高速切削的主要问题及解决方法

huanghe52000

术语高速切削（HSM）一般是指在高转速和高表面进给下的立铣。例如，以很高的金属去除率对铝合金飞机翼架的凹处进行切削。在过去的60年中，高速切削已经广泛应用于金属与非金属材料，包括有特定表面形状要求的零件生产和硬度高于或等于50 HRC的材料切削。对于大部分淬火到约为32-42 HRC的钢零件，当前的切削选项包括：
　　在软（退火）工况下材料的粗加工和半精加工切削
7 a1 K' ?3 q: `　　达到最终硬度= 63 HRC要求的热处理
7 ^& @4 _, |% |; q　　模具的某些零件的电极加工和放电加工（EDM）（特别是金切削刀具难于接近的小半径深凹穴）
　　用适合的硬质合金、金属陶瓷、整体硬质合金、混合的陶瓷或多晶立方氮化硼（PCBN）刀具进行的圆柱/平/凹穴表面的精加工和超精加工
5 Y6 e1 E' @, }9 p9 |6 |- l　　对于许多零件，生产过程牵涉到这些选项的组合，在模具制造案例中，它还包括费时的精加工。结果导致生产成本高和准备时间长。
: g' L. _1 j4 r) ^: ]7 i+ ~　　在模具制造业中典型的是仅生产一个或几个同一产品。生产过程中产品不断改变，由于产品改变，需要进行测量与反向设计。
: a% ]% r2 l* [/ R; c, q　　主要标准是模具的尺寸和表面粗糙度方面的质量水平。如果加工后的质量水平低，不能满足要求，就需手工精加工。手工精加工可产生令人满意的表面粗糙度，但是对尺寸和槽形的精度总是产生不好的影响。
　　这种模具制造业的主要难题之一已获解决，但现在仍然需要减少或免除手动抛光，从而提高质量、降低生产成本和缩短准备时间。
/ y' I% G6 A- Z: z% e高速切削发展的主要经济和技术因素
* ^  v5 Z4 n& a- _) k5 s) U: s' U　　生存市场上日益激烈的竞争导致不断设置新的标准。对时间和成本效率的要求越来越高。这就迫使新工艺和生产技术不断发展。高速切削提供了希望和解决方案……
: X+ T; ~) Y$ w5 q) r, V　　材料新的更难加工的材料已经强调了发现新的切削解决方案的必要性。航空航天业的心脏是用耐热合金钢和不锈钢制造的。汽车工业使用了不同的双金属材料、小石墨铸铁（Compact Graphite Iron），并增加了铝的用量。模具制造业必须面对切削高硬度的淬火钢的问题，从粗加工到精加工。
　　质量对质量的高要求是空前激烈的竞争所导致的结果。
0 x7 [6 z) a2 Y　　高速切削如果使用得正确，可以在这个领域提供一些解决方案。替代手工精加工是一个例子，这对有复杂3D槽形的模具尤为重要。
3 p5 {5 i) u% o　　工艺对加工时间更短的要求-只需很少几次装卡和简化的物流（后勤）的要求在大部分情况下可由高速切削解决。模具制造业内的一个典型要求是在一次装卡中完成所有完全淬火小零件的切削。使用高速切削，可以减少和免除费时费钱的EDM（放电加工）加工。
　　设计与发展今日竞争中的主要方法之一是销售新奇的产品。现在小汽车的平均生命周期是4年，计算机和配件1年半，手机3个月……这种快速的改变式样和快速的开发产品的发展的先决条件是高速切削技术。
4 y. u. e5 _7 M6 Y0 e- C  Q　　复杂产品零件多功能表面增加了，例如新设计的涡轮机叶片有新的和优化的特性与功能。早期的设计允许用手工或机器人（机械手）来抛光。有新的、复杂的形状的涡轮机叶片必须通过切屑来抛光，最好是用高速切削抛光。有越来越多的薄壁工件必须用切削进行精加工的例子（医疗设备、电子、国防产品、计算机零件）。
2 a  F; D: U' A2 u7 e产品设备切削材料、刀柄、机床、控制件，特别是CAD/CAM特性与设备的巨大发展就可能满足一些要求，这些要求是新的生产方法和技术提出的，是必须满足的。
; t: H( i6 P: X& x. l* F& J高速切削的原始定义
; D! ?5 o( ?; x+ p6 F3 j4 h6 d　　1931年，德国一个专利中的Salomons理论讲到：“以某一高切削速度（比常规切削高5-10倍）进行切削，在切削刃上去除切屑的温度开始降低……"
　　由以上得出结论：“似乎有用常规刀具以高切屑速度提高生产率的机会。”
3 m( D6 N) A- c1 A1 z9 I　　不幸的是，现代研究已经能全面验证这个理论。对于不同的材料，从某一切削速度开始切削刃上的温度有相对降低。对于钢和铸铁来说，这种温度相对降低不大。但是，但是对铝和其它非金属则是大的。高速切削的定义必须依据其它因素。
　　今日的高速切削的定义是什么？
& a7 `$ }& D' C  q　　对于高速切削的讨论在一定程度上是混乱的。关于高速切削的定义，存在许多观点、许多谜团和许多方法和许多方法。让我们看一下这些定义中的几个：
7 ~4 Z3 n9 |2 i% n: `2 S( Z: `　　在下面的讨论影响高速切削过程的参数。从实用的观点描述高速切削非常重要，这也可为高速切削的应用提供许多实用准则。
实际切削速度
6 b$ w- a6 r3 o2 g　　因为切削速度取决于主轴转速和刀具的直径，高速切削应定义为“实际切削速度”高于一定水平-切削速度和常规切削的切削速度之间的线性关系。
　　例外是，当在铝和其它有色金属中切削和所有材料的精加工和超精加工工序时，在淬硬工具钢中的高速切削特性。
　　Vf=fz×n×z
浅深度切削
6 x8 h/ B" r; l) ]6 x7 U7 N8 n　　非常必要的和典型的高速切削应用是切削深度ae（径向切削深度）和ap（轴向切削深度）和平均切屑厚度hm与常规切削相比小得多的切削。因而金属去除率Q远比常规的小。例外是，在铝和其它有色金属中切削和所有材料的精加工和超精加工工序。
　　Q= ap×ae×Vf [cm?/min]
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9 ^# {2 R) m+ b在淬硬工具钢中的高速切削特性
　　在模具制造业，最大的经济工件尺寸约为400×400×150 （长×宽×高）。最大尺寸与高速切削中相对低的材料去除率有关。当然也与机床的动力特性和大小有关。如前面所述，大部分模具在完全的切削（单次装卡）中尺寸相当小。进行的典型工序为粗加工、半精加工、精加工和许多情况下的超精加工。圆角和圆弧的铣削总是要为后面工序的刀具留下一定的余量。在许多情况下，要使用3-4种刀具。
　　通常直径范围为1-20 mm。在80到90%情况下，切削材料是整体硬质合金立铣刀或球头立铣刀。常常使用有大圆角的立铣刀。整体硬质合金刀具的切削刃加强了，前角为零或负（主要用于硬度在54 HRC以上的材料）。一个典型的和重要的设计特点是为了得到最大弯曲强度而加厚了芯。
: u; v. P4 ^9 R( a　　使用有短切削刃和接触长度的球头立铣刀是有利的。另一个重要的设计特点是掏槽能力，当沿陡壁切削时，这必需的。也可以使用带可转位刀片的尺寸较小的切削刀具。特别是用于粗加工和半精加工。这些刀具应有很大的刀柄稳定性和弯曲刚度。锥度刀柄提高了刚度，重金属制成的刀柄也提高了刚度。
　　模具的槽形应当是浅的，不能太复杂。一些槽形也适合使用具有高生产率的高速切削。
* I4 I6 s* l( `6 K; y1 Y使轮廓切削刀具的路径与顺铣结合得越好，切削效果越好。
　　一个精加工或半精加工时应遵循的原则是采取浅深度切削。切削深度应不超过0.2/0.2 mm（ae/ap）。这是为了避免刀柄/切削刀具产生过大的弯曲，以保持模具的小公差和槽形精度。每个刀具均匀分布的余量也是保证恒定的个高的生产率的条件。当ae/ap恒定时，切削速度和进给率应总是保持在高的水平上。这样，机械变化和切削刃上的负载会较小，刀具寿命也提高了。
切削参数
　　TiC,N或TiAlN涂层的整体硬质合金立铣刀在淬硬钢（HRC 54-58）上的典型切削参数：（HRC 54-58）
: {6 ?) q9 y0 _3 w! R( ~1 P粗加工
1 b+ R- q4 y5 Q0 i　　实际切削速度vc：100 m/min，ap（轴向切削速度）：刀具直径的6-8%，ae（径向切削深度）：刀具直径的35-40%，fz（进给量每齿）：0.05-0.1mm/齿
半精加工
. b5 |3 P4 @, F, d; Z( g0 @　　实际切削速度vc：150-200 m/min，ap（轴向切削速度）：刀具直径的3-4%，ae（径向切削深度）：刀具直径的20-40%，fz（进给量每齿）：0.05-,15 mm/齿
% m. g% E$ d" Y, e1 t" D6 Q8 C# c精加工和超精加工
　　实际切削速度vc：200-250 m/min，ap（轴向切削速度）：0.1-0.2 mm, ae（径向切削深度）：0.1-0.2 mm, fz（每齿进给量）：0.02-0.2 mm/齿
7 e' c" L/ _8 G0 ]4 Y　　当然，这些值与外杆、悬伸、应用的稳定性、刀具直径、材料硬度等有关。这些值仅是典型值和具体的某一应用的值。在对高速切削的讨论中，有时可以看到提到的切削速度值是极高和不现实的。
# o3 J, {& ]! `/ W3 W1 E, N　　推荐使用有压缩空气或高压油雾的干铣削
7 k/ S8 j* S8 r' n" q3 O8 i' B* R高速切削的实用定义
　　HSM不是简单意义上的高速切削速度。它应当被认为是用特定方法和生产设备进行加工的工艺。
　　高速切削无需高转速主轴切削。许多高速切削应用是以中等转速主轴并采用大尺寸刀具进行的。
* X. @1 ^8 M4 F( H" U7 O8 k　　如果在高切削速度和高进给条件下对淬硬钢进行精加工，切削参数可为常规的4到6倍。
　　在这些情况中，切削速度vc可能是用刀具的名义直径计算的，而不是用切削的有效直径。例如：
　　90°角的立铣刀，直径6 mm。实际切削速度为250 m/min时的主轴转速= 13 262 r/min。
　　球头立铣刀，名义直径为6 mm，轴向切削深度ap为0.2 mm时有效切削直径为2.15 mm。实际切削速度为250 m/min时的主轴转速= 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意味着高生产率切削。
　　零件形状变得越来越复杂，高速切削也就显得越来越重要。
　　现在，高速切削主要应用于锥度40的机床上。
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