王伟

（日照市技师学院 山东日照 276800）

高速铣削加工的关键技术

王伟

（日照市技师学院 山东日照 276800）

高速切削在现代制造业中应用及其应具备的高速切削机床、高速切削刀具和工艺

数控 高速铣削 现代制造业 应用

数控高速切削制造技术促进了机械冷加工制造业的飞速发展，革新了产品设计概念，如通过采用整体件加工取代零部件的分项制造装配，提高了加工效率和产品质量，缩短了产品制造周期。高速切削加速了汽车、模具、航空、航天、光学、精密机械等产品的更新换代，加速了制造技术与装备的升级，推动了企业技术进步。

一般情况下，高速切削其切削速度比常规速度高出5～10倍，其材料的去除率是常规切削的3～5倍以上。对于铝合金铣削可达到1100m/min以上，铸铁可到700m/min，钢材可到380m/min以上，钻削200～1200m/min，磨削150～360m/min。高速加工（HSM）通常指的是在合理的速度和较高的表面进给速度下进行的立铣加工。

一、实施高速铣削的必要技术条件

高速机床、高速刀具、高速切削工艺及其相应的软件等是实现高速切削的前提和重要条件，在高速切削加工中对高速机床的性能、刀具材料和工艺的选择都是有严格的要求。

1.高速切削机床

为了实现高速切削加工，一般采用高柔性的高速数控机床、加工中心，也有采用高速铣床和钻床等。这些机床都具有高稳性的机床支撑部件、高速主轴系统、高的主轴刚度特性、高精度定位功能和高精度插补功能、特别是圆弧高精度插补功能、高精度快速进给系统、高效的冷却系统、高性能CNC控制系统、高精度、高速度的传感检测技术（包括位置检测、刀具状态检测、工件状态检测和机床工况监测等技术）。

2.高速铣削刀具

高速切削刀具与普通加工刀具的材料有很大不同。高速切削刀具应具有良好的机械性能和热稳定性，即具有良好的耐磨损、抗冲击和抗热疲劳的特性。其采用的刀具材料主要是硬质合金，并且普通采用刀具涂层技术，涂层材料为氮化钛（TiN）、氮化铝钛（TiALN）等。涂层技术由单一涂层发展为多层、多种涂层材料的涂层。这一技术已成为提高高速切削能力的关键技术之一。针对加工的工件材料的不同还可采用聚晶金刚石（PCD）、聚晶立方氮化硼（PCBN）和陶瓷等刀具材料。

由于高速铣削对刀具刀柄要求较高，在购置高速刀具时尽量购置经过动平衡测试的刀具，常用的硬质合金、涂层硬质合金、金属陶瓷、立方氮化硼（PCBN），聚晶金刚石（PCD）在经过长时间磨损后，可应用于普通数控机床进行加工。另外一个方面由于高速切削的安全性，在进行工件加工时一定要注意加工防护，如40mm直径刀具，主轴转速达到30000r/min，其射出的速度可达到63m/s的速度，接近于230km/h的汽车速度，切削过程中如出现断刀摔出，势必有较大的冲击动量。同时对没有把握的刀具刀柄一定要经过高速动平衡仪测试出真实数据，方可进行产品加工。

高速切削钢材时，刀具材料应选用热硬性和疲劳强度高的P类硬质合金、涂层硬质合金、立方氮化硼（CBN）与CBN复合刀具材料（WBN）等。切削铸铁，应选用细晶粒的K类硬质合金进行粗加工，选用复合氮化硅陶瓷或聚晶立方氮化硼（PCNB）复合刀具进行精加工。精密加工有色金属或非金属材料时，应选用聚晶金刚石PCD或CVD金刚石涂层刀具。高速铣削时应针对相应的材料选择合适的刀柄和刀具材料，铝合金高速铣削时可优先选用采用镶刀片的整体刀柄。

3.高速铣削工艺

合理的切削工艺也是进行高速切削加工的关键。切削参数和切削方法选择不当，会使刀具加剧磨损，完全达不到高速切削的目的。实践证明，如果只有高速机床和刀具而没有合理的工艺技术作向导，昂贵的高速切削加工设备也不能充分发挥作用。高速切削工艺的关键技术是优化选择切削参数和切削方法。

在采用高速加工方式对淬硬工具钢进行精加工或超精加工时，要遵循的主要参数是切痕要较浅。切深不得超出0.2/0.2mm（ae/ap）。这样做是为了避免过高的夹具和切削刀具变形，并保证在模具加工中较高的公差水准和几何精度。每把刀具均匀分布的切屑去除率还可以保证恒定而比较高的生产率。当ae/ap恒定时，切削速度和进给速度将处于恒定的比较高的水准。优点是在切削刃上将存在较小的机械变化和工作负荷，还可以提高刀具寿命。

二、高速铣削在现代制造业中的应用

我们根据所罗门原理进行高速切削实验，把实验所得的相关工艺参数应用到现代制造业中去，缩短了制造周期，降低成本，提高竞争能力。现把从实践生产中获得的资料加以归纳终结如下。

1.高速切削时的切削力小

利用力的传感器测得高速切削时的切削力小，有较好的稳定性，可高质量地加工出薄壁零件，有利于加工工件中的薄壁形状。采用分层顺铣的加工方法，可高速切削出薄壁厚0.8mm，壁高20mm的薄壁筋板。此时，刀刃和工件的接融时间非常短，避免了侧壁的变形。

2.高速切削时刀具和工件处于低温度状态

在这状态下延长了刀具的寿命，提高了工件精度和加工效率。因为高速切削加工是浅切削，同时进给速度很快，刀刃和工件的接触长度和接触时间非常短，减少了刀刃和工件的热向导，避免了传统加工时在刀具和工件接触处产生大量热的缺点，保证刀具在温度不高的条件下工作，延长了刀具的使用寿命。

3.高速铣削减少振动，提高加工精度和表面质量

高速机床具备了高刚性和高精度等性能，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小，由于切削力低，工件热变形减少，刀具变形小，提高了高速切削的加工精度。切削深度较小，而进给速度较快，加工表面粗糙度值很小，切削铝合金时可达Ra0.4-0.6，切削钢件时可达Ra0.2-0.4。

4.生产率高，可实现“一次清”加工

高速铣削中主轴转速和进给速度高，可提高材料去除率。同时，高速切削可加工淬硬钢，刚硬度可达62HRC左右。许多零件一次装夹可完成粗、半精和精加工等全部工序，对复杂型面加工可以直接达到零件表面质量要求，因此，高速切削工艺往往可省去电火花加工、手工修磨等工序，缩短工艺路线，提高工件的质量，降低生产成本和制造周期，大大提高加工生产率。

高速铣削在现代工件制造中的应用可简化工序、提高质量和刀具寿命、提高效率。同时机床和刀具投资以及维护等费用有所增加，因此高速切削要与相应的工艺技术紧密结合起来，才能可靠地实现高效率、高精度，使综合经济效益显著提高。

［1］徐长寿，现代摸具制造［M］.北京：化学工业出版社，2007.

［2］刘航.模具制造技术［M］.西安：西安电子科技大学出版社.2006.

［3］甄瑞麟.模具制造工艺学［M］.北京：清华大学出版社.2005.