[转载]高速铣削技术的发展(2)

joyrus

对铣刀的要求
　　当提供了具有高速切削能力的机床以后，关键问题就转移到刀具上。

　　高速铣削对铣刀的要求是平衡、材料先进（CBN、PCD）、圆度差最小、安全、易排屑、多用途，而且它们的几何形状大多也很复杂。


    首先对刀具的要求是平衡稳定，因此必须用对称夹钳、热夹钳和收缩夹钳来固定刀片。现在已经有许多靠摩擦或回弹的自夹紧装置。在设计夹紧装置时一定要考虑刀片上施加的力，曾有试验表明一定直径的端铣刀速度达到足够高时，固定刀片的螺钉会被剪断。因此，对一给定的刀具直径，允许的最大切削速度是通过试验得出的经验确定的，以确保生产中使用安全。

　　在选择刀具材料时，刀具的基体材料应尽量使用热变形抗力强的材料，这是由于金属切削过程会对刀具产生热振动，尤其是系统使用一种冷却液或在切削时有干扰。建议使用细晶材料，晶粒尺寸在1~2μｍ。在超高速加工时将使用强度更高的钛合金作为刀体材料。此外涂层对加工速度影响也很大，在高温时，金属切屑与刀具材料之间的化学反应造成机械装置磨损，由于氧化铝（Al2O3）具有抗化学反应的能力，隔热性也比TiC和TiN好且能保持硬度不变，因而常作为涂层材料。另外高温和高速也促使人们使用更先进的PVD涂层材料，尤其是TiAlN材料，其在固态溶解下变硬的性能，使其不仅能保持一定的硬度，同时抗氧化能力也比TiC和TiN更强。在铝合金加工中也可使用金刚石涂层，因为加工铝合金时温度不可能升到600℃以上，铝合金最适合于进行高速加工，因为其硬度小，金属不会产生更多热量，因此这种化学性质不稳定的材料与PCD涂层效果一样。目前国外开发了一种复合材料氧化涂层，它是氧化铝/氧化锆。锆比Al2O3具有更低的热传导性，因而更能保护基体材料。另外，使用多层的PVC和CVD涂层也会产生更加光滑的表面。

　　刀具直径、刀片选择、导角和间距在面铣过程中都是要考虑的重要因素。高速加工的刀具设计相当难，因为材料、刃口设计、夹紧装置设计以及机床上的刀夹都要选择正确且配套。刀具的设计直接影响到切削速度，如在80~160mm直径范围内的切削速度曲线的陡坡是由刀架确定的，即当直径是160mm时，刀体的强度是关键因素，刀架即直径在160~500mm之间时，刀体将首先断裂。为了使得精密高速加工安全可靠，刀具设计已经涉及许多技术领域。此外，设计刀具多用途，能够用一把多用途刀具同时完成几项作业，也是提高加工速度的一种方法。

　　此外，进给速度和角度也直接影响刀具的寿命和表面加工质量。刀具的切削量与进给速度成正比例，并与切削速度成反比。如果按比例增加切削速度和进给量，则每齿的进给量要保持不变。对于面铣来说，进给速度必须很高，才能使每次进刀足以深入工件保证切割质量，否则刀片将刮伤工件，产生的热能使材料硬化并缩短刀具寿命。经验表明，最小的进给速度是每刀齿0.004in。如果选择带导角的面铣，进给速度则要求更高，这取决于所使用的角度。通过采用适当的轴向和径向倾斜角的面铣，将能够延长刀具使用寿命，增加刀具的有效性并达到最大的金属去除率。

　　另外，高速加工的安全性也是要考虑的重要内容。在高速加工时，刀具承受复杂的静态和动态载荷，一般来说任何旋转刀具的离心力都是主要的负载和应力因素。在切削过程中旋转能量释放量高会造成刀具和机床的结构损伤，因此必须满足适当的设计结构和尺寸。为此，国外已经进行了计算方法、试验方法和设计准则方面的研究。另外，平衡不仅影响到安全，还与精密度有关。刀具的平衡还与刀具的寿命、几何形状及零件光洁度有关。短且小的刀具只需要静平衡，悬臂长的刀具需要动平衡。在任何高速加工情况下，机床主轴、刀架和刀具都作为整个系统进行平衡。

　　从理论上讲，在一般加工时产生的载荷同样作用到高速加工的刀具上，但是在高速加工时这些工作参数将增加5~10倍。刀体和切削元件连接处的承载情况是：静载荷是恒定运行速度下的离心力，动载荷是由于加速和减速离心力发生变化及脉动切削力产生的。其导致的结果都是刀体断裂和损坏（分为两种：一种是刀体的刷损；另一种是切削元件接头，即可转换的刀片或夹头的损坏）。

　　因此，必须采用适当的措施来改进刀具设计。例如刀尖钎焊到刀架上，以避免在高速旋转时由于离心力的作用有螺钉飞出的可能。通过试验的方法可确定损伤极限，刷损试验可以用来确定旋转速度极限，并且可以确定是由于哪一种破坏造成的。有关的试验还有永久性变形和错位的静态测量试验和动态位移测量试验。另外还要考虑疲劳问题。

工夹
　　高速加工时主轴是否能很好的工作由三个因素决定：功率、转速和工夹。如果能够使用最适合的工夹，就可能达到良好的高速切削性能。对于工夹的要求是：最少的托板，高压、高扭距，重复精度高、操作容易、标准化、安全、长度短、加压均匀，以便达到刀具转换和零件处理时间最少。另外的要求是工夹越小越好。

　　目前国外多使用1993年在欧洲机床展览会上展出的德国专利生产的空心轴锥形工夹（HSK），锥度的大小有标准可查，有六个级别：AT-5，AT-4，AT-3，AT-2，AT-1，AT-0。随着数字的加大配合越紧，根据加工速度和精密度的不同选择不同的锥度。随着它应用领域的不断扩大，已经有所改进。

　　由于作了如图3的改进工作，使得目前的HSK工夹具有以下优点：

　　●　刚度高：由于在主轴与工夹法兰之间是面接触，因而其刚度是不完全接触的5~7倍。
　　●　可靠性高：主轴和法兰面之间完全接触保证最大轴向位置的准确度。HSK小锥度的面接触保证锥度径向跳动最小。
    ●　良好的扭距传送能力：HSK的锥度一旦夹紧将完全与主轴接触。这样增加了扭距传送能力。
　　●　最适合于高速加工

　　高速引起主轴膨胀，因此非面接触的HSK工夹会与主轴出现相对运动，而HSK的面接触避免了这个问题。并且离心力对夹紧装置施加压力顶住外表面，从而防止了张力的增加。

　　美国标准技术委员会正对HSK结构进行大量的改进研究，以增加其平衡性和可互换性，并制定相应的规则。

　　另外，国外利用形状记忆合金（镍钛合金）制造的工夹系统，通过对形状记忆合金进行编程可产生变化的压力和移动，这种微小记忆合金或者说可编程的金属夹紧装置可提供的夹紧力达2.2~3.3kN，将在航空领域大有前途。

结束语
　　高速铣削就是以快速进给速度进行切屑量小、但金属去除率比深度铣削效率高，从而延长刀具使用寿命，减少非加工时间的一种高效铣削方法，它的应用特别适合现代生产快速反应的特点，对于当今快速变化且竞争激烈的市场环境下，这种高效率、低成本的技术无疑是致胜的法宝之一。