应用现代切削技术的高效铣削IndustrySourcing.docx
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应用现代切削技术的高效铣削IndustrySourcing
应用现代切削技术的高效铣削
尚亚国际贸易公司章宗城
近年来一个制造经济的成本模型揭示了应用好的刀具与降低成本之间的内在联系。
这个模型把零件的制造成本分为加工费用（机床使用费用包括动力，润滑油等费用，工人工资等），所消耗的刀具费用，管理费用（和加工有关的间接费用）。
其中加工费用高达70﹪，管理费用占25﹪左右，刀具费用只占3～4﹪。
根据这个成本比例可以知道，假如购买便宜了30﹪费用的刀具，总零件生产成本约只减少1﹪左右，减少认为只是消耗品的刀具费用，采用较差的刀具，结果不得不降低切削用量，甚至可能增加停机时间，使效率下降，加工和管理费用提高，有可能反使总的成本提高很多。
反过来如购切实能充分利用现代切削技术，提高切削效率的好刀，设能提高切削速度20﹪，可使加工费用减少10﹪以上，降低成本约15﹪。
因此这应是提高生产效率降低成本最简便的措施和途径。
当前提高切削加工生产效率的先进方法主要有；高速切削，高效切削（除可包括高速切削外，还同时包括高的进给速度，单位时间切除金属体积多的加工与复合加工，多功能切削等）以及干切削，硬切削等。
这些不仅是提高效率，减少工序和降低成本问题，且广义还包括可能降低投资费用，绿色加工和环境保护等问题。
而这一切都和直接参与切削刀具的品质有关。
小小的刀具如何堪此重任呢？
如何能在高速度，大进给，高硬材，无冷却润滑，少冷却润滑条件下，忍受高温，高负荷，长时间（寿命长）工作，实现高效高生产率加工呢？
一般说来，这必须依靠刀具具有现实要求越来越高的材料和涂层，先进的结构和几何形状还要运用先进的切削技术，这三方面若能结合在一起，同时提高则可能取得更加满意的成果。
上述前两项很早就在不断发展，其内容非常丰富，为此论述发表的文章非常多，后者与近来计算机技术机床数控技术的发展，机床功能的增多与提高密切相关。
本文凝就立铣刀依靠机床功能提高，同时配合使用改进的刀具材料涂层与结构，以新的先进切削技术，实现高效加工方面的两种新方法作一些说明分析。
高效加工特征是①增加单位时间切除切屑量②减少工序数③刀具寿命长，可以连续长期加工。
从而致使总的成本下降。
在立铣刀方面，高效加工有两个方向；
第一个方向；立铣刀加工侧平面，选小的切深即侧吃刀量ae（对立铣刀而言是沿其径向的吃刀深度）大的每分钟进给量F—这适用于整体硬质合金立铣刀的加工（图1）。
图1铣削的侧面加工
每刃齿的进给量fz可选得不大，但转速n（rpm）应选得很高，因F=n×fz×z（刃齿数），而形成每分钟很大的进给量fm，很大的金属切除量，生产效率就很高，也可知刃齿数选得多也是很有利的。
选小的切深，还有可能将它应用在淬硬钢和难加工材料的切削上。
以后将介绍的两种先进立铣方法，也是在这个第一方向基础上形成的。
第二个方向适用于直径较粗的装可转位刀片的立铣刀加工，这在最后说明。
为了验证第一个方向的可行性，三菱公司做了一系列基础性的试验；
基础试验；⑴用直径为Ф10的四种立铣刀；①高速钢2刃无涂层2MS型，以n=600rpm,fz=0.067㎜.②高速钢带VIOLET涂层涂以（AlTi）N的2刃VA-2MS型，以n=1400rpm,fz=0.068㎜③整体硬质合金2刃带涂层（AiTiSi）N的VC-2MS型，以n=3100rpm,fz=0.063㎜.④整体硬质合金6刃带涂层（AlTiSi）N的VC-MD型，以n=9500rpm,fz=0.065㎜，四种立铣刀均侧面铣削S50号钢。
前两种在普通机床上试验，后两种在高速机床上作。
其径向切深ae均为2㎜，轴向切深ap均为15㎜。
以上试验条件可知，尽管每刃齿进给量fz大致相同，但四种立铣刀转速不同，齿数有异，每分钟进给量不同，每分钟的金属切除量就不相同。
上述四种型号的每分钟切除量单位是（cc/min）。
其值分别为①2.4②5.7③11.7④27.8。
可知刀具材料，涂层，结构改善后时，能应用高速机床，多齿刀具，以实现高转速，每分钟大进给可使生产效率提高10倍多。
⑵切削力实验及其结果；表明在上条件下，虽立铣刀转速提高，刀具对工件材料剪切角度变化，切屑变薄，切削力下降，这也是有利的。
⑶进一步提高转速试验；第四种的6刃VC-MD由上试验可知转速最高效率最高。
若再以更高的转速25000rpm,每刃齿的进给量仍保持0.067㎜，径向切深则再减到1㎜和0.5㎜，轴向切深不变。
加工模具钢HPM1（HRc40）。
径向切深ae虽减少到1㎜和0.5㎜，但由于转速大增，每分钟的切除量可分别增加到150cc/min和75cc/min.径向切深为0.5㎜时，虽每分钟切除量比径向切深为1㎜的少，但观测刀具的磨损量很少，可继续使用，持续加工了共170m才磨损，总切除量1275cc。
而径向切深为1㎜的加工了55m就磨损，共切除825cc。
故知取小的每刃齿进给量和径向切深，在加工淬硬材料时，立铣刀的寿命长，工作时间长，减少了停机重磨时间和管理费用，降低了总成本，能更好满足硬切削的要求。
⑷刀具材料的比较试验；无途层的高速钢硬度不足HV1000，高速钢的VIOLET涂层（Al，Ti）N是很优异的涂层，硬度达到HV2800。
切削速度与转速提高，切削温度也高，必须采用更耐高温，红硬性更高的刀具材料与涂层。
试验较好和最好的VC-2MS和VC-MD采用了超细硬质合金基体和加上运用Miracal技术代号为VC的涂层，这种涂层氧化开始温度从一般涂层的600°上升到840°。
硬度上升到3200Hv。
四种立铣刀每刃齿的进给量大致一样，6刃齿的VC-MD比其它2刃齿的齿数多3倍，转速比其它3种加快几倍甚至数十倍，由上试验知切削力下降，故单位时间每刃齿的负荷不高。
VC-MD型具有较好的材料和涂层，几何结构合理多齿，且具有45°大螺旋角刀刃，大螺旋角刀刃参与切削长度长，切削平稳加工质量高。
故以上是VC-MD型立铣刀胜出的原因。
三菱目前已继代号我VC的涂层后，又进一步开发了代号为VF的涂层，其氧化开始温度达到1300°，硬度达到3700HV，与基体结合力也更高，摩擦系数更低。
预计使用它将达到更好效果。
⑸侧面铣削径向接触弧度大小的比较试验和分析；立铣刀铣侧面（图2），此时接触的立铣刀外圆弧是径向切深ae的一段,其高度是轴向切深ap。
每刃齿每转切除金属面积为V=ap×ae,可能同样的面积由不同的V=ap1×ae1=ap2×ae2构成。
试验结果是ae小的，接触圆弧短，排屑容易，切削温度低。
这个较低温度叠加到由高转速产生的高温，使总体高温受到限制，故可少用或不用冷却润滑液。
或用压缩空气风冷。
图2相同切屑面积不同切深分配
根据以上基础实验与分析可知立铣刀①采取小段圆弧侧面切削，即小径向切深ae②采用高转速③使用优质材料涂层，先进结构刀具证明是可实现高效加工一种方向。
将这种方向和方法再结合机床现代功能。
把它用到；槽加工，圆弧加工，孔加工方面从而开创了两种新方法；
㈠余摆线加工法
余摆线（Trochoid）亦称次摆线，延长外摆线。
即动圆沿一定直线作无滑动的滚动时，动圆外或动圆内一点的轨迹。
又可称长（短）幅旋轮线。
余摆线加工是用直径比槽宽小的立铣刀用侧面进行圆弧铣削的方法加工槽，型腔等。
故其特征是①将通常的立铣刀一半圆周弧长进行的槽加工变为小部分圆弧进行的侧面加工。
②一般选立铣刀直径为槽宽的60～80﹪左右（图3）
图3普通铣槽和余摆线法加工槽
。
理论上一把立铣刀可加工比它任意宽的槽。
这种方法的优点是；
⑴改善了硬质合金立铣刀的切削条件，发热少，振动减少，可高速切削，排屑方便，刀具寿命可延长很多。
⑵立铣刀切入和贯通后的切出时不需减速，提高了加工效率。
⑶切削轻快，刀具损伤折断率大为减少，可实行夜间操作无人操作。
⑷对不锈钢，耐热钢等难加工材料的切削亦能胜任。
⑸若能使用优质刀具材料，涂层与结构的立铣刀。
譬如上例三菱的VC-MD型等，因耐高温，其切削深度又小，可加工HRc55-65的高硬度工件。
实现硬切削。
（6）粗精加工可用一把刀具，简化节省了相关时间和费用。
。
其缺点是；
⑴加工前需编程。
⑵必须使用高速机床，使用普通低速机床，效率可能比直接铣槽还要低。
⑶切削长度加长了，使用高速钢刀具不行。
加工事例1。
在铬钼钢SCM315上切宽10㎜深12㎜槽。
均用三菱的先进MIRACLE技术的涂层VC，超微粒硬质合金立铣刀，但型号不同各一把。
一是中等长度4刃，Ф8,牌号VC-4MC。
一是中等长度，6刃Ф6具有大螺旋螺旋角，牌号VC-6MH.两者均用新的余摆线方法切槽。
因为材料相同故切削速度亦相同均为75m/min.但直径不同，故Ф8的转速为3000rpm,Ф6的转速因较细，故为4000rpm。
两者的每刃齿进给量相同均为0.027㎜，因Ф6的转速快，刃齿数多。
它的每分钟进给量F按上公式计算为650㎜/分，Ф8的仅为324㎜/分。
Ф6生产效率高2倍多。
二者寿命，虽Ф6转数高，但切削时，接触工作圆弧较短，发热少，磨损与寿命大致相当，而Ф6的单价较低，因此可知余摆线加工法时，合理选择直径较细，选转速高的，效率又高又经济。
上例是都用余摆线加工法，所选两种刀都提高了效率，但指明了更优化的途径。
下例则是新法与老法的比较。
加工事例2。
在淬火模具钢SKD61（HRC50）铣宽10㎜，深10㎜槽。
还是用两把材料涂层相同，但直径不同，加工方法不同的立铣刀作比较。
用余摆线法的是Ф6的VC-MD，用老铣槽法的是Ф10的VC-MD。
二者的刃数均为6。
由于是加工高硬的淬硬钢，用老法的参与切削的刀刃圆弧长（1/2周长），切削温度高，为此不得不减低切削速度用30M/min，转速为960rpm，进给速度计算为200mm/min，轴向切深为1㎜，切10次完成加工。
新方法因刀具工作弧度小，发热少，切削力小，故选用V=150M/min高速切削，每分钟转速达8000rpm，在这样的高转速下每分钟的进给量高达2900mm/min，且轴向切深ap一次达到10㎜，径向切深ae取得很小为0.3㎜。
新法的效率比老法高4倍。
图3切削角槽宽加工余量表示和相互关系
三菱公司的技术人员还研究了余摆线法加工时，图3所示图示的槽宽t最大切削角Θ和此时的相关切削深度X，按此推算出合理的加工余量值a，可供参考使用。
余量a的推荐值㎜
槽宽
直径
8
10
12
14
16
18
20
6
0.15-0.2
0.25-0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
8
0.15-0.25
0.3-0.4
0.35-0.4
0.4
0.4
0.4
10
0.16-0.25
0.3-0.45
0.4=0.5
0.45-0.5
0.5
12
0.15-0.25
0.3-0.45
0.4-0.5
0.5
㈡螺旋铣孔法
孔加工通常有在实体材料上加工出孔的钻孔，在原有孔基础上将孔扩大的扩孔，镗孔，进一步提高孔精度，光洁度的铰孔，精镗孔，磨孔。
以往铣孔这一词是很少到过的。
切削技术发展至当今，用铣刀作螺旋运动进给（公转）本身又自转的办法高效加工孔的方法已经实现。
本质上它和余摆线加工一样，是立铣刀用其小部分圆周对工件进行高速小切深的圆弧切削。
余摆线加工用于铣槽，它用于铣孔。
两法都在高效加工和加工难加工材料方面更发挥了独到的优势（图4）
过去钻孔主要用麻花钻（TwistDrill）,其明显的特点是具有两条用以容屑排屑的螺旋槽，两槽间的距离构成钻芯，钻芯在钻头前端构成横刃，横刃处于钻头中心，具有很大的负前角，该处切削速度又为零。
根本不能切削，全靠机床轴向向下的推力将中心这部分材料挤溃才加工出孔来，强度较小的材料还可以，强韧的难加工材料淬硬材料就
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