用微型刀具進行高速切削

    如今，工件的種類在不斷增多，同時工件的尺寸在不斷縮小。制造小型化的趨勢要求制造工藝必須進行相應的變革。這種日益增長的需求要求人們重新思考如何用更小直徑的刀具實現(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)機床的主軸卻很難達到如此高的轉(zhuǎn)速，即使能夠達到，機床主軸在極限狀態(tài)下持續(xù)運轉(zhuǎn)也會使其承受過大的應力。常規(guī)的CNC加工機床采用直徑小于0.5″（12.7mm）的刀具在10000r/min 或以下轉(zhuǎn)速進行加工時，通常會導致進給不合理和代價高昂的刀具損壞。

    傳統(tǒng)的加工方法通常采用較大的刀具以較低的速度進行加工，而一般來說，較大的刀具本身在設計上并不適合完成較復雜的加工。為了用微型刀具進行加工，常規(guī)機床必須低速運轉(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。微型刀具在加工時需要高的主軸轉(zhuǎn)速，而為了實現(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。這種小直徑刀具對于復雜、精細加工必不可少，且采用高速主軸可獲得最佳加工效果。“高速切削”目前尚無確切定義和絕對參數(shù)，但一個可用的參考定義是主軸轉(zhuǎn)速在25000r/min以上即可稱為高速切削。

“三要素”解決方案

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

（1）微型刀具的設計

    簡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現(xiàn)高效進給和達到令人滿意的加工精度。因為隨著刀具直徑的減小和主軸轉(zhuǎn)速的提高，對刀具的要求也在發(fā)生變化。采用機夾刀片的常規(guī)刀具設計并不適合微型刀具的加工要求。這主要是因為提高轉(zhuǎn)速對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。采用微型刀具進行有效的高速切削加工需要對刀具進行專門的優(yōu)化設計。微型刀具正確的幾何參數(shù)加上高速主軸機床和合理的冷卻方式，就能夠完全取消為去除毛刺而進行二次加工。

（2）冷卻方式的優(yōu)化

    用微型刀具進行高速加工時會產(chǎn)生大量切削熱，因此需要采取一些措施來冷卻降溫。雖然高速切削在減少切削熱方面具有某些優(yōu)勢，但僅靠高速切削技術有時還不足以完全解決冷卻問題，因此對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，同時還可以起到潤滑作用，使刀具能夠在工件表面進行快速切削。嘗試用一把冷卻的餐刀切一塊冷黃油是一件相當困難的事，因為餐刀切過黃油表面時缺乏潤滑。但如果將餐刀加熱后，它就能夠融化少許黃油，從而為餐刀提供潤滑，使其很容易地切割黃油。用刀具進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滑劑，這是因為需要使冷卻液能夠到達高速旋轉(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，它對于有色金屬和某些塑性材料加工的冷卻潤滑效果十分理想。但在加工鋼鐵類材料時則需要使用油基冷卻液，即酒精冷卻液的優(yōu)點并不適用于鋼鐵材料的加工，因為硬質(zhì)合金刀具在鋼鐵表面可能會引起瞬間放電，如果暴露于乙醇基冷卻液中則可能產(chǎn)生相當高的動態(tài)電勢。

    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行適當?shù)幕厥仗幚�，會產(chǎn)生附加費用。而酒精使用后就全部蒸發(fā)了，因此無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)點使其成為一種對高速切削加工非常有效的冷卻潤滑劑。由于酒精是一種天然化合物，對環(huán)境無害，無廢棄物，無需清掃，因此也不會產(chǎn)生相關費用。此外，用酒精作為冷卻潤滑劑不會在工件上殘留任何油漬，從而可以避免對工件再進行去油污的二次操作，而這些工序的成本都相當高。

（3）高速切削技術

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

    在切削加工過程中，刀具不斷將切屑切離工件。所產(chǎn)生的切削熱約有40％來源于刀具每一個刀面與切屑的摩擦發(fā)熱，另有約20％來源于切屑的變形（彎曲）發(fā)熱。因此，總共有約60％的切削熱來源于切屑內(nèi)部。高速切削技術嘗試利用切屑帶走大部分熱量，以實現(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。

    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，并可實現(xiàn)對薄壁工件的加工。由于具有這些優(yōu)點，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。

正確選用加工機床

    基于使用微型刀具進行高速切削的加工機床所具有的動力學特性，上述高速切削技術的相關原理是完全可以實現(xiàn)的。此類機床通常重量較輕，因此運動范圍較大，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)控機床重量較大，因此其速度和機動性難以達到輕型機床的水平，但它們能夠采用較大的刀具進行加工。常規(guī)數(shù)控機床有點像SUV（皮卡），雖然動力強勁，但機動性不足或無法在狹小空間停放。而跑車的設計和結(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)控機床就與跑車的特點非常相似。正如你不可能在SUV上安裝一個擾流板和漆上賽車條紋，然后就期望它能像跑車那樣飛馳一樣，你也不可能在笨重的常規(guī)數(shù)控機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。

    在設計一臺機床時，你可以在兩種思路中任選其一。你可以制造一臺功率強大的大型機床，使其能用大型主軸來驅(qū)動大型刀具進行加工。驅(qū)動大型刀具需要強勁的動力，這就意味著必須采用質(zhì)量較重的大電機。另一方面，你也可以制造一臺專門用于微型刀具的輕型機床。為采用微型刀具進行高速切削而設計的機床需要承受的切削力較小，因此設計重點應放在速度和靈敏性上，而不需要采用大電機驅(qū)動。

為了使一架飛機完成飛行，哪一邊的機翼更重要，左翼還是右翼？回答當然是：要使飛機飛起來，兩翼同樣重要，同樣不可或缺。與此類似，為了實現(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環(huán)節(jié)，都不可能實現(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。

加工實例

    下面列舉兩個在Datron機床上用微型刀具進行高速切削的加工實例：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，機床進給率為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，機床進給率為200ipm。

對于高速切削加工，有一些經(jīng)驗值得注意：①應避免在主軸上加裝襯套，因為這樣會增大磨損和破損，大大縮短主軸壽命；②采用具有較小步距和較高進給率的機床；③快速移動刀具，利用切屑帶走熱量。

結(jié)論

    綜上所述，要完美地完成任務，就必須使用正確的工具。一個高爾夫球手既不會使用長打棒在草地上擊球，也不會使用輕擊棒在球座上開球。同樣，在常規(guī)數(shù)控機床上換裝高速主軸，也很難期望它能達到高速切削所要求的高標準。只有專門為微型刀具的高速切削而設計制造的機床才能滿足這種加工的嚴苛要求。

    用微型刀具進行高速切削加工的優(yōu)點包括：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小等。高達60000r/min的主軸轉(zhuǎn)速使加工速度比過去大大加快，同時工件加工質(zhì)量也得到了提高。