浅谈高速铣削加工的刀具选择

湖南省怀化职业技术学院 聂笃伟

Abstract: High Speed Milling is an advanced production technology with a great future potential. The development status of tool systems used in the high-speed machining, including tool shanks, fasten techniques, tool materials, dynamic balance and safety requirement is introduced. There are many opinions to how to select the tools being used.

Key word: High Speed Milling, tool materials, selects the tools

一、高速铣加工的发展、
高速铣（HIGH SPEED MILLING）是近年来发展起来的一种先进的金属切削加工技术，由于它大大提高了切削效率和加工质量，故又称之为“高性能加工”（High Performance Machining）。
90年代起，高速加工逐步在制造业中推广应用。现在，在美国和日本，大约有30%的公司已经使用高速加工，在德国，这个比例高于40%。在飞机制造业中，高速铣已经普遍用于飞机零件的加工。
一般认为高速切削的切削速度和进给率至少是普通切削的5～10倍。
在一些资料中给出了高速铣数据：
加工铝合金：切削速度1000m/min ~2500m/min
进给速度5m/min ~10m/min
加工铸铁和钢：切削速度350m/min ~1000m/min
进给速度3m/min ~ 8m/min
这就对高速加工刀具的材料、几何参数的选择、切削参数的确定提出了更高的要求。
二、高速加工对刀具的要求
刀具在高速铣中起着非常重要的作用，是高速铣的推动力之一。由于新的刀具材料，如涂层刀具、陶瓷刀具、立方氮化硼（ＣＢＮ）、聚晶金刚石等的出现，提高了刀具寿命，从而使高速铣能够广泛的应用。
现在我们来看刀具在高速铣条件下的磨损情况，在高速加工时，作用在刀具切削刃上的温度比常规情况要高的多。随着切削速度的增加，切削温度之增加。在高温下，刀具的磨损类型也起了本质的变化。在低速（常规速度）情况下刀具磨损主要是粘着磨损和研磨磨损，而在高速情况下，刀具的粘着磨损和研磨磨损有所下降，同时出现了氧化磨损和扩散磨损，但总的磨损量还是降低了。
1、高速铣对刀具材料的要求是：
⑴　耐磨。
⑵　耐热。
⑶　韧性。
⑷　可施加局部的涂层（涂料）。
常用的刀具材料有：
⑴　高速钢　ＨＳＳ。
⑵　碳化钨（无涂层和有涂层）。
⑶　金属陶瓷。
⑷　陶瓷。
⑸　金刚石和立方碳化硼。,,
其中，高速钢刀具，不论有无涂层，都不能用于高速切削。
高速加工的刀具材料必须根据工件材料和加工性质来选择。一般而言，陶瓷（AlO,SiN）、金属陶瓷及ＰＣＢＮ刀具等适用于对钢、铁等黑色金属的高速加工；ＰＣＤ和ＣＶＤ等刀具则适用于对铝、镁、铜等有色金属的高速加工。
2、高速铣对刀具性能的要求是：
⑴　旋转匀称（刀具的径向跳动小于0.015mm）。
⑵　不平衡质量要小（刀柄、刀具的加速度小于3g）。
⑶　刀具的公差带小。
⑷　高的硬度。
⑸　足够大的排屑空间。
⑹　应力集中小。
⑺　大的切削边重叠。
高速铣所用的刀具一般具有如下特征：
⑴　短的切削刃（一般刀长不大于四倍的刀具直径）。
⑵　大的刀尖角。
⑶　强的断屑能力。
⑷　优化的切削角。
3、刀具必须经过动平衡测试
在高速切削时，除了离心力以外，还要考虑刀具动平衡问题。在高速旋转时，刀具的不平衡会对主轴系统产生一个附加的径向载荷，其大小与转速成平方关系，从而对刀具的安全性和加工质量带来不利的影响，同时加剧主轴的磨损。因此，在《高速旋转铣刀的安全性要求》标准中规定，用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试。
4. 高速铣对刀柄的要求
刀柄是刀具与机床主轴间的一个标准连接设备。
常规的刀具和刀柄的配合普遍采用７：２４大锥度。在高速加工时，当锥孔外径线速度到达30m/s至40m/s时，离心力将使锥孔扩张，增大径向间隙，夹持力降低，以至切削刚性降低，引起颠振，并造成锥孔及刀柄的磨损。经过德国工业界的联合研究，研制出针对高速加工的两面约束的锥度为１：１０的短刀柄，刚性高，精度高，非常适合高速切削加工使用。这种短刀柄常用型式有HSK、KM、NC5、BBT等，均已列入国际标准。它以其端面及1:10锥度的空心锥套作双复位，利用空心锥柄使刀柄锥部及端面同时与主轴保持面接触，通过拉杆，使刀柄与主轴紧密固定，获得良好的轴向与径向的定位精度和重复精度，以及良好的动态与静态刚性，适合进行高速切削。此两面约束型的中空短刀柄已逐渐成为高速主轴的标准配套要求，足以适应高速加工时严格的加工条件。
三、高速加工刀具的选用
在模具行业，高速加工技术中适合的粗加工和精加工最大的、比较经济实惠的工件尺寸为400mm×400mm×150mm(长、宽、高)。最大尺寸与高速加工中相对较低的材料去除率有关。当然，也与机床的动态性能以及尺寸有关。在成套(单次装夹)加工中，大多数模具其尺寸都非常小，远远小于上述尺寸。典型工序有粗加工、半精加工、精加工以及许多情况下还要涉及超精加工。始终应该进行拐角和半径的剩余铣削加工，以便为后面的工序和刀具创立恒定切屑去除率的可能性。在许多情况下，一般采用3～4种刀具。常用的刀具直径范围为l～2mm。在80%～90%的情况下切削材料为整体硬质合金立铣刀或球头立铣刀，通常采用具有较大拐角半径的立铣刀。整体硬质合金刀具具有加强的切削刃和中性或负倾角(主要用于加工54HRC以上的材料)。一种典型而重要的结构特征是采用较厚的核心，以保证刀具最大的粘接韧性。
另外，还最好采用切削刃接触长度较短的球头立铣刀。另一种重要的结构特征是掏槽能力，这种能力对于在沿陡峭而具有较小的间隙之壁部进行加工时是必需的。还可以来用尺寸较小的、具有可转位刀片的切削刀具。特别是对粗加工和半精加工，情况尤其如此：这些刀具应该具有最大的刀柄稳定性和弯曲韧性。采用锥度刀柄可以提高刚度。此外，采用用重金属做成的刀柄也可以收到这种效果。
模具的型腔最好比较浅，并且不要太复杂。某些几何形状也比较适合具有高生产率的高速加工。将特形铣刀具路径与顺铣结合的可能性越大，获得的加工结果就越好。
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(αe／αp)。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αe／αp，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。
切削数据 典型的整体硬质合金立铣刀(采用TiC，N或TiAlN涂层)切削淬硬钢材:48～58HRC的切削数据为：粗加工：Vc＝100m／min,αp＝刀具直径的6%～8%，αe＝刀具直径的35%～40%，z＝0.05～0.1mm／齿。半精加工：Ｖc＝150～200m／mm，αp＝刀具直径的3%～4%，αe＝刀具直径的20%～40%，．z＝0.05～0.15mm／齿。精加工：Ｖc＝200～250m/min，αp＝0.1～0.2mm，αe＝0.1～0.2mm，z＝0.02～0.2mm／齿。