有关高速铣削加工工艺技巧的探讨

张天生

【摘 要】高速铣削应用要求的不仅是机床的速度，而且还在于使用的工艺。这个工艺与传统切削要求有显著区别，高速铣削涉及到CNC机床、刀柄刀具、冷却系统及CAM数控编程等诸多因素。这个工艺甚至涉及到更综合更全面地了解机床在不同速度下的行为特征。下面从刀具技术、机床技术、数控系统性能和加工工艺等几个方面分析高速加工与普通加工的异同。

【关键词】高速铣削；加工；工艺

高速铣削不能按照任何特定的速度值来定义，获得很高数值的转速或线速度不是它本身的目标。与之相反，高速铣削描述了使用速度的方法。在高速铣削加工里，速度是一种催化剂。当高速主轴和高进给下的精确定位有机结合时，高速切削开始显现出实用价值。在模具加工里，高速切削让使用小直径刀具和小切深成为现实，所以槽和复杂细节的加工可通过铣削来代替EDM。此外，高速切削加工获得的光洁表面使得取消手工抛光成为可能。

1.刀具技术

高速加工用的刀具必须与工件材料的化学亲和力小，具有优良的力学性能，化学稳定性和热稳定性，良好的抗冲击和热疲劳特性。普通加工的刀具夹紧技术也不再符合高速加工，FIDIA 机床采用HSK刀柄。刀柄锥部和端面同时与主轴内锥孔和端面接触双定位，且此类刀柄采用的是内涨式夹紧技术，保障了主轴高速运转的安全性。

高速切削主轴面向高速，同时高扭矩主轴的发展对刀柄提出高的要求，而普遍采用的普通ISO或BT刀柄已经无法满足使用要求。在这方面，必须考虑以下因素：最小的动不平衡量、最小的径向偏差、高钢性、高精度、传递高扭矩、换刀时的高重复精度、高转速下的安全性。原则上，这些要求必须通过主轴和刀柄之间的连接方式来满足。不过这两个接口都已经有了新的连接方式，最大限度地满足了规定的要求。

2.各种材料的高速切削技术

高速切削不同材料时，其所用的切削工具、工艺方法以及切削参数均有很大不同，而且和在普通切削速度加工时的情况也有很大不同，掌握正确的高速切削工艺方法，是高速切削应用技术中的一个重要环节。

2.1高速切削铝合金技术

铝材料零件的高速加工，在20世纪80年代就已经在工业中广泛应用，经过适当冷处理的铝合金材料，强度可高达540Mpa，它的相对密度很轻，是飞机和各种航天器零部件的主要材料，也是机器和仪表零部件的常用金属。近年来铝合金在汽车和其它动力机械中的应用也逐渐增多。加工轻合金的优势主要在：切削力和切削功率小，大约比切削钢件小70%；切削短、不卷曲，因而在高速加工中易于实现大量切屑的排屑自动化，刀具磨损小，用硬质合金、多晶金刚石等刀具在很高的转速下切削铝合金材料，可以达到很高的刀具寿命；加工表面质量高，仅采用少量的切削液、在近乎干切的情况下不用再经过任何加工或手工研磨，零件即可得到很高的表面质量；可采用很高的切削速度进行加工，切削速度可高达1000-20000/min，高速加工95%以上切削热被切屑迅速带走，工件可保持室温状态，热变形小，保证了加工的高精度。如瑞士米克朗的高速铣HSM400在2003年北京国际机床展上加工的一个薄壁铝件，厚度为0.1mm，高度为25mm，进刀速度高达20000/min，而且保证了良好的尺寸精度和几何精度。

2.2高速铣削钢技术

近年来，高速加工开始用于钢的精加工，特别是加工形状复杂的零件，高速切削可以大大提高生产率，高速铣削钢和铝合金有所不同，主要问题是刀具的磨损，优化切削参数的目的不仅仅为了提高金属切除率，而且更注重于降低切削力，提高工件表面质量、尺寸精度和形状精度以及减少刀具磨损。

2.3钢材的高速铣削技术

高速铣削钢材时，刀具要用更锋利切削刃和较大的后角，这样可以减少切削时的刀具磨损提高刀具的使用寿命，刀具参数也应当随着进给速度的变化而变化。当进给速度增加时，刀具的后角要减小；进给速度对刀具的前角的影响相对比较小。按照常规的切削规律，刀具的正前角能够减小切削力，并减小月牙洼磨损。但在高速下，正前角并不比零度前角更多地降低切削力，负前角虽然能使刀具片有更高的切削稳定性，但是增大了刀具切削力和月牙洼磨损。在高速铣削时，轴向进给量对刀具磨损的影响比较小，而径向进给量的影响则较大。刀具寿命随切削面的增加而降低。轴向进给切削和径向进给切削二者之间是相互关联的。在以径向进给进行时，常常会因为高速产生的高温超过刀具材料的红硬性而造成刀具失效。在径向进给比较慢时，刀具的非接触区时间比接触区时间长，短时间的发热可以由比较长时间地冷却来弥补。因此，从整体上来看，径向进给速度应稍慢一些，建议进给量只值等于刀具直径的5%-10%。

2.4高速切削难加工材料技术

一般来讲，合金材料包括特殊合金钢、钛、镍合金。这些材料由于强度大、硬度高、耐冲击，大多用于航空、航天制造和动力部门，但加工中这些材料容易硬化，切削温度高，刀具磨损严重，属于难加工材料。

在加工这些材料的过程中，导致刀片失效的典型形式刀具后面磨损，最大的磨损区是刀尖部位，另外是刀具和工件之间的通道处，由于切削条件差，磨损的痕迹会在这些地方产生，因而形成严重的刀口毛刺，刀刃的磨损改变了刀具的几何参数，增大了切削力，尤其是切削高强度合金的情况时，容易使刀片碎裂。实验证明逆铣要比顺铣的效果好，加大刀具前角明显减小切削力，刀具前角γ的变化范围是在8°～28°之间。在上述前角范围内，加工钛合金、特殊合金和镍基高温合金材料时刀具寿命都能提高，当刀具前角为负时，刀具的切削稳定性提高，但刀具寿命降低。切削过程和刀具寿命也受刀具后角α的影响增加刀具后角可提高刀具寿命，但当后角α>20°时，刀具寿命开始下降。

2.5高速切削硬质材料技术

淬硬钢材料包括普通淬火钢、淬火态模具钢、轴承钢、轧锟钢及高速钢等，是典型的耐磨结构材料，广泛用于制造各种对硬度和耐磨性要求高的零件。淬硬钢材料的特点是经淬火或低温去应力后具有比较高的硬度（55～68HRC），很难用传统的切削方法加工，通常采用磨削进行精加工，但磨削效率低下，成本高。高速硬切削为淬硬钢材料加工提供了更好的解决途径。提高了效率、少了污染、减少设备投资，适应柔性生产。淬硬钢材料的伸长率小、塑性低、易于形成高光洁度表面，有利于以切代磨。但其硬度高，切削性能差。从切削过程可以看出加工淬硬钢材料切削力增大、切削热增加，为了获得必要的加工精度和表面光洁度及刀具寿命，必须精心选择切削刀具和几何参数，优化切削工艺参数。比如选用材料CBN、PCBN、性能好的陶瓷、超细晶粒硬质合金及涂层硬质合金刀具。尽量选择较大圆鼻刀具、刀具的前角为负的较好。（α≤-5°）

3.结束语

高速加工技术是世界范围内倍受关注的前沿技术，它将极大地促进加工的效率提高和产品品质的改善。正如前文所述，高速加工是一个系统工程，他要求从软件、硬件及设备方面的全方位的改革，但由于其具有传统加工无可比拟的优势，仍将是今后加工技术必然的发展方向。