高速切削發(fā)展的主要經(jīng)濟和技術(shù)因素

　　什么高速切削？關(guān)于高速切削還有許多問題和一些互相矛盾的定義。在下面將提及這些問題，并用有助于消除圍繞高速切削謎團的方法進行討論。 

　　歷史背景 

　　術(shù)語高速切削(HSM)一般是指在高轉(zhuǎn)速和高表面進給下的立銑。例如，以很高的金屬去除率對鋁合金飛機翼架的凹處進行切削。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。對于大部分淬火到約為32-42 HRC的鋼零件，當前的切削選項包括： 

　　在軟(退火)工況下材料的粗加工和半精加工切削 

　　達到*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)刀具進行的圓柱/平/凹穴表面的精加工和超精加工 

　　對于許多零件，生產(chǎn)過程牽涉到這些選項的組合，在模具制造案例中，它還包括費時的精加工。結(jié)果導(dǎo)致生產(chǎn)成本高和準備時間長。 

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

　　主要標準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拋光，從而提高質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本和縮短準備時間。 

　　高速切削發(fā)展的主要經(jīng)濟和技術(shù)因素 


　　生存 市場上日益激烈的競爭導(dǎo)致不斷設(shè)置新的標準。對時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)必須面對切削高硬度的淬火鋼的問題，從粗加工到精加工。 

　　質(zhì)量 對質(zhì)量的高要求是*激烈的競爭所導(dǎo)致的結(jié)果。 

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

　　工藝 對加工時間更短的要求 －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，可以減少和免除費時費錢的EDM(放電加工)加工。 

　　設(shè)計與發(fā)展 今日競爭中的主要方法之一是銷售新奇的產(chǎn)品。現(xiàn)在小汽車的平均生命周期是4年，計算機和配件1年半，手機3個月……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)計的渦輪機葉片有新的和優(yōu)化的特性與功能。早期的設(shè)計允許用手工或機器人(機械手)來拋光。有新的、復(fù)雜的形狀的渦輪機葉片必須通過切屑來拋光，*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行精加工的例子(醫(yī)療設(shè)備、電子、國防產(chǎn)品、計算機零件)。 

　　產(chǎn)品設(shè)備 切削材料、刀柄、機床、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)率的機會。”  

    不幸的是，現(xiàn)代研究已經(jīng)能全面驗證這個理論。對于不同的材料，從某一切削速度開始切削刃上的溫度有相對降低。對于鋼和鑄鐵來說，這種溫度相對降低不大。但是，但是對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、許多謎團和許多方法和許多方法。讓我們看一下這些定義中的幾個： 

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

　　實際切削速度 

　　因為切削速度取決于主軸轉(zhuǎn)速和刀具的直徑，高速切削應(yīng)定義為“實際切削速度”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，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)，*大的經(jīng)濟工件尺寸約為 400×400×150 (長×寬×高)。*大尺寸與高速切削中相對低的材料去除率有關(guān)。當然也與機床的動力特性和大小有關(guān)。如前面所述，大部分模具在完全的切削(單次裝卡)中尺寸相當小。進行的典型工序為粗加工、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了，前角為零或負(主要用于硬度在54 HRC以上的材料)。一個典型的和重要的設(shè)計特點是為了得到*大彎曲強度而加厚了芯。 

　　使用有短切削刃和接觸長度的球頭立銑刀是有利的。另一個重要的設(shè)計特點是掏槽能力，當沿陡壁切削時，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。 

　　一個精加工或半精加工時應(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。每個刀具均勻分布的余量也是保證恒定的個高的生產(chǎn)率的條件。當ae/ap恒定時，切削速度和進給率應(yīng)總是保持在高的水平上。這樣，機械變化和切削刃上的負載會較小，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(進給量每齒)：0.05-0.1mm/齒 

　　半精加工 

　　實際切削速度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(進給量每齒)：0.05-,15 mm/齒 

　　精加工和超精加工 

　　實際切削速度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(每齒進給量)： 0.02-0.2 mm/齒 
 
　　當然，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。在對高速切削的討論中，有時可以看到提到的切削速度值是極高和不現(xiàn)實的。 


　　推薦使用有壓縮空氣或高壓油霧的干銑削 


　　高速切削的實用定義 


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

　　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行的。 

　　如果在高切削速度和高進給條件下對淬硬鋼進行精加工，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。實際切削速度為250 m/min時的主軸轉(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時有效切削直徑為 2.15 mm。實際切削速度為250 m/min時的主軸轉(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的機床上。