有關高速銑削加工工藝技巧的探討

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【摘 要】高速銑削應用要求的不僅是機床的速度，而且還在于使用的工藝。這個工藝與傳統(tǒng)切削要求有顯著區(qū)別，高速銑削涉及到CNC機床、刀柄刀具、冷卻系統(tǒng)及CAM數(shù)控編程等諸多因素。這個工藝甚至涉及到更綜合更全面地了解機床在不同速度下的行為特征。下面從刀具技術、機床技術、數(shù)控系統(tǒng)性能和加工工藝等幾個方面分析高速加工與普通加工的異同。

【關鍵詞】高速銑削；加工；工藝

高速銑削不能按照任何特定的速度值來定義，獲得很高數(shù)值的轉速或線速度不是它本身的目標。與之相反，高速銑削描述了使用速度的方法。在高速銑削加工里，速度是一種催化劑。當高速主軸和高進給下的精確定位有機結合時，高速切削開始顯現(xiàn)出實用價值。在模具加工里，高速切削讓使用小直徑刀具和小切深成為現(xiàn)實，所以槽和復雜細節(jié)的加工可通過銑削來代替EDM。此外，高速切削加工獲得的光潔表面使得取消手工拋光成為可能。

1.刀具技術

高速加工用的刀具必須與工件材料的化學親和力小，具有優(yōu)良的力學性能，化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，良好的抗沖擊和熱疲勞特性。普通加工的刀具夾緊技術也不再符合高速加工，F(xiàn)IDIA 機床采用HSK刀柄。刀柄錐部和端面同時與主軸內錐孔和端面接觸雙定位，且此類刀柄采用的是內漲式夾緊技術，保障了主軸高速運轉的安全性。

高速切削主軸面向高速，同時高扭矩主軸的發(fā)展對刀柄提出高的要求，而普遍采用的普通ISO或BT刀柄已經無法滿足使用要求。在這方面，必須考慮以下因素：最小的動不平衡量、最小的徑向偏差、高鋼性、高精度、傳遞高扭矩、換刀時的高重復精度、高轉速下的安全性。原則上，這些要求必須通過主軸和刀柄之間的連接方式來滿足。不過這兩個接口都已經有了新的連接方式，最大限度地滿足了規(guī)定的要求。

2.各種材料的高速切削技術

高速切削不同材料時，其所用的切削工具、工藝方法以及切削參數(shù)均有很大不同，而且和在普通切削速度加工時的情況也有很大不同，掌握正確的高速切削工藝方法，是高速切削應用技術中的一個重要環(huán)節(jié)。

2.1高速切削鋁合金技術

鋁材料零件的高速加工，在20世紀80年代就已經在工業(yè)中廣泛應用，經過適當冷處理的鋁合金材料，強度可高達540Mpa，它的相對密度很輕，是飛機和各種航天器零部件的主要材料，也是機器和儀表零部件的常用金屬。近年來鋁合金在汽車和其它動力機械中的應用也逐漸增多。加工輕合金的優(yōu)勢主要在：切削力和切削功率小，大約比切削鋼件小70%；切削短、不卷曲，因而在高速加工中易于實現(xiàn)大量切屑的排屑自動化，刀具磨損小，用硬質合金、多晶金剛石等刀具在很高的轉速下切削鋁合金材料，可以達到很高的刀具壽命；加工表面質量高，僅采用少量的切削液、在近乎干切的情況下不用再經過任何加工或手工研磨，零件即可得到很高的表面質量；可采用很高的切削速度進行加工，切削速度可高達1000-20000/min，高速加工95%以上切削熱被切屑迅速帶走，工件可保持室溫狀態(tài)，熱變形小，保證了加工的高精度。如瑞士米克朗的高速銑HSM400在2003年北京國際機床展上加工的一個薄壁鋁件，厚度為0.1mm，高度為25mm，進刀速度高達20000/min，而且保證了良好的尺寸精度和幾何精度。

2.2高速銑削鋼技術

近年來，高速加工開始用于鋼的精加工，特別是加工形狀復雜的零件，高速切削可以大大提高生產率，高速銑削鋼和鋁合金有所不同，主要問題是刀具的磨損，優(yōu)化切削參數(shù)的目的不僅僅為了提高金屬切除率，而且更注重于降低切削力，提高工件表面質量、尺寸精度和形狀精度以及減少刀具磨損。

2.3鋼材的高速銑削技術

高速銑削鋼材時，刀具要用更鋒利切削刃和較大的后角，這樣可以減少切削時的刀具磨損提高刀具的使用壽命，刀具參數(shù)也應當隨著進給速度的變化而變化。當進給速度增加時，刀具的后角要減??；進給速度對刀具的前角的影響相對比較小。按照常規(guī)的切削規(guī)律，刀具的正前角能夠減小切削力，并減小月牙洼磨損。但在高速下，正前角并不比零度前角更多地降低切削力，負前角雖然能使刀具片有更高的切削穩(wěn)定性，但是增大了刀具切削力和月牙洼磨損。在高速銑削時，軸向進給量對刀具磨損的影響比較小，而徑向進給量的影響則較大。刀具壽命隨切削面的增加而降低。軸向進給切削和徑向進給切削二者之間是相互關聯(lián)的。在以徑向進給進行時，常常會因為高速產生的高溫超過刀具材料的紅硬性而造成刀具失效。在徑向進給比較慢時，刀具的非接觸區(qū)時間比接觸區(qū)時間長，短時間的發(fā)熱可以由比較長時間地冷卻來彌補。因此，從整體上來看，徑向進給速度應稍慢一些，建議進給量只值等于刀具直徑的5%-10%。

2.4高速切削難加工材料技術

一般來講，合金材料包括特殊合金鋼、鈦、鎳合金。這些材料由于強度大、硬度高、耐沖擊，大多用于航空、航天制造和動力部門，但加工中這些材料容易硬化，切削溫度高，刀具磨損嚴重，屬于難加工材料。

在加工這些材料的過程中，導致刀片失效的典型形式刀具后面磨損，最大的磨損區(qū)是刀尖部位，另外是刀具和工件之間的通道處，由于切削條件差，磨損的痕跡會在這些地方產生，因而形成嚴重的刀口毛刺，刀刃的磨損改變了刀具的幾何參數(shù)，增大了切削力，尤其是切削高強度合金的情況時，容易使刀片碎裂。實驗證明逆銑要比順銑的效果好，加大刀具前角明顯減小切削力，刀具前角γ的變化范圍是在8°～28°之間。在上述前角范圍內，加工鈦合金、特殊合金和鎳基高溫合金材料時刀具壽命都能提高，當?shù)毒咔敖菫樨摃r，刀具的切削穩(wěn)定性提高，但刀具壽命降低。切削過程和刀具壽命也受刀具后角α的影響增加刀具后角可提高刀具壽命，但當后角α>20°時，刀具壽命開始下降。

2.5高速切削硬質材料技術

淬硬鋼材料包括普通淬火鋼、淬火態(tài)模具鋼、軸承鋼、軋錕鋼及高速鋼等，是典型的耐磨結構材料，廣泛用于制造各種對硬度和耐磨性要求高的零件。淬硬鋼材料的特點是經淬火或低溫去應力后具有比較高的硬度（55～68HRC），很難用傳統(tǒng)的切削方法加工，通常采用磨削進行精加工，但磨削效率低下，成本高。高速硬切削為淬硬鋼材料加工提供了更好的解決途徑。提高了效率、少了污染、減少設備投資，適應柔性生產。淬硬鋼材料的伸長率小、塑性低、易于形成高光潔度表面，有利于以切代磨。但其硬度高，切削性能差。從切削過程可以看出加工淬硬鋼材料切削力增大、切削熱增加，為了獲得必要的加工精度和表面光潔度及刀具壽命，必須精心選擇切削刀具和幾何參數(shù)，優(yōu)化切削工藝參數(shù)。比如選用材料CBN、PCBN、性能好的陶瓷、超細晶粒硬質合金及涂層硬質合金刀具。盡量選擇較大圓鼻刀具、刀具的前角為負的較好。（α≤-5°）

3.結束語

高速加工技術是世界范圍內倍受關注的前沿技術，它將極大地促進加工的效率提高和產品品質的改善。正如前文所述，高速加工是一個系統(tǒng)工程，他要求從軟件、硬件及設備方面的全方位的改革，但由于其具有傳統(tǒng)加工無可比擬的優(yōu)勢，仍將是今后加工技術必然的發(fā)展方向。