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高速銑削
閱讀：1090 發布時間：2015-5-11
一.高速銑削簡介：
普通銑削加工采用低的進給速度和大的切削參數，而高速銑削加工則采用高的進給速度和小的切削參數，高速銑削加工相對于普通銑削加工具有如下特點:
(1)的主軸轉速一般為15000r/min~40000r/min，zui高可達100000r/min。在切削鋼時，其切度削速約為400m/min，比傳統的銑削加工高5~10倍;在加工模具型腔時與傳統的加工方法(傳統銑削、電火花成形加工等)相比其效率提高4~5倍。
(2)高精度加工精度一般為10μm，有的精度還要高。
(3)高的表面質量由于時工件溫升小(約為3°C)，故表面沒有變質層及微裂紋，熱變形也小。的表面粗糙度Ra小于1μm，減少了后續磨削及拋光工作量。
(4)可加工高硬材料可銑削50~54HRC的鋼材，銑削的zui高硬度可達60HRC。
鑒于高速加工具備上述優點，所以高速加工在模具制造中正得到廣泛應用，并逐步替代部分磨削加工和電加工。但是，在加工過程中應滿足無干涉、無碰撞、光滑、切削負荷平滑等條件。而這些條件造成高速切削在對刀具材料、刀具結構、刀具裝夾以及機床的主軸、機床結構、進給驅動和CNC系統上提出了特殊的要求;并且主軸在加工過程中易磨損且成本高(目前)。
二.安全操作流程：
(1)減輕刀具質量，減少刀具構件數，簡化刀具結構
由試驗求得的相同直徑的不同刀具的破裂極限與刀體質量、刀具構件數和構件接觸面數之間的關系，經比較發現，刀具質量越輕，構件數量和構件接觸面越少，刀具破裂的極限轉速越高。研究發現，用鈦合金作為刀體材料減輕了構件的質量，可提高刀具的破裂極限和極限轉速。但由于鈦合金對切口的敏感性，不適宜制造刀體，因此有的高速銑刀已采用高強度鋁合金來制造刀體。
在刀體結構上，應注意避免和減小應力集中，刀體上的槽(包括刀座槽、容屑槽、鍵槽)會引起應力集中，降低刀體的強度，因此應盡量避免通槽和槽底帶尖角。同時，刀體的結構應對稱于回轉軸，使重心通過銑刀的軸線。
刀片和刀座的夾緊、調整結構應盡可能消除游隙，并且要求重復定位性好。目前，高速銑刀已廣泛采用HSK刀柄與機床主軸連接，較大程度地提高了刀具系統的剛度和重復定位精度，有利于刀具破裂極限轉速的提高。此外，機夾式高速銑刀的直徑顯露出直徑變小、刀齒數減少的發展趨勢，也有利于刀具強度和剛度的提高。
(2)改進刀具的夾緊方式
模擬計算和破裂試驗研究表明，高速銑刀刀片的夾緊方法不允許采用通常的摩擦力夾緊，要用帶中心孔的刀片、螺釘夾緊方式，或用特殊設計的刀具結構以防止刀片甩飛。刀座、刀片的夾緊力方向與離心力方向一致，同時要控制好螺釘的預緊力，防止螺釘因過載而提前受損。對于小直徑的帶柄銑刀，可采用液壓夾頭或熱脹冷縮夾頭實現夾緊的高精度和高剛度。
(3)提高刀具的動平衡性
提高刀具的動平衡性對提高高速銑刀的安全性有很大的幫助。因為刀具的不平衡量會對主軸系統產生一個附加的徑向載荷，其大小與轉速的平方成正比。
設旋轉體質量為m，質心與旋轉體中心的偏心量為e，則由不平衡量引起的慣性離心力F為:
F=emω2=U(n/9549)2
式中:U為刀具系統不平衡量(g·mm)，e為刀具系統質心偏心量(mm)，m為刀具系統質量(kg)，n為刀具系統轉速(r/min)，ω為刀具系統角速度(rad/s)。
由上式可見，提高刀具的動平衡性可顯著減小離心力，提高高速刀具的安全性。因此，按照標準草案要求，用于高速切削的銑刀必須經過動平衡測試，并應達到ISO1940-1規定的G4.0平衡質量等級以上要求。
三.加工效率的計算與分析簡介
隨著高速切削技術的發展，工藝的應用日益廣泛，越來越受到制造業的企業和科研工作者的關注。*某研究所自1999年7月從瑞士MIKRON公司購進*臺HSM-700型高速立式銑削中心后，2001年10月又購進三臺HSM-700型高速銑床用于生產。筆者通過對這批*高速銑床的加工效率進行深入、細致的調查研究，對比了不同銑床的加工效率，推導了加工效率的計算公式。
（一）加工效率計算：
按照傳統切削理論，切削加工效率ZW(cm3/min)可通過下列公式計算:ZW=v·f·ap(1)
式中v---切削速度;f---進給量;ap---切削深度
根據分析與研究，我們認為式(1)不適用于加工效率的計算，原因主要有兩點:
1)高速銑床的主軸轉速相當高(如HSM-700型高速銑床zui高轉速達42000r/min,，加工平面時轉速也在35000r/min,以上)，如此高的轉速使刀具并非每一轉都在切削金屬;
2)在實際加工中，設定的轉速和進給量只是zui大轉速和zui大進給量，實際的刀具轉速和進給量時刻都在變化(HSM-700機床的自測功能可以顯示整個切削過程中的變化情況)，切削過程中的實際轉速和進給量總是從較低值迅速達到較高值又很快降到較低值，如此反復變化，這是銑削過程的客觀反映，而不像車削過程中可以保持轉速和進給量恒定不變。
因此，我們提出用單位時間內的金屬去除量Z(cm3/min)表示加工效率，即
(2)
式中W---切削過程總的金屬去除量(cm3)
t---切削時間(<0,)
式(2)更符合的實際情況，用式(2)很容易實現對加工效率的計算，同時也便于不同銑床加工效率的比較。
例如，原來在普通銑床上加工圖1所示零件，為了縮短生產周期，一部分零件現采用高速銑床加工。這樣，可通過該零件的加工來比較兩種加工設備的加工效率。由于該零件的表面質量要求不高，和普通銑削均能達到要求。事實上，加工出的零件表面粗糙度要比普通銑削加工低1~2個等級。
用單位時間內的金屬去除量Z=W/t(cm3/min)表示加工效率。試驗中取銑削加工過程中的幾個時間段，記錄加工時間，測量在各個時間段零件加工前后的體積差，通過式(2)計算得到Z值。通過多次測量計算取Z的平均值，該平均值即可視為較準確的Z值。對于圖1所示零件的過程，由式(2)算得的Z值為
按照傳統切削理論即按式(1)計算得
比較Z高速和ZW，顯然ZW與該零件實際的加工效率相差很大。
（二）考慮成本加工效率比較：
比較加工效率必須帶有一定的約束條件，應結合企業的實際情況，考慮加工效率與生產成本的關系。用式(2)求得的加工效率Z除以加工成本C來表示考慮了成本因素的加工效率E(cm3/min·萬元)，即式(3)中，為計算簡便，設加工成本C主要為制造費用(包括設備成本、設備維護費用、刀具損耗費用等)，并假設高速銑床、國產普通銑床、進口普通銑床的日常維護費用相等。為了能客觀地反映實際加工效率，對2001年1月到2002年5月這一較長時間段內的機床使用情況進行比較:
瑞士MICRONHSM-700型高速銑床每臺價值人民幣C0高速=200萬元;由于機床零部件價格昂貴，用于機床非日常維護的費用(包括故障檢修、更換零部件等)為C2高速=9.5萬元;在高速銑床上使用的刀具均為進口銑刀，價格較為昂貴，再加上缺少針對不同刀具和零件材料的切削用量規范，使得高速銑刀的使用成本較高，因此，從去年初至今，高速銑刀損耗費用為C3高速=14,548.13元。
美國產VF-0HAAS型銑削中心是1998年進口的普通銑削中心，當時價值人民幣C0進普=80萬元;機床使用性能較好，除日常維護外，至今沒有出現需要維修的故障，C2進普=0.45萬元;與高速銑床一樣，所使用的刀具均為進口銑刀，除正常的刀具磨損外，很少出現刀具非正常損耗，銑刀損耗費用為C3進普=2,195.26元。
1992年從北京*機床廠購進的XK5040-1型立式升降臺銑床，當時價值人民幣C0國普=60萬元;目前主要用于零件粗加工，雖然精度不高，但性能還比較穩定，除日常維護外，未出現大故障。2000年對其操作系統進行了改造(換裝了西門子操作系統)，改造和檢修的費用為C2國普=6.45萬元;在此機床上既使用進口刀具也使用國產刀具，銑刀損耗費用為C3國普=1,377.62元。
設機床的使用年限為20年，按照直線折舊法，機床每年折舊5%，則到2002年，三種銑床的當前成本分別為:
由式(3)可求得考慮成本時三種不同銑床的加工效率分別為E高速=Z高速=0.1291cm3/min·萬元
由計算結果可以看出，考慮成本因素后，不再具有顯著的效率優勢(與進口普通銑削中心的加工效率接近)。這一比較結果說明，目前的使用成本還比較高(其設備成本、維護費用和刀具損耗費用都比普通機床高出很多)。
盡管目前采用還達不到經濟的切削效率，但并不說明不具優勢。首先，上文對銑削效率經濟性的分析僅考慮了生產成本，并沒有考慮時間效益。在技術飛速發展的今天，時間往往是更重要的經濟因素。加工在縮短加工工時方面的優勢是很明顯的。其次，上文所作加工效率比較是在高速銑床和普通銑床均能加工同一種零件的前提下進行的，事實上許多不適合(或不能)在普通銑床上加工的零件(如薄壁零件或對加工表面質量要求較高的零件)只能用高速銑床加工。第三，技術作為一種新的加工技術在我國正經歷不斷發展的過程，為了獲得的經濟加工效率，必須深入研究機理，加快進行工藝的科研開發，同時加強生產管理，提高操作者素質。相信隨著對技術研究的不斷深入，加工的經濟性等問題將得到很好解決。
四.結論
1)生產實踐表明，高速銑床加工零件覆蓋面廣，特別適用于加工面積較大、形狀復雜的精密零部件。零件加工精度高，廢品率低。
2)傳統的切削加工效率公式不適用于，用單位時間內的金屬去除量來表述的加工效率更為準確。
3)單從機床的切削效率來看，高速銑床要高出普通銑床好幾倍，但目前高速銑床的使用成本較高。在選擇工藝方案時，可以考慮用普通銑床進行粗加工，用高速銑床進行半精加工和精加工。
4)只有深入開展技術的科研開發，才能充分發揮高速銑床的加工效率優勢。
普通銑削加工采用低的進給速度和大的切削參數，而高速銑削加工則采用高的進給速度和小的切削參數，高速銑削加工相對于普通銑削加工具有如下特點:
(1)的主軸轉速一般為15000r/min~40000r/min，zui高可達100000r/min。在切削鋼時，其切度削速約為400m/min，比傳統的銑削加工高5~10倍;在加工模具型腔時與傳統的加工方法(傳統銑削、電火花成形加工等)相比其效率提高4~5倍。
(2)高精度加工精度一般為10μm，有的精度還要高。
(3)高的表面質量由于時工件溫升小(約為3°C)，故表面沒有變質層及微裂紋，熱變形也小。的表面粗糙度Ra小于1μm，減少了后續磨削及拋光工作量。
(4)可加工高硬材料可銑削50~54HRC的鋼材，銑削的zui高硬度可達60HRC。
鑒于高速加工具備上述優點，所以高速加工在模具制造中正得到廣泛應用，并逐步替代部分磨削加工和電加工。但是，在加工過程中應滿足無干涉、無碰撞、光滑、切削負荷平滑等條件。而這些條件造成高速切削在對刀具材料、刀具結構、刀具裝夾以及機床的主軸、機床結構、進給驅動和CNC系統上提出了特殊的要求;并且主軸在加工過程中易磨損且成本高(目前)。
二.安全操作流程：
(1)減輕刀具質量，減少刀具構件數，簡化刀具結構
由試驗求得的相同直徑的不同刀具的破裂極限與刀體質量、刀具構件數和構件接觸面數之間的關系，經比較發現，刀具質量越輕，構件數量和構件接觸面越少，刀具破裂的極限轉速越高。研究發現，用鈦合金作為刀體材料減輕了構件的質量，可提高刀具的破裂極限和極限轉速。但由于鈦合金對切口的敏感性，不適宜制造刀體，因此有的高速銑刀已采用高強度鋁合金來制造刀體。
在刀體結構上，應注意避免和減小應力集中，刀體上的槽(包括刀座槽、容屑槽、鍵槽)會引起應力集中，降低刀體的強度，因此應盡量避免通槽和槽底帶尖角。同時，刀體的結構應對稱于回轉軸，使重心通過銑刀的軸線。
刀片和刀座的夾緊、調整結構應盡可能消除游隙，并且要求重復定位性好。目前，高速銑刀已廣泛采用HSK刀柄與機床主軸連接，較大程度地提高了刀具系統的剛度和重復定位精度，有利于刀具破裂極限轉速的提高。此外，機夾式高速銑刀的直徑顯露出直徑變小、刀齒數減少的發展趨勢，也有利于刀具強度和剛度的提高。
(2)改進刀具的夾緊方式
模擬計算和破裂試驗研究表明，高速銑刀刀片的夾緊方法不允許采用通常的摩擦力夾緊，要用帶中心孔的刀片、螺釘夾緊方式，或用特殊設計的刀具結構以防止刀片甩飛。刀座、刀片的夾緊力方向與離心力方向一致，同時要控制好螺釘的預緊力，防止螺釘因過載而提前受損。對于小直徑的帶柄銑刀，可采用液壓夾頭或熱脹冷縮夾頭實現夾緊的高精度和高剛度。
(3)提高刀具的動平衡性
提高刀具的動平衡性對提高高速銑刀的安全性有很大的幫助。因為刀具的不平衡量會對主軸系統產生一個附加的徑向載荷，其大小與轉速的平方成正比。
設旋轉體質量為m，質心與旋轉體中心的偏心量為e，則由不平衡量引起的慣性離心力F為:
F=emω2=U(n/9549)2
式中:U為刀具系統不平衡量(g·mm)，e為刀具系統質心偏心量(mm)，m為刀具系統質量(kg)，n為刀具系統轉速(r/min)，ω為刀具系統角速度(rad/s)。
由上式可見，提高刀具的動平衡性可顯著減小離心力，提高高速刀具的安全性。因此，按照標準草案要求，用于高速切削的銑刀必須經過動平衡測試，并應達到ISO1940-1規定的G4.0平衡質量等級以上要求。
三.加工效率的計算與分析簡介
隨著高速切削技術的發展，工藝的應用日益廣泛，越來越受到制造業的企業和科研工作者的關注。*某研究所自1999年7月從瑞士MIKRON公司購進*臺HSM-700型高速立式銑削中心后，2001年10月又購進三臺HSM-700型高速銑床用于生產。筆者通過對這批*高速銑床的加工效率進行深入、細致的調查研究，對比了不同銑床的加工效率，推導了加工效率的計算公式。
（一）加工效率計算：
按照傳統切削理論，切削加工效率ZW(cm3/min)可通過下列公式計算:ZW=v·f·ap(1)
式中v---切削速度;f---進給量;ap---切削深度
根據分析與研究，我們認為式(1)不適用于加工效率的計算，原因主要有兩點:
1)高速銑床的主軸轉速相當高(如HSM-700型高速銑床zui高轉速達42000r/min,，加工平面時轉速也在35000r/min,以上)，如此高的轉速使刀具并非每一轉都在切削金屬;
2)在實際加工中，設定的轉速和進給量只是zui大轉速和zui大進給量，實際的刀具轉速和進給量時刻都在變化(HSM-700機床的自測功能可以顯示整個切削過程中的變化情況)，切削過程中的實際轉速和進給量總是從較低值迅速達到較高值又很快降到較低值，如此反復變化，這是銑削過程的客觀反映，而不像車削過程中可以保持轉速和進給量恒定不變。
因此，我們提出用單位時間內的金屬去除量Z(cm3/min)表示加工效率，即
(2)
式中W---切削過程總的金屬去除量(cm3)
t---切削時間(<0,)
式(2)更符合的實際情況，用式(2)很容易實現對加工效率的計算，同時也便于不同銑床加工效率的比較。
例如，原來在普通銑床上加工圖1所示零件，為了縮短生產周期，一部分零件現采用高速銑床加工。這樣，可通過該零件的加工來比較兩種加工設備的加工效率。由于該零件的表面質量要求不高，和普通銑削均能達到要求。事實上，加工出的零件表面粗糙度要比普通銑削加工低1~2個等級。
用單位時間內的金屬去除量Z=W/t(cm3/min)表示加工效率。試驗中取銑削加工過程中的幾個時間段，記錄加工時間，測量在各個時間段零件加工前后的體積差，通過式(2)計算得到Z值。通過多次測量計算取Z的平均值，該平均值即可視為較準確的Z值。對于圖1所示零件的過程，由式(2)算得的Z值為
按照傳統切削理論即按式(1)計算得
比較Z高速和ZW，顯然ZW與該零件實際的加工效率相差很大。
（二）考慮成本加工效率比較：
比較加工效率必須帶有一定的約束條件，應結合企業的實際情況，考慮加工效率與生產成本的關系。用式(2)求得的加工效率Z除以加工成本C來表示考慮了成本因素的加工效率E(cm3/min·萬元)，即式(3)中，為計算簡便，設加工成本C主要為制造費用(包括設備成本、設備維護費用、刀具損耗費用等)，并假設高速銑床、國產普通銑床、進口普通銑床的日常維護費用相等。為了能客觀地反映實際加工效率，對2001年1月到2002年5月這一較長時間段內的機床使用情況進行比較:
瑞士MICRONHSM-700型高速銑床每臺價值人民幣C0高速=200萬元;由于機床零部件價格昂貴，用于機床非日常維護的費用(包括故障檢修、更換零部件等)為C2高速=9.5萬元;在高速銑床上使用的刀具均為進口銑刀，價格較為昂貴，再加上缺少針對不同刀具和零件材料的切削用量規范，使得高速銑刀的使用成本較高，因此，從去年初至今，高速銑刀損耗費用為C3高速=14,548.13元。
美國產VF-0HAAS型銑削中心是1998年進口的普通銑削中心，當時價值人民幣C0進普=80萬元;機床使用性能較好，除日常維護外，至今沒有出現需要維修的故障，C2進普=0.45萬元;與高速銑床一樣，所使用的刀具均為進口銑刀，除正常的刀具磨損外，很少出現刀具非正常損耗，銑刀損耗費用為C3進普=2,195.26元。
1992年從北京*機床廠購進的XK5040-1型立式升降臺銑床，當時價值人民幣C0國普=60萬元;目前主要用于零件粗加工，雖然精度不高，但性能還比較穩定，除日常維護外，未出現大故障。2000年對其操作系統進行了改造(換裝了西門子操作系統)，改造和檢修的費用為C2國普=6.45萬元;在此機床上既使用進口刀具也使用國產刀具，銑刀損耗費用為C3國普=1,377.62元。
設機床的使用年限為20年，按照直線折舊法，機床每年折舊5%，則到2002年，三種銑床的當前成本分別為:
由式(3)可求得考慮成本時三種不同銑床的加工效率分別為E高速=Z高速=0.1291cm3/min·萬元
由計算結果可以看出，考慮成本因素后，不再具有顯著的效率優勢(與進口普通銑削中心的加工效率接近)。這一比較結果說明，目前的使用成本還比較高(其設備成本、維護費用和刀具損耗費用都比普通機床高出很多)。
盡管目前采用還達不到經濟的切削效率，但并不說明不具優勢。首先，上文對銑削效率經濟性的分析僅考慮了生產成本，并沒有考慮時間效益。在技術飛速發展的今天，時間往往是更重要的經濟因素。加工在縮短加工工時方面的優勢是很明顯的。其次，上文所作加工效率比較是在高速銑床和普通銑床均能加工同一種零件的前提下進行的，事實上許多不適合(或不能)在普通銑床上加工的零件(如薄壁零件或對加工表面質量要求較高的零件)只能用高速銑床加工。第三，技術作為一種新的加工技術在我國正經歷不斷發展的過程，為了獲得的經濟加工效率，必須深入研究機理，加快進行工藝的科研開發，同時加強生產管理，提高操作者素質。相信隨著對技術研究的不斷深入，加工的經濟性等問題將得到很好解決。
四.結論
1)生產實踐表明，高速銑床加工零件覆蓋面廣，特別適用于加工面積較大、形狀復雜的精密零部件。零件加工精度高，廢品率低。
2)傳統的切削加工效率公式不適用于，用單位時間內的金屬去除量來表述的加工效率更為準確。
3)單從機床的切削效率來看，高速銑床要高出普通銑床好幾倍，但目前高速銑床的使用成本較高。在選擇工藝方案時，可以考慮用普通銑床進行粗加工，用高速銑床進行半精加工和精加工。
4)只有深入開展技術的科研開發，才能充分發揮高速銑床的加工效率優勢。