高速切削的主要問題及解決方法

術(shù)語高速切削(HSM)一般是指在高轉(zhuǎn)速和高表面進(jìn)給下的立銑。例如，以很高的金屬去除率對(duì)鋁合金飛機(jī)翼架的凹處進(jìn)行切削。在過去的60年中，高速切削已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬與非金屬材料，包括有特定表面形狀要求的零件生產(chǎn)和硬度高于或等于50 HRC的材料切削。對(duì)于大部分淬火到約為32-42 HRC的鋼零件，當(dāng)前的切削選項(xiàng)包括：

　　在軟(退火)工況下材料的粗加工和半精加工切削

　　達(dá)到最終硬度= 63 HRC要求的熱處理

　　模具的某些零件的電極加工和放電加工(EDM)(特別是金切削刀具難于接近的小半徑深凹穴)

　　用適合的硬質(zhì)合金、金屬陶瓷、整體硬質(zhì)合金、混合的陶瓷或多晶立方氮化硼(PCBN)刀具進(jìn)行的圓柱/平/凹穴表面的精加工和超精加工

　　對(duì)于許多零件，生產(chǎn)過程牽涉到這些選項(xiàng)的組合，在模具制造案例中，它還包括費(fèi)時(shí)的精加工。結(jié)果導(dǎo)致生產(chǎn)成本高和準(zhǔn)備時(shí)間長。

　　在模具制造業(yè)中典型的是僅生產(chǎn)一個(gè)或幾個(gè)同一產(chǎn)品。生產(chǎn)過程中產(chǎn)品不斷改變，由于產(chǎn)品改變，需要進(jìn)行測量與反向設(shè)計(jì)。

　　主要標(biāo)準(zhǔn)是模具的尺寸和表面粗糙度方面的質(zhì)量水平。如果加工后的質(zhì)量水平低，不能滿足要求，就需手工精加工。手工精加工可產(chǎn)生令人滿意的表面粗糙度，但是對(duì)尺寸和槽形的精度總是產(chǎn)生不好的影響。

　　這種模具制造業(yè)的主要難題之一已獲解決，但現(xiàn)在仍然需要減少或免除手動(dòng)拋光，從而提高質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和縮短準(zhǔn)備時(shí)間。

高速切削發(fā)展的主要經(jīng)濟(jì)和技術(shù)因素

　　生存市場上日益激烈的競爭導(dǎo)致不斷設(shè)置新的標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)時(shí)間和成本效率的要求越來越高。這就迫使新工藝和生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展。高速切削提供了希望和解決方案……

　　材料新的更難加工的材料已經(jīng)強(qiáng)調(diào)了發(fā)現(xiàn)新的切削解決方案的必要性。航空航天業(yè)的心臟是用耐熱合金鋼和不銹鋼制造的。汽車工業(yè)使用了不同的雙金屬材料、小石墨鑄鐵(Compact Graphite Iron)，并增加了鋁的用量。模具制造業(yè)必須面對(duì)切削高硬度的淬火鋼的問題，從粗加工到精加工。

　　質(zhì)量對(duì)質(zhì)量的高要求是空前激烈的競爭所導(dǎo)致的結(jié)果。

　　高速切削如果使用得正確，可以在這個(gè)領(lǐng)域提供一些解決方案。替代手工精加工是一個(gè)例子，這對(duì)有復(fù)雜3D槽形的模具尤為重要。

　　工藝對(duì)加工時(shí)間更短的要求-只需很少幾次裝卡和簡化的物流(后勤)的要求在大部分情況下可由高速切削解決。模具制造業(yè)內(nèi)的一個(gè)典型要求是在一次裝卡中完成所有完全淬火小零件的切削。使用高速切削，可以減少和免除費(fèi)時(shí)費(fèi)錢的EDM(放電加工)加工。

　　設(shè)計(jì)與發(fā)展今日競爭中的主要方法之一是銷售新奇的產(chǎn)品�，F(xiàn)在小汽車的平均生命周期是4年，計(jì)算機(jī)和配件1年半，手機(jī)3個(gè)月……這種快速的改變式樣和快速的開發(fā)產(chǎn)品的發(fā)展的先決條件是高速切削技術(shù)。

　　復(fù)雜產(chǎn)品零件多功能表面增加了，例如新設(shè)計(jì)的渦輪機(jī)葉片有新的和優(yōu)化的特性與功能。早期的設(shè)計(jì)允許用手工或機(jī)器人(機(jī)械手)來拋光。有新的、復(fù)雜的形狀的渦輪機(jī)葉片必須通過切屑來拋光，最好是用高速切削拋光。有越來越多的薄壁工件必須用切削進(jìn)行精加工的例子(醫(yī)療設(shè)備、電子、國防產(chǎn)品、計(jì)算機(jī)零件)。

產(chǎn)品設(shè)備切削材料、刀柄、機(jī)床、控制件，特別是CAD/CAM特性與設(shè)備的巨大發(fā)展就可能滿足一些要求，這些要求是新的生產(chǎn)方法和技術(shù)提出的，是必須滿足的。

高速切削的原始定義

　　1931年，德國一個(gè)專利中的Salomons理論講到：“以某一高切削速度(比常規(guī)切削高5-10倍)進(jìn)行切削，在切削刃上去除切屑的溫度開始降低……"

　　由以上得出結(jié)論：“似乎有用常規(guī)刀具以高切屑速度提高生產(chǎn)率的機(jī)會(huì)。”

　　不幸的是，現(xiàn)代研究已經(jīng)能全面驗(yàn)證這個(gè)理論。對(duì)于不同的材料，從某一切削速度開始切削刃上的溫度有相對(duì)降低。對(duì)于鋼和鑄鐵來說，這種溫度相對(duì)降低不大。但是，但是對(duì)鋁和其它非金屬則是大的。高速切削的定義必須依據(jù)其它因素。

　　今日的高速切削的定義是什么？

　　對(duì)于高速切削的討論在一定程度上是混亂的。關(guān)于高速切削的定義，存在許多觀點(diǎn)、許多謎團(tuán)和許多方法和許多方法。讓我們看一下這些定義中的幾個(gè)：

　　在下面的討論影響高速切削過程的參數(shù)。從實(shí)用的觀點(diǎn)描述高速切削非常重要，這也可為高速切削的應(yīng)用提供許多實(shí)用準(zhǔn)則。

實(shí)際切削速度

　　因?yàn)榍邢魉俣热�決于主軸轉(zhuǎn)速和刀具的直徑，高速切削應(yīng)定義為“實(shí)際切削速度”高于一定水平-切削速度和常規(guī)切削的切削速度之間的線性關(guān)系。

　　例外是，當(dāng)在鋁和其它有色金屬中切削和所有材料的精加工和超精加工工序時(shí)，在淬硬工具鋼中的高速切削特性。

　　Vf=fz×n×z

淺深度切削

　　非常必要的和典型的高速切削應(yīng)用是切削深度ae(徑向切削深度)和ap(軸向切削深度)和平均切屑厚度hm與常規(guī)切削相比小得多的切削。因而金屬去除率Q遠(yuǎn)比常規(guī)的小。例外是，在鋁和其它有色金屬中切削和所有材料的精加工和超精加工工序。

　　Q= ap×ae×Vf [cm³/min]

　　1000

在淬硬工具鋼中的高速切削特性

　　在模具制造業(yè)，最大的經(jīng)濟(jì)工件尺寸約為400×400×150 (長×寬×高)。最大尺寸與高速切削中相對(duì)低的材料去除率有關(guān)。當(dāng)然也與機(jī)床的動(dòng)力特性和大小有關(guān)。如前面所述，大部分模具在完全的切削(單次裝卡)中尺寸相當(dāng)小。進(jìn)行的典型工序?yàn)榇旨庸�、半精加工、精加工和許多情況下的超精加工。圓角和圓弧的銑削總是要為后面工序的刀具留下一定的余量。在許多情況下，要使用3-4種刀具。

　　通常直徑范圍為1-20 mm。在80到90%情況下，切削材料是整體硬質(zhì)合金立銑刀或球頭立銑刀。常常使用有大圓角的立銑刀。整體硬質(zhì)合金刀具的切削刃加強(qiáng)了，前角為零或負(fù)(主要用于硬度在54 HRC以上的材料)。一個(gè)典型的和重要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是為了得到最大彎曲強(qiáng)度而加厚了芯。

　　使用有短切削刃和接觸長度的球頭立銑刀是有利的。另一個(gè)重要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是掏槽能力，當(dāng)沿陡壁切削時(shí)，這必需的。也可以使用帶可轉(zhuǎn)位刀片的尺寸較小的切削刀具。特別是用于粗加工和半精加工。這些刀具應(yīng)有很大的刀柄穩(wěn)定性和彎曲剛度。錐度刀柄提高了剛度，重金屬制成的刀柄也提高了剛度。

　　模具的槽形應(yīng)當(dāng)是淺的，不能太復(fù)雜。一些槽形也適合使用具有高生產(chǎn)率的高速切削。

使輪廓切削刀具的路徑與順銑結(jié)合得越好，切削效果越好。

　　一個(gè)精加工或半精加工時(shí)應(yīng)遵循的原則是采取淺深度切削。切削深度應(yīng)不超過0.2/0.2 mm(ae/ap)。這是為了避免刀柄/切削刀具產(chǎn)生過大的彎曲，以保持模具的小公差和槽形精度。每個(gè)刀具均勻分布的余量也是保證恒定的個(gè)高的生產(chǎn)率的條件。當(dāng)ae/ap恒定時(shí)，切削速度和進(jìn)給率應(yīng)總是保持在高的水平上。這樣，機(jī)械變化和切削刃上的負(fù)載會(huì)較小，刀具壽命也提高了。

切削參數(shù)

　　TiC,N或TiAlN涂層的整體硬質(zhì)合金立銑刀在淬硬鋼(HRC 54-58)上的典型切削參數(shù)：(HRC 54-58)

粗加工

　　實(shí)際切削速度vc：100 m/min，ap(軸向切削速度)：刀具直徑的6-8%，ae(徑向切削深度)：刀具直徑的35-40%，fz(進(jìn)給量每齒)：0.05-0.1mm/齒

半精加工

　　實(shí)際切削速度vc：150-200 m/min，ap(軸向切削速度)：刀具直徑的3-4%，ae(徑向切削深度)：刀具直徑的20-40%，fz(進(jìn)給量每齒)：0.05-,15 mm/齒

精加工和超精加工

　　實(shí)際切削速度vc：200-250 m/min，ap(軸向切削速度)：0.1-0.2 mm, ae(徑向切削深度)：0.1-0.2 mm, fz(每齒進(jìn)給量)：0.02-0.2 mm/齒

　　當(dāng)然，這些值與外桿、懸伸、應(yīng)用的穩(wěn)定性、刀具直徑、材料硬度等有關(guān)。這些值僅是典型值和具體的某一應(yīng)用的值。在對(duì)高速切削的討論中，有時(shí)可以看到提到的切削速度值是極高和不現(xiàn)實(shí)的。

　　推薦使用有壓縮空氣或高壓油霧的干銑削

高速切削的實(shí)用定義

　　HSM不是簡單意義上的高速切削速度。它應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是用特定方法和生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行加工的工藝。

　　高速切削無需高轉(zhuǎn)速主軸切削。許多高速切削應(yīng)用是以中等轉(zhuǎn)速主軸并采用大尺寸刀具進(jìn)行的。

　　如果在高切削速度和高進(jìn)給條件下對(duì)淬硬鋼進(jìn)行精加工，切削參數(shù)可為常規(guī)的4到6倍。

　　在這些情況中，切削速度vc可能是用刀具的名義直徑計(jì)算的，而不是用切削的有效直徑。例如：

　　90°角的立銑刀，直徑6 mm。實(shí)際切削速度為250 m/min時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速= 13 262 r/min。

　　球頭立銑刀，名義直徑為6 mm，軸向切削深度ap為0.2 mm時(shí)有效切削直徑為2.15 mm。實(shí)際切削速度為250 m/min時(shí)的主軸轉(zhuǎn)速= 36 942 r/min。

　　在小尺寸零件的粗加工到精加工、精加工及任何尺寸零件的超精加工中，HSM意味著高生產(chǎn)率切削。

　　零件形狀變得越來越復(fù)雜，高速切削也就顯得越來越重要。

　　現(xiàn)在，高速切削主要應(yīng)用于錐度40的機(jī)床上。