發布日期：2022-10-09 點擊率：67
“高速切削” 一詞在金屬加工行業中正越來越流行，不論是機械制造商、刀具制造商，或是從事金屬加工的廠商等都在積極探討中。所謂高速切削，廣義來說就是以立銑刀作高速旋轉，同時機床也以高速度的進給來進行切削或加工。需要注意的是，在不同行業的領域或應用上對高速切削的定義會有所不同。高速切削并不等同于代表高生產量或高制造量，但它肯定有助于提升生產量及有關的質量。
在20世紀30年代航空業的需求下，非鐵金屬 (以鋁合金為主) 的零部件加工數量逐漸增加。約于1931年，德國工程師 Carl Salomon提出 “高速切削”理論——以高切削速度來加工 (5～10倍的傳統切削速度。以硬質合金刀具為例，以往傳統機床能抵受的最高切削速度約為600 SFM（180m/min），進給約為40IPM（1m/min)），降低切屑從刃口移出時的溫度……, 從而最終提升材料的移除速率，增強生產力。由于當時的冶金、機床、控制、刀具等方面的技術還不如現今發達，所以對于該理論的應用只是處在初級階段，如提升切削速度時，只能以增加刀具的直徑及切削刃數來替代高進給等，效果自然不甚理想。不過，高速切削的確可降低切屑從刃口移出時的溫度，特別是鋁及非鐵金屬，它們較鐵質合金及生鐵有著更為顯著的降溫效果(見圖1)，從而可以大大增加刀具的壽命。
圖1 高速切削對于不同材料刀具的降溫效果比較
對高硬度金屬來說，放電加工是最有效的加工方法之一，但放電加工所需的時間很長，不易對成品的精準度及表面的光滑情況等進行控制，且表面或局部材料的性質會被放電時產生的高溫 (局部可達8 000℃或以上) 所改變。隨著機械制造、電子計算機、伺服控制系統等技術的進展，高速切削的應用得以日趨成熟，除應用于非鐵金屬之外，于20世紀90年代期間更被引入到鐵金屬及其他合金金屬的加工中，之后更是盛行于模具制造行業。直接對模具做出復雜的三維高速切削可大大縮減加工時間 (對深穴或其它特殊加工除外)，且可獲更佳的效果，這是高速切削應用于制模業的優勢。另外，以高速切削加工石墨電極會有更佳的回報。高速切削也適合加工復合零部件，如渦輪增壓機的葉輪及葉片等。現時一般對應用于加工鋼材的高速切削的基本準則是：被加工材料的硬度為洛氏50或以上，表面切削速度在300m/min或以上，可編控的進給速度為25m/min或以上。該準則是從研究與實踐中得來的，實踐證明，以4～6倍于傳統的切削速度來加工高硬度的鋼材，既能獲得不俗的加工效果，同時又能平衡各方，包括用戶及機床、控制系統等的制造商之間的利益。
高速切削在模具加工方面的應用建議
用戶在應用高速切削設備時，應注意以下方面：
(1) 經有限元分析(見圖2)而設計制造的機床較傳統的機型纖巧，而且具有更強的剛性，可抵御高速切削時由急速移動帶來的動態變化，從而保持位移的精確度。
圖2 經有限元分析而設計制造的高速切削機床
(2) 加工體積不大于400mm (長) × 400mm(寬) × 150mm(高) 的模具最具經濟效益。
(3) 經熱處理后，硬度達洛氏63的鋼材，仍可以應用高速切削來做出修正。
(4) 采用適合高速切削的電腦輔助設計軟件及控制系統，可使高速切削更加流暢和順滑。
(5) 使用通過動平衡修正的刀具夾頭 (HSK類型) 及整體性硬質合金刀具，有助減低對主軸及刃具所造成的振動，以及保持工作面應有的光潔程度。
(6) 采用適當的比例來夾持立銑刀 （刃具在刀夾內的最少長度為2倍于刀具的直徑）可增加其剛性，減少振顫的情況出現；不良的夾套，或不合適的鎖緊將使刃具產生翹起的現象；熱縮性設計的刀頭，具有較強的剛性及同心性，有助于增加表面的光潔度。
(7) 刃具的工作長度以短為佳，因撓度與長度成正比；在一般加工情況下，刀具外露于夾套的長度在3倍于刀具直徑或以下時，將有較佳的工作效果（請結合實際加工所需及參考各刀具生產商建議的切削指引或參數）。
(8) 銑削不同硬度的材料時，需考慮刀具的涂層。如涂有TiN 或 TiCN的硬質合金刀具較適合銑削洛氏硬度42或以下的合金鋼材，涂有TiAlN 的硬質合金刃具較適合銑削洛氏硬度42以上的合金鋼材，多晶立方氮化硼涂層刀片較適合切削洛氏硬度60~65的硬質材料（請參考各刀具生產商建議的切削指引或參數）。
(9) 采用快速排屑形刀具 （直徑與排屑槽長度的比例為1~1.5），將有效防止切屑在工作表面上堆積，以及防止產生不必要的熱區。
(10) 以刃具在加工時接觸到工件的有效工作直徑 （Deff） (見圖3)來運算主軸的轉速，較以刃具的直徑來計算更為準確。在計算出最佳轉速后，必須考慮切削時刃口與工件接觸的頻率是否與自然頻率(2000Hz)產生諧振，以免使刀具產生不必要的振顫從而影響工件表面。
(11) 采用淺薄式的軸向進刀 （ap ） (見圖3)，有助于減輕刀刃的負荷及刀具的變形量，而且仍能保持效率；每次ap的進刀量，應不大于刃具直徑的10% （粗切削：6~8%；中切削：4~6%；精切削：3% 或以下。請參考各刃具生產商建議的切削指引或參數），同時也需對被加工材料的硬度及加工所需的精度做出適量的調整。
圖3 高速切削刀具示意圖
(12) 徑向進給量 （ae） (見圖3)影響著工件表面的圓滑情況，ae應小于有效切削直徑的35% （粗切削：25~30%；中切削：15~20%；精切削：10%或以下。請參考各刀具生產商建議的切削指引或參數），同時也需對被加工材料的硬度及加工所需的精度做出適量的調整。
(13) 進給將影響著刀具的壽命及工件表面的光潔度。每刃的進給量應盡可能控制在0.2~0.02mm 范圍以內，同時被切削材料的硬度、刃具的涂層及長度也需考慮 （請參考各刃具生產商建議的切削指引或參數）。
(14) 采用油霧方式 (壓縮空氣混合適量的低黏度切削液)，以替代傳統水劑冷卻液及直接沖走方式。一般而言，冷卻液的黏度不能太高，因為高黏度冷卻液并不一定能將切屑帶走，反而可能將切屑黏附在刀具上面，從而對進行中的切削造成阻礙。
(15) 若電腦輔助制造系統內具有高速的切削模擬功能，可有助于減少在高速切削時發生不必要的錯誤。
(16) 用戶雖已意識到加工前對主軸進行預熱的重要性，卻往往忽略了加工后對主軸進行降溫的重要性。雖然一般的高速運轉主軸已配置冷卻的裝置，用以保持或降低主軸在工作時所產生的溫度(以主軸的內部為主)，但經長時間的工作后，主軸外圍及周邊的溫度會顯著升高。主軸內外的這種溫差，會使其在停止工作后因空氣中的水份在主軸外殼等表面上凝結而導致在無保護或運動較少的部件表面上產生銹蝕，進而影響機床的運作。因此建議，在加工完結后，將主軸移放到安全位置，以中速及低速各空運轉10來分鐘，以減少溫度的差異，從而減少上述情況的發生。
高速切削對工具機與資料傳送的要求
高速切削對工具機與資料傳送的要求包括：
(1) 高剛性機座并須具有吸納振動能力；
(2) 主軸轉速范圍：約20 000 r/min (不低于10 000 r/min)；
(3) 主軸功率：約22 kW；
(4) 可編程進給速度：20~40m/min；
(5) 快速移動：約40m/min；
(6) 座標加速或減速能力：約1g；
(7) 指令句處理時間：1~20ms；
(8) 以太網資料傳送速度：250Kbits/s；
(9) 增量值 (線性)：5~2μm；
(10) 通過NURBS來執行圓弧插補；
(11) 主軸內應耐高溫及具有高穩定性，主軸軸承應有適當的預壓及冷卻；
(12) 多元性的誤差補償：包括溫度 （由工作間、機床部件運動時的相互摩擦造成）補償，滾珠絲桿補償等；
(13) 貫通主軸的吹風或高壓冷卻液傳送系統（次要需求）；
(14) 數控系統需配先進的工作預檢功能（次要需求）。
切削計算實例
(1) 如圖3所示，假設2刃球形立銑刀直徑 Dc = 8mm，則半徑 c = 4mm。軸向進刀量 ap為刀具直徑的8%，即ap = 8 × 0.08 = 0.64mm。故球立銑刀的有效工作直徑 Deff = 2 × [42 – (4 - 0.64)2]0.5≈4.34mm；
(2) 假設被切削材料的切削速度 Vc = 250m/min，故主軸速 N = （Vc × 1000） / （π × Deff）= （250 × 1000） / （3.1416 × 4.34） ≈ 18 500r/min；
(3) 假設球形立銑刀每刃的進給量Fz = 0.05mm ， 刃數 Z = 2，故機床的進給速度 Vf = （N × Fz × Z） / 1000= （18 500 × 0.05 × 2） / 1000 = 1.85m/min；
(4) 假設徑向進給量ae為有效工作直徑的30%，即ae = 0.3 × 4.34 = 1.302mm，故移除量 Vr = Vf × ap × ae= 185 × 0.064 × 0.1302= 1.542 CM3/min。
關于力豐精密機床有限公司
力豐精密機床有限公司為力豐（集團）有限公司全資附屬公司。該公司在中國和香港是著名的金屬切削機械和相關附件供應商，在廣東省擁有完善及經驗豐富的銷售和維修網絡。力豐與國際知名的機床及數控系統專業廠家——日本大隈株式會社有著近20年的合作，主要代理大隈（OKUMA）品牌加工中心及電腦數控車床，至今共售出1 000多臺OKUMA機床。
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