證 
刀位數(shù)據(jù)的正確性。 
刀具各部位是否與零件發(fā)生干涉。 
刀具與夾具附件是否發(fā)生碰撞，確保產(chǎn)品質(zhì)量和操作安全。


6．結(jié)論


高速切削是一項(xiàng)先進(jìn)的、正在發(fā)展的綜合技術(shù)，在航空航天業(yè)、模具制造業(yè)、汽車制造業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域取得了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。要充分發(fā)揮高速切削技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，除必須具備高速加工機(jī)床外，還必須綜合應(yīng)用高速切削刀具技術(shù)、高速切削工藝技術(shù)，高速切削CAD/CAM技術(shù)以及冷卻潤(rùn)滑技術(shù)。