高速銑削加工應(yīng)用及技術(shù)研究

張 佳

（中國電子科技集團(tuán)公司第十二研究所， 北京 100015）

引言

高速銑削是材料加工領(lǐng)域的重要技術(shù)形式，生產(chǎn)期間應(yīng)用超硬材料刀具，以較快的速度對(duì)材料作切削處理，從而得到合適尺寸、合適形態(tài)的優(yōu)質(zhì)加工產(chǎn)品。較之于傳統(tǒng)銑削加工，高速銑削的精度、效率均更高，是零件銑削加工領(lǐng)域的前沿技術(shù)。高速銑削是材料切削加工的重要技術(shù)形式，常被應(yīng)用于汽車、航空等領(lǐng)域的零部件加工中，合理應(yīng)用該技術(shù)，可有效完成復(fù)雜曲面等特殊形態(tài)的加工作業(yè)[1]。簡而言之，高速銑削是一項(xiàng)優(yōu)質(zhì)的加工技術(shù)，因此需對(duì)其加強(qiáng)研究，并形成準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，從而精準(zhǔn)把握技術(shù)要點(diǎn)。

1 高速銑削加工技術(shù)概述

零件高速銑削過程包含兩個(gè)主要階段：一是粗加工，主要在于去除多余的材料，經(jīng)此環(huán)節(jié)處理后可確保精加工余量具有均勻性，為后續(xù)開展精加工作業(yè)奠定良好基礎(chǔ)；二是精加工，即針對(duì)零件表面做精細(xì)化的加工，此階段除了需滿足零件的加工要求外，還需兼具刀具耐久性、加工效率等層面的要求。

較之于常規(guī)的加工方法，高速銑削的切削溫度較低、工件的完整性較好（無明顯的變形、受損），也正是基于此特點(diǎn)，通常無須進(jìn)行半精加工作業(yè)。在粗加工期間，采用大直徑的刀具，經(jīng)過處理后，使工件局部有較大的余量，且隨著粗加工作業(yè)的持續(xù)開展，待其進(jìn)入尾聲時(shí)，輔以余量銑削法，借助小直徑的刀具對(duì)大余量拐角、凹槽等部位進(jìn)行精細(xì)處理，使銑削余量具有均勻性，以便后續(xù)高效地進(jìn)行精加工作業(yè)。

2 高速銑削刀具的選擇思路

選擇刀具時(shí)，其材料性質(zhì)、涂層類型及厚度、刀具結(jié)構(gòu)均是重點(diǎn)考慮對(duì)象，某項(xiàng)細(xì)分要素均會(huì)對(duì)銑削性能帶來影響。此外，在刀具選型時(shí)，諸如運(yùn)行穩(wěn)定性、耐久性、加工質(zhì)量及效率等也需予以充分考慮。

2.1 刀具材料的選擇

硬度、耐磨性、韌性、耐熱性、高溫力學(xué)性能等方面的性能表現(xiàn)均是刀具材料選擇中需要著重考慮的內(nèi)容[2]。不僅如此，還需緊扣被加工材料的特性、結(jié)構(gòu)尺寸、零件加工質(zhì)量要求、效率及經(jīng)濟(jì)效益要求等內(nèi)容，經(jīng)過系統(tǒng)性的分析，作出合理的選擇。

隨著技術(shù)的發(fā)展，高速銑削的刀具類型趨于多樣化，各自均有其獨(dú)特之處，需根據(jù)實(shí)際情況作合理的選擇。

現(xiàn)階段，硬質(zhì)合金材料刀具在高速銑削領(lǐng)域取得廣泛的應(yīng)用，而高速鋼刀具具有高強(qiáng)度和刃口鋒利的特點(diǎn)，得益于此優(yōu)勢，其逐步成為復(fù)雜形狀加工領(lǐng)域的重要工具。對(duì)于超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具，由于其強(qiáng)度、硬度、韌性均較為良好，在高速銑削中也取得廣泛的應(yīng)用，且尤為常見的是在鋁合金和鈦合金加工領(lǐng)域的應(yīng)用。硬質(zhì)合金涂層刀具的耐磨性能突出，也是高速銑削中刀具選材時(shí)的優(yōu)先考慮對(duì)象。立方氮化硼刀具的熱硬性和硬度性能均突出，能夠作為高硬鑄鐵、耐熱合金等材料加工時(shí)的重要刀具。此外，現(xiàn)階段聚晶金剛石刀具也有廣泛的應(yīng)用，得益于此類刀具高硬度、高耐磨性等多重優(yōu)勢，常在有色金屬及其合金的加工中見其“身影”，實(shí)際加工效果突出。

2.2 刀具結(jié)構(gòu)的選擇

刀具是高速銑削加工中的重要工具，隨著結(jié)構(gòu)和幾何參數(shù)的改變，加工出的產(chǎn)品在質(zhì)量方面存在差異，因此合理選擇刀具至關(guān)重要。由于零件的剛性差，在挑選刀具時(shí)，需要考慮其在減小銑削力、提高熱穩(wěn)定性、保證加工精度等方面的優(yōu)勢，以此來全方位保證加工質(zhì)量。在粗加工環(huán)節(jié)，為以較快的速度完成相應(yīng)的加工動(dòng)作，宜采用直徑略大的銑刀；而對(duì)于大尺寸工件的粗銑，優(yōu)先考慮的是鑲片刀具，原因在于其運(yùn)行效率高、成本很低。對(duì)于常規(guī)腹板的加工，所用刀具需具有螺旋角小、刀尖圓弧半徑大、刀具刃數(shù)少的特點(diǎn)；對(duì)于薄筋側(cè)壁的加工，較為合適的是螺旋角偏大、刃數(shù)較少的刀具；在對(duì)高硬度材料的曲面精加工時(shí)，作業(yè)難度較大，為保證加工的精細(xì)化水平，宜采用整體式的小直徑刀具。不僅如此，在滿足正常加工的前提下，還需要在許可范圍內(nèi)適度減小刀具的伸出長度，此舉目的在于避免刀具偏斜問題，使刀具在運(yùn)行過程中有足夠的穩(wěn)定性。

3 銑削參數(shù)的選擇

高速銑削時(shí)，銑削參數(shù)將在很大程度上決定銑削力和銑削熱，而不同的切削力所對(duì)應(yīng)的夾緊力也存在差異[3]，由此可見，合理設(shè)定銑削參數(shù)至關(guān)重要。因此，在進(jìn)行銑削參數(shù)選擇時(shí)，需要著重考慮的是刀具材料的性質(zhì)、機(jī)床的運(yùn)行能力、工件加工精度要求等。通過銑削參數(shù)的合理配置，從而達(dá)到高效銑削、高精度銑削的效果。

高速銑削加工過程中，較為關(guān)鍵的參數(shù)包含銑削速度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、銑削深度、銑削寬度。各項(xiàng)銑削參數(shù)并非獨(dú)立，彼此間具有某些特定的關(guān)聯(lián)，在設(shè)定參數(shù)時(shí)需作充分的考慮，例如：

式中：n 為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；v 為銑削速度，m/min；D為刀具直徑，mm。

式中：vf為進(jìn)給速度，m/min；z 為銑刀的刃數(shù)；f 為每刃進(jìn)給量，mm。

式中：η 為材料去除率，mm3/min；ap為銑削深度，mm；ae為銑削寬度，mm。

銑削參數(shù)的確定是一項(xiàng)系統(tǒng)性的工作，應(yīng)按照流程有序推進(jìn)。首先，以刀具和工件的材料特性、機(jī)床性能為主要參考點(diǎn)，設(shè)定具有可行性的銑削速度，在明確該項(xiàng)參數(shù)的具體取值后，根據(jù)式（1）展開計(jì)算，求得主軸轉(zhuǎn)速，而后結(jié)合式（2），經(jīng)過計(jì)算后確定合適的進(jìn)給速度。在循序漸進(jìn)之下，最終得到合適的高速銑削作業(yè)參數(shù)。不同銑削硬度刀具的切削速度參數(shù)如表1 所示。

根據(jù)表1 可知，隨著刀具材料的改變，其具備的切削速度有所差異，總體上呈現(xiàn)刀具硬度越高、速度越快的特點(diǎn)；從工件材料特性的角度來看，隨著硬度的增加，銑削難度有所加大，銑削速度有降低的變化趨勢。即便刀具的類型和工件的材料特性均一致，在粗加工、精加工環(huán)節(jié)的銑削速度也存在差異，相比之下精加工環(huán)節(jié)的銑削速度略高。

表1 不同銑削硬度刀具的切削速度（以洛氏硬度（HRC）為40 鋼料為例）

較之于普通銑削方法，高速銑削時(shí)參數(shù)組合狀態(tài)更加良好，例如高速銑削、中等速度進(jìn)給、大速度徑向切深，即全程具有“少切快跑”的高精度、高效率特點(diǎn)。

粗加工時(shí)，每刃進(jìn)給量較大，通?？蛇_(dá)到0.15～0.30 mm，此時(shí)切削效率較高。精加工時(shí)，適當(dāng)減小每刃的進(jìn)給量，以0.05～0.15 mm 較為合適，銑削的搭配方案為“高轉(zhuǎn)速、小切深、小直徑刀具”，此時(shí)有利于保證基床運(yùn)行的穩(wěn)定性，以免出現(xiàn)工具所受銑削力過大以及夾緊力過大的情況。

各類材料的軸向切深口不盡相同，以鋁合金、紫銅等有色金屬為例，軸向切深口通常為刀具直徑的10%～20%；對(duì)于洛氏硬度（HRC）為30 的鋼料，適當(dāng)減小軸向切深口的尺寸，取刀具直徑的7%～8%；在洛氏硬度（HRC）為40-60 的硬材料加工中，較為合適的尺寸為取刀具直徑的2%～5%。此外，徑向切深也需得到有效的控制；對(duì)于鋁合金類的輕合金材料，取銑刀直徑的50%～80%；若材料的加工性能略差，為保證材料成型效果，適當(dāng)減小徑向切深，此時(shí)取銑刀直徑的25%～40%。

在零件立銑精加工環(huán)節(jié)，允許適當(dāng)加大側(cè)壁和腹板的加工余量（相比于常規(guī)的加工工藝而言），以保證成型的零件具有足夠的剛度。對(duì)于側(cè)壁的加工，為避免變形問題，需要控制徑向銑削力，避免過大，此時(shí)宜采用“小軸向切深+大徑向切寬”的作業(yè)模式；對(duì)于腹板的加工，為避免變形問題，需避免軸向銑削力過大，此時(shí)宜采用“大軸向切深+小徑向切寬”的作業(yè)模式。

4 結(jié)語

在零件加工技術(shù)領(lǐng)域，高速銑削加工技術(shù)頗具代表性，其具有加工精度高、效率高、質(zhì)量可靠等優(yōu)勢，是主流的技術(shù)。通過具體研究分析高速銑削加工技術(shù)中的一些關(guān)鍵作業(yè)要點(diǎn)，使得高速銑削技術(shù)更好地應(yīng)用于零件加工過程中，同時(shí)希望給同仁提供一定的技術(shù)參考。