高速切削工藝技術(shù)

    我國在20世紀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、先進陶瓷刀具、高速切削機床、直線電機、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)開始引進國外高速切削機床，在生產(chǎn)中進行了高速切削技術(shù)的實際應(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(CIRP)年會主題報告的定義，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500m/min；鈦合金達150-1,000m/min；纖維增強塑料為 2,000－9,000m/min。

實現(xiàn)高速切削，必須考慮下列關(guān)鍵技術(shù)：

    高速切削機床 具有高主軸轉(zhuǎn)速、高動態(tài)的進給驅(qū)動，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，可靠的安全防護等等。

    高速切削刀具 具有良好的耐磨性和高的強度韌性的先進刀具材料，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，高速切削是一項綜合技術(shù)，企業(yè)在購置合適的高速切削機床后，必須根據(jù)產(chǎn)品的材料和結(jié)構(gòu)特點，選擇合適的切削刀具，采用最佳的切削工藝，以達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 高速切削的先進性表現(xiàn)在其適用領(lǐng)域內(nèi)，可以應(yīng)對激烈的市場競爭對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)動機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；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。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)動機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晶�；虺�細晶粒硬質(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適配性問題，即一種刀具材料加工某種工件材料時性能良好，但加工另一種工件材料時卻不理想，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夾式兩類。小直徑銑刀一般采用整體式，大直徑銑刀采用機夾式。高轉(zhuǎn)速機床對刀具直徑有一定限制，整體式高速銑刀在出廠時經(jīng)過動平衡檢驗，比較常用，而機夾式需要在每次裝夾刀片后進行動平衡。機床在轉(zhuǎn)速比較低、能提供較大扭矩時可采用機夾式銑刀。

    銑刀節(jié)距定義為相鄰兩個刀齒間的周向距離。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)生振動的場合。超密節(jié)距的容屑空間小，可承受非常高的進給速度，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

    當機床最高轉(zhuǎn)速超過 15,000r/min時，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)，提供與機床標準聯(lián)結(jié)，在機床拉力作用下，保證刀杯短錐和端面與機床緊密配合。

（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平衡，在高速銑削時不宜采用。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）刀具動平衡 當主軸轉(zhuǎn)速超過12,000r/min后，必須考慮刀具動平衡問題，過大的動不平衡引起刀具軸線的偏擺將直接影響加工表面質(zhì)量、刀具壽命和機床精度。如二齒刀具若達不到G2.5（動平衡標準），由于兩個刀齒在直徑方向上尺寸的偏離，表面粗糙度將會隨著轉(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)進給量。因此在選擇刀具時，首先應(yīng)選用經(jīng)過動平衡的高質(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。

    刀具動平衡分機外動平衡和機上動平衡兩種。機外動平衡需專用機外動平衡機，由動力裝置提供旋轉(zhuǎn)運動，測量出動不平衡的質(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)達到動平衡標準的要求。機上動平行機則用機床主軸提供旋轉(zhuǎn)運動，其余與機外動平衡機相同。每種規(guī)格的高速機床都會按標準規(guī)定動不平衡量，選購整體刀具時必須要求達到動平衡標準，機夾刀具必須經(jīng)過動平衡后才能適用。

（5）刀具安全性 高轉(zhuǎn)速情況下會產(chǎn)生很大的離心力，造成兩種危險，一是普通彈簧夾頭夾緊力會下降，二是大直徑刀具可能會破壞，同時，飛濺的切屑和崩刃具有很高的動能，很可能會造成人身傷害。因此，工藝系統(tǒng)必須有高標準的防護措施。根據(jù)試驗，不同直徑的刀具對應(yīng)一個破壞轉(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，如圖2所示。

圖2 高速旋轉(zhuǎn)刀具安全操作標準（DIN 6589－1）

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，原則上多采用分層環(huán)切加工，順銑加工刀具壽命較長，而往復(fù)銑方式刀具壽命最低。直接垂直向下進刀極易出現(xiàn)崩刃現(xiàn)象，不宜采用。斜線軌跡進刀方式是逐漸加大軸向切深運動到設(shè)定的軸向切深值，銑削力是逐漸加大的，因此對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行加工。螺旋進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，加工用量會有很大差異，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，除較高的每齒進給量外，加工表面粗糙度隨切削速度提高而降低。對于刀具壽命，每齒進給量和軸向切深均存在最佳值，而且最佳值的范圍相對較窄。高速銑削參數(shù)一般的選擇原則是高的切削速度，中等的每齒進給量fz，較小的軸向切深ap，適當大的徑向切深ae。如加工48－58HRC淬硬鋼時，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。

圖3 銑刀的有效直徑計算

    銑刀實際參與切削部分的直徑稱有效直徑，銑刀實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，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，當采用圓弧銑刀淺切深時也會出現(xiàn)上述情況。在優(yōu)化加工參數(shù)時應(yīng)按有效直徑和有效銑削速度選擇：

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．高速切削冷卻潤滑技術(shù)

    在高速銑削時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沖離工件、降低切削熱和增加切削界面潤滑的能力。常規(guī)的切削液及加注方式很難進入加工區(qū)域，反而會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�，F(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，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到高速切削的要求。但是所產(chǎn)生的污染問題等也更嚴重，同時也增加了加工成本，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，另一方面細小的油霧粒子在接觸到刀具表面時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)。

    氮氣油霧冷卻介質(zhì)在鈦合金的高速銑削中取得了很好的效果。氮氣油霧冷卻介質(zhì)除具有空氣油霧的冷卻潤滑作用外，還具有抗氧化磨損等作用，在300m/min的銑削速度時，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)控編程的特殊要點包括：

1，盡可能減少程序塊，提高程序處理速度。

2，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。

3，盡可能減少銑削負荷的變化，使加工余量盡量控制均勻。

4，多采用分層銑削。

5，原則上均采用順銑方式。

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

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

8，充分利用數(shù)控系統(tǒng)提供的仿真驗證的功能。零件在加工前必須經(jīng)過仿真，驗證

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

    高速切削是一項先進的、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)等多個領(lǐng)域取得了巨大的社會經(jīng)濟效益。要充分發(fā)揮高速切削技術(shù)的優(yōu)勢，除必須具備高速加工機床外，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)以及冷卻潤滑技術(shù)。