“高速切削” 一詞在金屬加工行業(yè)中正越來(lái)越流行，不論是機(jī)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(lái)說(shuō)就是以立銑刀作高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)機(jī)床也以高速度的進(jìn)給來(lái)進(jìn)行切削或加工。需要注意的是，在不同行業(yè)的領(lǐng)域或應(yīng)用上對(duì)高速切削的定義會(huì)有所不同。高速切削并不等同于代表高生產(chǎn)量或高制造量，但它肯定有助于提升生產(chǎn)量及有關(guān)的質(zhì)量。
在20世紀(jì)30年代航空業(yè)的需求下，非鐵金屬 (以鋁合金為主) 的零部件加工數(shù)量逐漸增加。約于1931年，德國(guó)工程師 Carl Salomon提出 “高速切削”理論——以高切削速度來(lái)加工 (5～10倍的傳統(tǒng)切削速度。以硬質(zhì)合金刀具為例，以往傳統(tǒng)機(jī)床能抵受的最高切削速度約為600 SFM（180m/min），進(jìn)給約為40IPM（1m/min)），降低切屑從刃口移出時(shí)的溫度……, 從而最終提升材料的移除速率，增強(qiáng)生產(chǎn)力。由于當(dāng)時(shí)的冶金、機(jī)床、控制、刀具等方面的技術(shù)還不如現(xiàn)今發(fā)達(dá)，所以對(duì)于該理論的應(yīng)用只是處在初級(jí)階段，如提升切削速度時(shí)，只能以增加刀具的直徑及切削刃數(shù)來(lái)替代高進(jìn)給等，效果自然不甚理想。不過(guò)，高速切削的確可降低切屑從刃口移出時(shí)的溫度，特別是鋁及非鐵金屬，它們較鐵質(zhì)合金及生鐵有著更為顯著的降溫效果(見(jiàn)圖1)，從而可以大大增加刀具的壽命。
圖1 高速切削對(duì)于不同材料刀具的降溫效果比較
對(duì)高硬度金屬來(lái)說(shuō)，放電加工是最有效的加工方法之一，但放電加工所需的時(shí)間很長(zhǎng)，不易對(duì)成品的精準(zhǔn)度及表面的光滑情況等進(jìn)行控制，且表面或局部材料的性質(zhì)會(huì)被放電時(shí)產(chǎn)生的高溫 (局部可達(dá)8 000℃或以上) 所改變。隨著機(jī)械制造、電子計(jì)算機(jī)、伺服控制系統(tǒng)等技術(shù)的進(jìn)展，高速切削的應(yīng)用得以日趨成熟，除應(yīng)用于非鐵金屬之外，于20世紀(jì)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(yè)。直接對(duì)模具做出復(fù)雜的三維高速切削可大大縮減加工時(shí)間 (對(duì)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(yīng)用于制模業(yè)的優(yōu)勢(shì)。另外，以高速切削加工石墨電極會(huì)有更佳的回報(bào)。高速切削也適合加工復(fù)合零部件，如渦輪增壓機(jī)的葉輪及葉片等。現(xiàn)時(shí)一般對(duì)應(yīng)用于加工鋼材的高速切削的基本準(zhǔn)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(jìn)給速度為25m/min或以上。該準(zhǔn)則是從研究與實(shí)踐中得來(lái)的，實(shí)踐證明，以4～6倍于傳統(tǒng)的切削速度來(lái)加工高硬度的鋼材，既能獲得不俗的加工效果，同時(shí)又能平衡各方，包括用戶及機(jī)床、控制系統(tǒng)等的制造商之間的利益。
高速切削在模具加工方面的應(yīng)用建議
用戶在應(yīng)用高速切削設(shè)備時(shí)，應(yīng)注意以下方面：
(1) 經(jīng)有限元分析(見(jiàn)圖2)而設(shè)計(jì)制造的機(jī)床較傳統(tǒng)的機(jī)型纖巧，而且具有更強(qiáng)的剛性，可抵御高速切削時(shí)由急速移動(dòng)帶來(lái)的動(dòng)態(tài)變化，從而保持位移的精確度。
圖2 經(jīng)有限元分析而設(shè)計(jì)制造的高速切削機(jī)床
(2) 加工體積不大于400mm (長(zhǎng)) × 400mm(寬) × 150mm(高) 的模具最具經(jīng)濟(jì)效益。
(3) 經(jīng)熱處理后，硬度達(dá)洛氏63的鋼材，仍可以應(yīng)用高速切削來(lái)做出修正。
(4) 采用適合高速切削的電腦輔助設(shè)計(jì)軟件及控制系統(tǒng)，可使高速切削更加流暢和順滑。
(5) 使用通過(guò)動(dòng)平衡修正的刀具夾頭 (HSK類(lèi)型) 及整體性硬質(zhì)合金刀具，有助減低對(duì)主軸及刃具所造成的振動(dòng)，以及保持工作面應(yīng)有的光潔程度。
(6) 采用適當(dāng)?shù)谋壤齺?lái)夾持立銑刀 （刃具在刀夾內(nèi)的最少長(zhǎng)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(xiàn)；不良的夾套，或不合適的鎖緊將使刃具產(chǎn)生翹起的現(xiàn)象；熱縮性設(shè)計(jì)的刀頭，具有較強(qiáng)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(zhǎng)度以短為佳，因撓度與長(zhǎng)度成正比；在一般加工情況下，刀具外露于夾套的長(zhǎng)度在3倍于刀具直徑或以下時(shí)，將有較佳的工作效果（請(qǐng)結(jié)合實(shí)際加工所需及參考各刀具生產(chǎn)商建議的切削指引或參數(shù)）。
(8) 銑削不同硬度的材料時(shí)，需考慮刀具的涂層。如涂有TiN 或 TiCN的硬質(zhì)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(zhì)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(zhì)材料（請(qǐng)參考各刀具生產(chǎn)商建議的切削指引或參數(shù)）。
(9) 采用快速排屑形刀具 （直徑與排屑槽長(zhǎng)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(chǎn)生不必要的熱區(qū)。
(10) 以刃具在加工時(shí)接觸到工件的有效工作直徑 （Deff） (見(jiàn)圖3)來(lái)運(yùn)算主軸的轉(zhuǎn)速，較以刃具的直徑來(lái)計(jì)算更為準(zhǔn)確。在計(jì)算出最佳轉(zhuǎn)速后，必須考慮切削時(shí)刃口與工件接觸的頻率是否與自然頻率(2000Hz)產(chǎn)生諧振，以免使刀具產(chǎn)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(jìn)刀 （ap ） (見(jiàn)圖3)，有助于減輕刀刃的負(fù)荷及刀具的變形量，而且仍能保持效率；每次ap的進(jìn)刀量，應(yīng)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(qǐng)參考各刃具生產(chǎn)商建議的切削指引或參數(shù)），同時(shí)也需對(duì)被加工材料的硬度及加工所需的精度做出適量的調(diào)整。
圖3 高速切削刀具示意圖
(12) 徑向進(jìn)給量 （ae） (見(jiàn)圖3)影響著工件表面的圓滑情況，ae應(yīng)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(qǐng)參考各刀具生產(chǎn)商建議的切削指引或參數(shù)），同時(shí)也需對(duì)被加工材料的硬度及加工所需的精度做出適量的調(diào)整。
(13) 進(jìn)給將影響著刀具的壽命及工件表面的光潔度。每刃的進(jìn)給量應(yīng)盡可能控制在0.2~0.02mm 范圍以內(nèi)，同時(shí)被切削材料的硬度、刃具的涂層及長(zhǎng)度也需考慮 （請(qǐng)參考各刃具生產(chǎn)商建議的切削指引或參數(shù)）。
(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(tǒng)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?yàn)楦唣ざ壤鋮s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(duì)進(jìn)行中的切削造成阻礙。
(15) 若電腦輔助制造系統(tǒng)內(nèi)具有高速的切削模擬功能，可有助于減少在高速切削時(shí)發(fā)生不必要的錯(cuò)誤。
(16) 用戶雖已意識(shí)到加工前對(duì)主軸進(jìn)行預(yù)熱的重要性，卻往往忽略了加工后對(duì)主軸進(jìn)行降溫的重要性。雖然一般的高速運(yùn)轉(zhuǎn)主軸已配置冷卻的裝置，用以保持或降低主軸在工作時(shí)所產(chǎn)生的溫度(以主軸的內(nèi)部為主)，但經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的工作后，主軸外圍及周邊的溫度會(huì)顯著升高。主軸內(nèi)外的這種溫差，會(huì)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(jié)而導(dǎo)致在無(wú)保護(hù)或運(yùn)動(dòng)較少的部件表面上產(chǎn)生銹蝕，進(jìn)而影響機(jī)床的運(yùn)作。因此建議，在加工完結(jié)后，將主軸移放到安全位置，以中速及低速各空運(yùn)轉(zhuǎn)10來(lái)分鐘，以減少溫度的差異，從而減少上述情況的發(fā)生。
高速切削對(duì)工具機(jī)與資料傳送的要求
高速切削對(duì)工具機(jī)與資料傳送的要求包括：
(1) 高剛性機(jī)座并須具有吸納振動(dòng)能力；
(2) 主軸轉(zhuǎn)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(jìn)給速度：20~40m/min；
(5) 快速移動(dòng)：約40m/min；
(6) 座標(biāo)加速或減速能力：約1g；
(7) 指令句處理時(shí)間：1~20ms；
(8) 以太網(wǎng)資料傳送速度：250Kbits/s；
(9) 增量值 (線性)：5~2μm；
(10) 通過(guò)NURBS來(lái)執(zhí)行圓弧插補(bǔ)；
(11) 主軸內(nèi)應(yīng)耐高溫及具有高穩(wěn)定性，主軸軸承應(yīng)有適當(dāng)?shù)念A(yù)壓及冷卻；
(12) 多元性的誤差補(bǔ)償：包括溫度 （由工作間、機(jī)床部件運(yùn)動(dòng)時(shí)的相互摩擦造成）補(bǔ)償，滾珠絲桿補(bǔ)償?shù)龋?br/>
(13) 貫通主軸的吹風(fēng)或高壓冷卻液傳送系統(tǒng)（次要需求）；
(14) 數(shù)控系統(tǒng)需配先進(jìn)的工作預(yù)檢功能（次要需求）。
切削計(jì)算實(shí)例
(1) 如圖3所示，假設(shè)2刃球形立銑刀直徑 Dc = 8mm，則半徑 c = 4mm。軸向進(jìn)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(shè)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(shè)球形立銑刀每刃的進(jìn)給量Fz = 0.05mm ， 刃數(shù) Z = 2，故機(jī)床的進(jìn)給速度 Vf = （N × Fz × Z） / 1000= （18 500 × 0.05 × 2） / 1000 = 1.85m/min；
(4) 假設(shè)徑向進(jìn)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(guān)于力豐精密機(jī)床有限公司
力豐精密機(jī)床有限公司為力豐（集團(tuán)）有限公司全資附屬公司。該公司在中國(guó)和香港是著名的金屬切削機(jī)械和相關(guān)附件供應(yīng)商，在廣東省擁有完善及經(jīng)驗(yàn)豐富的銷(xiāo)售和維修網(wǎng)絡(luò)。力豐與國(guó)際知名的機(jī)床及數(shù)控系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)廠家——日本大隈株式會(huì)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(shù)控車(chē)床，至今共售出1 000多臺(tái)OKUMA機(jī)床。
