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高效切削之我见
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 瓦尔特(无锡)有限公司 杨晓点击:
提高切削效率、降低成本是金属切削技术长期追求的目标。一般地说，提高切削效率、降低成本的主要途径有以下几个方面：提高切削速度、提高进给速度和提高切削深度。
一、高速切削
从机械加工的发展历史来看，人们以往采用的通常是通过发现和改进新的切削材料来大幅度提升切削速度，从而提高切削效率，降低生产成本。切削速度的提高为机械制造业带来了巨大的技术经济效益，还反映着机械制造整体技术水平的进步。二十世纪八十年代以来，欧美刀具业经过大量的试验研究，对切削机理的认识有了新的突破，即当切削速度的提高超过某个临界值 (不同材料有不同的临界值)后，刀具的磨损并非按照泰勒曲线的规律急剧增加，反而在以后的一个区间内随切削速度的增加而有所减少，在经历一个谷底后再重新上升。虽然这一现象的理论解释尚未得到统一，但这并不妨碍我们在那个谷底附近对高速加工技术进行应用。按目前看，工业发达国家的航空，汽车、动力机械、、轴承、机床等行业首先受惠于该项新技术，使上述行业的产品质量明显提高，成本大幅度降低，获得了市场竞争优势。理论分析和实践证明，高速切削是一个系统工程。从技术的层面上，它涉及高速主轴单元、快速进给和高加(减)速度的驱动系统、高性能的快速CNC控制系统、高刚性的机床结构、数据的处理和传送、动平衡控制、超硬刀具材料和镀层工艺技术等；从管理的层面上，它涉及高速加工理念、新的管理方法等。作为系统的一部分，各个环节只有互相协调，才能发挥其应有的效益。例如，加工模具中的曲面，如果其它环节都符合了高速加工的要求，但其的数据处理只使用直线插补而不是圆弧插补或样条曲线插补来模拟工件表面的曲线，机床的进给系统总是处在不停的加减速过程中，就无法达到预定的进给速度，从而限制了切削效率的提高和生产成本的降低。同样，如果您在高速铣削中选用了普通结构的三刃立，由于其通常采用一齿过中心的结构，动平衡性能先天不足，同样也会不能达到您的预定转速，使您的加工效率无法达到预定目标。
瓦尔特是世界领先的金属加工刀具企业，在与世界各地的制造业尤其是德国汽车业的合作中积累了大量的成功经验。瓦尔特(无锡)在中国早已开始了高速加工的实践，也看到中国的高速切削正在快速的增长中，我们非常愿意与中国制造业共同分享高速切削的技术成果。作为您的系统刀具伙伴，我们认为中国的高速切削方兴未艾，发展前景十分广阔。这里，我想就刀具在高速切削中的应用提出我的一管之见。我们在高速切削中首先应充分重视刀具安全性问题。铣削是目前高速切削应用的主要工艺，铣刀是主要的高速切削刀具，包括面铣刀、立铣刀和模具铣刀。这类刀具在高速旋转时各部分都要承受很大的离心力，其作用远远超过切削力的作用，成为刀具的主要载荷，离心力过大足以导致刀体破碎。德国在九十年代初就开始了对高速铣刀安全性技术的研究，在机器制造商协会的支持下，组成了由大学研究机构刀具制造厂、研究所和用户参加的工作组，从事高速铣刀安全性技术的研究。经过近十年的工作，取得了一系列阶段性成果，制定了德国国家标准并被采纳为欧洲标准，推动了世界范围内高速切削技术的发展。瓦尔特在此过程中与工作组一起就高速铣刀的强度计算进行了研究。通过专门用于高速铣刀的有限元计算方法，分别开发了刀体、刀座、刀片、夹紧螺钉的计算模块，还能模拟刀片在刀座里的滑动、螺钉头在拧紧和工作载荷下的变形。研究计算显示，当转速达到某临界速度时，螺钉达到临界应力而出现拉伸变形。而在达到临界速度之前，螺钉首先产生弯曲，实际长度变长，夹紧力下降，造成刀片发生位移。因此，为了安全，德国标准规定刀具产品在至少超过厂家标称的最高转速60%的情况下才能发生位移，在至少超过厂家标称的最高转速100%的情况下才能发生解体或整体刀具的折断。在实际应用中，瓦尔特在其2000年的综合样本上，列出了其几乎所有的扩孔、镗孔刀具和铣刀在不同直径下的的最高转速，在使用规定的其原产刀片和原产配件的条件下是非常安全的。而在德国达姆斯塔特大学的实验中，瓦尔特标称最高转速8,000r/min的铣刀在实际转速高达36,700r/min时才发生解体，也充分说明了其刀具本身有足够的安全性。现在，欧美刀具厂商越来越多地在设计阶段就考虑对高速切削的适应性。如瓦尔特的一部分新刀具如球头铣刀F2339，刀片底面有两个空刀窝，可与刀体上的凸起相配合，对作用在夹紧螺钉上的离心力起卸载作用，使其可以采用相对较高的切削速度。而加工铝合金的面铣刀，由于其极高的切削速度，在大直径时转动惯量也会很大。因此，瓦尔特的加工铝合金的大直径铣刀采用了高强度铝合金刀体，极大地降低了转动惯量，增加了刀具的安全性。而今年瓦尔特也将推出能在尺寸调节过程中自动进行平衡适应的镗刀。
除了刀具本身的安全性，刀具夹持系统的安全性和安装后的整体动平衡性能也必须充分重视。瓦尔特推荐在高速切削中使用HSK空心短锥柄作为刀具与机床的接口，将液压式、热膨胀式作为刀柄上与刀具的接口，而将标准的圆柱柄(不带削平结构)作为刀具柄部的主要形式。在非常高的转速下，除刀具和夹持系统本身的平衡是必要的前提条件外，安装后仍需要进行整体的平衡。因此，用于加工铝合金的大尺寸铣刀必须能进行平衡调整。一般说来，高速切削条件下的盘类刀具至少应进行静平衡，而杆类刀具则必须进行动平衡。也可以仅但由于我国在引进高速机床的同时引进平衡设备的还比较少，希望能引起用户的注意。同时，我个人认为国内刀具供应商也必须加强高速刀具安全性的研究，以促进我国高速切削技术的发展。
由于高转速带来高的金属切除率，即使加工铝合金也会对机床的功率提出高要求。计算表明，用直径30mm的3齿玉米铣刀加工宽30mm、深度也为30mm的槽，如采用1,100m/min的切削速度和0.1mm/z的进给量，功率可能达到约57.6kW。因此，瓦尔特公司推荐用户采用的高速切削策略是：高的切削速度、中等的进给量和小的切削深度。对于大余量加工，建议采用分层切削。
二、高进给切削
在传统的精加工中，由于工件表面粗糙度有一定的要求，刀具的进给量较小。例如，对于车削表面粗糙度要求为Ra0.4μm的圆柱表面，当刀尖圆角为0.8mm，其进给量fz应不超过0.10mm/r。而现在刀具业已开始向用户推荐高进给的Wiper刀片。作为Wiper片，一般是按照事先安排的主偏角副切削刃上制造出一个直线形的修光刃(也有用大直径的圆弧作修光刃的)。在理论上，如果不考虑系统刚性和修光刃本身的微观缺陷，只要进给量不超过其修光刃的宽度，工件的表面粗糙度仅受工件材料晶粒大小的影响，可以是微乎其微。在实践中，瓦尔特的Wiper车刀片在上海某汽车零部件制造企业使用0.3mm/r的进给量，表面粗糙度达到了Ra0.4μm的要求，较其原有的加工效率提高3倍多。
实现高进给切削时，减少由于高进给带来的进给力增加、振动倾向加重等带来的问题，我们在刀具系统方面应该采取以下措施：
减少径向切削力(如减小主偏角，加大前角和刃倾角等)；
减小刀具悬伸，因为材料力学早已表明悬臂梁的刚性与其悬伸长度的3次方成反比；
采用高弹性模量的刀杆材料，如硬质合金的弹性模量比钢高约3倍，也就是说整体硬质合金刀杆的刚性比钢刀杆高约3倍；
加大刀杆直径，因为刀具的刚性与刀杆直径的4次方成正比，也就是说如果刀具直径增加25%，刀具刚性将增加到原来的接近250%。
三、大余量切削
在笔者看来，大余量切削虽然也是高效切削的一部分，但总体上并不能称为新技术。在国内，我们一般将大余量切削称为重切削。国际上原先只有少数几家刀具商制造使用立装刀片结构的重切削铣刀，但近年来包括瓦尔特在内的一些主要刀具商都已供应多种重切削铣刀。
笔者认为值得注意的是用于模具深腔粗加工的大余量切削铣刀。通常，我们在加工型腔时采用沿等高线切削的加工方法，即使采用爬坡法也属于斜向切削。这两种加工方法均有一定的径向切削力存在，在深腔加工中由于刀具悬伸较长，为了避免在径向切削力的周期性作用下产生振动，通常采用较低的切削用量，从而带来较低的切削效率。近年瓦尔特推出的插入式铣刀F2230，采用完全的轴向进给，从而在铣刀上几乎没有轴向切削力，切削用量和生产效率得以大幅度提高。2002年，我们在湖南一公司粗加工用30CrMnTi制造的传动轮，客户原先采用的是用国外著名刀具公司的玉米铣刀进行分层切削，由于整个粗加工时间长(耗时大约90分钟)，在加工到一半时还需要更换刀片，而粗加工该工件的刀片消耗约300元人民币。现在采用瓦尔特F2230铣刀后加工效率大幅度提高，耗时减少到51分钟，一次装夹刀片后可以加工1.5-2个工件，粗加工该工件的刀片消耗降低至约100元人民币。由于刀具费用、机床费用、换刀费用都得到减少，他们由此降低年制造费用约9.8万元人民币。
依照笔者的观点，在这三类高效切削方法中，大余量切削的发展余地可能有限。因为大的加工余量代表着低的材料利用率和相对较低的经济效益。随着精密、精密锻造等工艺的不断发展，大余量切削的场合会进一步减少。因此，我们的注意力应更多地集中在高速切削和高进给量切削上。
笔者认为高速切削是在高效加工中非常值得关注的一种。首先是我们在高速切削的领域中还有许多工件材料的临界点需要在不断的实践中被确定，其次随着材料技术尤其是纳米技术的发展，刀具材料的切削性能也会不断提升。这些刀具技术的进步必将同机床制造技术、数据处理和传输技术、切削热控制技术等相关技术形成良性互动，从而促进高效切削技术的不断发展。
同时，大进给切削切削则是现代切削技术中的新应用热点，国际上现在所说的高效切削(HPC)在狭义上就是指大进给切削。因为大进给切削的技术难点较高速切削少一些。就机床而言，它对主轴的要求与传统切削没有太大差别，而高速切削则对主轴有一系列的要求；但两者在进给系统方面相差不大，高的进给速度和进给系统加速度。对于某些材料和刀具尺寸，即使普通机床也能实现大进给的高效切削。
一、高速切削
从机械加工的发展历史来看，人们以往采用的通常是通过发现和改进新的切削材料来大幅度提升切削速度，从而提高切削效率，降低生产成本。切削速度的提高为机械制造业带来了巨大的技术经济效益，还反映着机械制造整体技术水平的进步。二十世纪八十年代以来，欧美刀具业经过大量的试验研究，对切削机理的认识有了新的突破，即当切削速度的提高超过某个临界值 (不同材料有不同的临界值)后，刀具的磨损并非按照泰勒曲线的规律急剧增加，反而在以后的一个区间内随切削速度的增加而有所减少，在经历一个谷底后再重新上升。虽然这一现象的理论解释尚未得到统一，但这并不妨碍我们在那个谷底附近对高速加工技术进行应用。按目前看，工业发达国家的航空，汽车、动力机械、、轴承、机床等行业首先受惠于该项新技术，使上述行业的产品质量明显提高，成本大幅度降低，获得了市场竞争优势。理论分析和实践证明，高速切削是一个系统工程。从技术的层面上，它涉及高速主轴单元、快速进给和高加(减)速度的驱动系统、高性能的快速CNC控制系统、高刚性的机床结构、数据的处理和传送、动平衡控制、超硬刀具材料和镀层工艺技术等；从管理的层面上，它涉及高速加工理念、新的管理方法等。作为系统的一部分，各个环节只有互相协调，才能发挥其应有的效益。例如，加工模具中的曲面，如果其它环节都符合了高速加工的要求，但其的数据处理只使用直线插补而不是圆弧插补或样条曲线插补来模拟工件表面的曲线，机床的进给系统总是处在不停的加减速过程中，就无法达到预定的进给速度，从而限制了切削效率的提高和生产成本的降低。同样，如果您在高速铣削中选用了普通结构的三刃立，由于其通常采用一齿过中心的结构，动平衡性能先天不足，同样也会不能达到您的预定转速，使您的加工效率无法达到预定目标。
瓦尔特是世界领先的金属加工刀具企业，在与世界各地的制造业尤其是德国汽车业的合作中积累了大量的成功经验。瓦尔特(无锡)在中国早已开始了高速加工的实践，也看到中国的高速切削正在快速的增长中，我们非常愿意与中国制造业共同分享高速切削的技术成果。作为您的系统刀具伙伴，我们认为中国的高速切削方兴未艾，发展前景十分广阔。这里，我想就刀具在高速切削中的应用提出我的一管之见。我们在高速切削中首先应充分重视刀具安全性问题。铣削是目前高速切削应用的主要工艺，铣刀是主要的高速切削刀具，包括面铣刀、立铣刀和模具铣刀。这类刀具在高速旋转时各部分都要承受很大的离心力，其作用远远超过切削力的作用，成为刀具的主要载荷，离心力过大足以导致刀体破碎。德国在九十年代初就开始了对高速铣刀安全性技术的研究，在机器制造商协会的支持下，组成了由大学研究机构刀具制造厂、研究所和用户参加的工作组，从事高速铣刀安全性技术的研究。经过近十年的工作，取得了一系列阶段性成果，制定了德国国家标准并被采纳为欧洲标准，推动了世界范围内高速切削技术的发展。瓦尔特在此过程中与工作组一起就高速铣刀的强度计算进行了研究。通过专门用于高速铣刀的有限元计算方法，分别开发了刀体、刀座、刀片、夹紧螺钉的计算模块，还能模拟刀片在刀座里的滑动、螺钉头在拧紧和工作载荷下的变形。研究计算显示，当转速达到某临界速度时，螺钉达到临界应力而出现拉伸变形。而在达到临界速度之前，螺钉首先产生弯曲，实际长度变长，夹紧力下降，造成刀片发生位移。因此，为了安全，德国标准规定刀具产品在至少超过厂家标称的最高转速60%的情况下才能发生位移，在至少超过厂家标称的最高转速100%的情况下才能发生解体或整体刀具的折断。在实际应用中，瓦尔特在其2000年的综合样本上，列出了其几乎所有的扩孔、镗孔刀具和铣刀在不同直径下的的最高转速，在使用规定的其原产刀片和原产配件的条件下是非常安全的。而在德国达姆斯塔特大学的实验中，瓦尔特标称最高转速8,000r/min的铣刀在实际转速高达36,700r/min时才发生解体，也充分说明了其刀具本身有足够的安全性。现在，欧美刀具厂商越来越多地在设计阶段就考虑对高速切削的适应性。如瓦尔特的一部分新刀具如球头铣刀F2339，刀片底面有两个空刀窝，可与刀体上的凸起相配合，对作用在夹紧螺钉上的离心力起卸载作用，使其可以采用相对较高的切削速度。而加工铝合金的面铣刀，由于其极高的切削速度，在大直径时转动惯量也会很大。因此，瓦尔特的加工铝合金的大直径铣刀采用了高强度铝合金刀体，极大地降低了转动惯量，增加了刀具的安全性。而今年瓦尔特也将推出能在尺寸调节过程中自动进行平衡适应的镗刀。
除了刀具本身的安全性，刀具夹持系统的安全性和安装后的整体动平衡性能也必须充分重视。瓦尔特推荐在高速切削中使用HSK空心短锥柄作为刀具与机床的接口，将液压式、热膨胀式作为刀柄上与刀具的接口，而将标准的圆柱柄(不带削平结构)作为刀具柄部的主要形式。在非常高的转速下，除刀具和夹持系统本身的平衡是必要的前提条件外，安装后仍需要进行整体的平衡。因此，用于加工铝合金的大尺寸铣刀必须能进行平衡调整。一般说来，高速切削条件下的盘类刀具至少应进行静平衡，而杆类刀具则必须进行动平衡。也可以仅但由于我国在引进高速机床的同时引进平衡设备的还比较少，希望能引起用户的注意。同时，我个人认为国内刀具供应商也必须加强高速刀具安全性的研究，以促进我国高速切削技术的发展。
由于高转速带来高的金属切除率，即使加工铝合金也会对机床的功率提出高要求。计算表明，用直径30mm的3齿玉米铣刀加工宽30mm、深度也为30mm的槽，如采用1,100m/min的切削速度和0.1mm/z的进给量，功率可能达到约57.6kW。因此，瓦尔特公司推荐用户采用的高速切削策略是：高的切削速度、中等的进给量和小的切削深度。对于大余量加工，建议采用分层切削。
二、高进给切削
在传统的精加工中，由于工件表面粗糙度有一定的要求，刀具的进给量较小。例如，对于车削表面粗糙度要求为Ra0.4μm的圆柱表面，当刀尖圆角为0.8mm，其进给量fz应不超过0.10mm/r。而现在刀具业已开始向用户推荐高进给的Wiper刀片。作为Wiper片，一般是按照事先安排的主偏角副切削刃上制造出一个直线形的修光刃(也有用大直径的圆弧作修光刃的)。在理论上，如果不考虑系统刚性和修光刃本身的微观缺陷，只要进给量不超过其修光刃的宽度，工件的表面粗糙度仅受工件材料晶粒大小的影响，可以是微乎其微。在实践中，瓦尔特的Wiper车刀片在上海某汽车零部件制造企业使用0.3mm/r的进给量，表面粗糙度达到了Ra0.4μm的要求，较其原有的加工效率提高3倍多。
Wiper车刀技术
F2330高进给铣刀
实现高进给切削时，减少由于高进给带来的进给力增加、振动倾向加重等带来的问题，我们在刀具系统方面应该采取以下措施：
减少径向切削力(如减小主偏角，加大前角和刃倾角等)；
减小刀具悬伸，因为材料力学早已表明悬臂梁的刚性与其悬伸长度的3次方成反比；
采用高弹性模量的刀杆材料，如硬质合金的弹性模量比钢高约3倍，也就是说整体硬质合金刀杆的刚性比钢刀杆高约3倍；
加大刀杆直径，因为刀具的刚性与刀杆直径的4次方成正比，也就是说如果刀具直径增加25%，刀具刚性将增加到原来的接近250%。
三、大余量切削
在笔者看来，大余量切削虽然也是高效切削的一部分，但总体上并不能称为新技术。在国内，我们一般将大余量切削称为重切削。国际上原先只有少数几家刀具商制造使用立装刀片结构的重切削铣刀，但近年来包括瓦尔特在内的一些主要刀具商都已供应多种重切削铣刀。
笔者认为值得注意的是用于模具深腔粗加工的大余量切削铣刀。通常，我们在加工型腔时采用沿等高线切削的加工方法，即使采用爬坡法也属于斜向切削。这两种加工方法均有一定的径向切削力存在，在深腔加工中由于刀具悬伸较长，为了避免在径向切削力的周期性作用下产生振动，通常采用较低的切削用量，从而带来较低的切削效率。近年瓦尔特推出的插入式铣刀F2230，采用完全的轴向进给，从而在铣刀上几乎没有轴向切削力，切削用量和生产效率得以大幅度提高。2002年，我们在湖南一公司粗加工用30CrMnTi制造的传动轮，客户原先采用的是用国外著名刀具公司的玉米铣刀进行分层切削，由于整个粗加工时间长(耗时大约90分钟)，在加工到一半时还需要更换刀片，而粗加工该工件的刀片消耗约300元人民币。现在采用瓦尔特F2230铣刀后加工效率大幅度提高，耗时减少到51分钟，一次装夹刀片后可以加工1.5-2个工件，粗加工该工件的刀片消耗降低至约100元人民币。由于刀具费用、机床费用、换刀费用都得到减少，他们由此降低年制造费用约9.8万元人民币。
F2230铣刀
依照笔者的观点，在这三类高效切削方法中，大余量切削的发展余地可能有限。因为大的加工余量代表着低的材料利用率和相对较低的经济效益。随着精密、精密锻造等工艺的不断发展，大余量切削的场合会进一步减少。因此，我们的注意力应更多地集中在高速切削和高进给量切削上。
笔者认为高速切削是在高效加工中非常值得关注的一种。首先是我们在高速切削的领域中还有许多工件材料的临界点需要在不断的实践中被确定，其次随着材料技术尤其是纳米技术的发展，刀具材料的切削性能也会不断提升。这些刀具技术的进步必将同机床制造技术、数据处理和传输技术、切削热控制技术等相关技术形成良性互动，从而促进高效切削技术的不断发展。
同时，大进给切削切削则是现代切削技术中的新应用热点，国际上现在所说的高效切削(HPC)在狭义上就是指大进给切削。因为大进给切削的技术难点较高速切削少一些。就机床而言，它对主轴的要求与传统切削没有太大差别，而高速切削则对主轴有一系列的要求；但两者在进给系统方面相差不大，高的进给速度和进给系统加速度。对于某些材料和刀具尺寸，即使普通机床也能实现大进给的高效切削。
