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在高速切削和硬金屬切削中，控制切削熱是最重要的因素之一。過去幾十年來(lái)，在模具制造、航空航天、醫(yī)療器件等行業(yè)，高速切削和淬硬金屬切削已變得相當(dāng)普遍，雖然其加工工藝并未發(fā)生太大變化，但對(duì)切削刀具的要求卻已不可同日而語(yǔ)。

對(duì)刀具的要求

為了對(duì)模具和其他零件進(jìn)行有效的高速切削和硬切削，要求刀具能夠承受更高表面切削速度引起的切削熱。此外，還必須對(duì)刀具的切削刃進(jìn)行制備，使其能夠承受高速銑削產(chǎn)生的切削力和磨損。

(1)刀具涂層

采用涂層是提高刀具耐熱性最重要的方式。在加工硬度超過HRC40的淬硬鋼或在進(jìn)行表面切削速度超過245m/min(800sfm)的高速切削時(shí)，TiAlN(AlTiN)涂層刀具是最佳的選擇。但是，由于有許多不同的企業(yè)都在生產(chǎn)涂層刀具，因此每一種涂層都會(huì)有許多不同的變化。為了確定哪一種涂層的加工效果更好，惟一的方式就是通過切削試驗(yàn)。盡管大多數(shù)刀具制造商都會(huì)對(duì)自己生產(chǎn)的涂層刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，但也有些刀具制造商可能并沒有專門針對(duì)高速切削和硬切削進(jìn)行刀具性能試驗(yàn)。因此，為了幫助開發(fā)性能最佳的適用涂層，需要尋找一家對(duì)淬硬金屬材料進(jìn)行了廣泛切削試驗(yàn)的刀具制造商。

目前，AlTiN涂層仍然是最佳選擇，而在將來(lái)，在涂層的組分中可能會(huì)包括硅(Si)元素。隨著加工中心主軸轉(zhuǎn)速的不斷提高，涂層與硬質(zhì)合金基體的組合性能也必須與時(shí)俱進(jìn)，能夠承受加工中產(chǎn)生的更高溫度。在涂層中加入Si元素，將會(huì)大大提高其抗氧化性能，從而使涂層能在高達(dá)1,100℃的溫度下工作。

(2)刀具幾何形狀

刀具幾何形狀也能對(duì)控制切削熱發(fā)揮重要作用。為了利用切屑帶走切削熱，刀具幾何形狀的設(shè)計(jì)必須考慮其切屑去除性能?，F(xiàn)在開發(fā)出一種球頭型刀片(圖1)，其上有磨制的三維螺旋結(jié)構(gòu)，它能使切削更平滑、振動(dòng)更小、排屑性能更好，所有這些特點(diǎn)都有利于減少切削熱的產(chǎn)生。為了有效利用這些新型刀具，需要采用新的加工方法。通常，為了保持切屑流動(dòng)和帶走熱量，應(yīng)該采用較高的主軸轉(zhuǎn)速、較大的進(jìn)給率和較小的切深量。

在確定刀具幾何形狀時(shí)，必須遵循一些指導(dǎo)性原則。例如，必須仔細(xì)核查所用刀具的精度要求，對(duì)刀具的直徑、刀尖圓弧半徑和徑跳誤差都要加以考慮。刀具的精度越高，加工出的零件就越精確。保持較小的刀具徑跳，就能獲得更好的加工表面光潔度和尺寸精度，以及更長(zhǎng)的刀具壽命。

一種具有較大芯徑的雙刃球頭銑刀似乎最適合復(fù)雜三維廓形的銑削加工。我們并不推薦采用具有更多刀刃的銑刀，因?yàn)樵黾拥牡度袝?huì)妨礙排屑。此外，如果用銑刀端部進(jìn)行切削，在銑刀端部只有兩個(gè)刀刃，而在三刃銑刀的端部則只有一個(gè)刀刃。

1. 刀片式銑刀

   用于模具加工和普通加工的刀片式銑刀的技術(shù)水平已經(jīng)能夠無(wú)故障地完成大多數(shù)加工任務(wù)。采用刀片式銑刀可以進(jìn)行各種加工操作，尤其是對(duì)大中型模具型腔和型芯的加工，因?yàn)榈镀姐姷兜闹睆椒浅＿m合此類加工。

   刀片式銑刀(直徑12mm以上)在粗加工和精加工中都具有很好的切削性能。直徑較小的刀片式銑刀主要用于精加工以及某些載荷較輕的粗加工。

   
   

2. 整體硬質(zhì)合金銑刀

   在某些加工領(lǐng)域，整體硬質(zhì)合金銑刀仍然具有優(yōu)勢(shì)。最明顯的例子是，當(dāng)?shù)毒咧睆叫∮?mm時(shí)，需要選用整體硬質(zhì)合金銑刀，因?yàn)橹睆饺绱酥〉牡镀姐姷渡形撮_發(fā)成功。

   一種稱為“擺線銑削”的加工新方法也需要選用整體硬質(zhì)合金立銑刀。擺線銑削方式主要用于銑槽，但也有些CAM軟件開發(fā)人員正將其應(yīng)用于型腔銑削。

   擺線銑削必須采用大切深和很小的步距，其加工運(yùn)動(dòng)為非常平滑的圓弧轉(zhuǎn)圈切削，每轉(zhuǎn)一圈前進(jìn)的距離大致等于其步距量。這種加工一般使用整體硬質(zhì)合金立銑刀，因?yàn)樗哂卸鄠€(gè)切削刃，允許采用很高的進(jìn)給率。通常，還應(yīng)該采用具有大螺旋角的螺旋槽銑刀，它能實(shí)現(xiàn)非常平滑的切削，并加工出極好的表面光潔度。擺線銑削加工的一個(gè)缺點(diǎn)是，如果刀具的懸伸量較大，在加工時(shí)則容易發(fā)生撓曲。

   
   

3. 采用整體硬質(zhì)合金刀體的刀片式銑刀

   過去的切削理論認(rèn)為，刀具懸伸長(zhǎng)度與切削直徑之比，是確定應(yīng)該選用整體硬質(zhì)合金銑刀還是刀片式銑刀的決定性因素。而現(xiàn)在，隨著將新型整體硬質(zhì)合金刀體引入刀片式銑刀，這種理論也受到了質(zhì)疑。

   現(xiàn)在，在刀具直徑超過12mm的銑削加工中，已很少有選用整體硬質(zhì)合金銑刀的充足理由。以前，鋼制刀體往往缺乏用大懸伸量刀具進(jìn)行大切削參數(shù)加工時(shí)所需要的剛性。如今，在此類加工中，可以采用在硬質(zhì)合金刀體上夾持成本相對(duì)低廉的刀片，而不必采用成本更昂貴的整體硬質(zhì)合金立銑刀。刀片式銑刀的其他優(yōu)勢(shì)還包括更好的靈活性、重復(fù)精度和加工部位可達(dá)性(刀具更長(zhǎng))。

   
   

4. 粗加工軟材料用的大進(jìn)給刀片式銑刀

   用當(dāng)今的刀具銑削加工預(yù)先經(jīng)過熱處理的工件材料可能已比較容易。而一種用于粗加工軟材料的新型刀片式銑刀也已被開發(fā)出來(lái)。這種銑刀的幾何形狀適合以高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)給和小切深進(jìn)行加工，與傳統(tǒng)銑刀相比，其切削速度更快，加工效率更高。

   
   

加工案例

以下是使用這種幾何形狀刀具的一個(gè)加工實(shí)例。加工條件：機(jī)床：FPT Dino五軸加工機(jī)床(最大主軸轉(zhuǎn)速：10,000r/min)；刀具直徑：25.4mm；切削深度：0.9mm，切削寬度：19mm；主軸轉(zhuǎn)速：3,800r/min；進(jìn)給率：7,874mm/min；刀具懸伸量：100mm；油霧冷卻。

在加工中，由于該機(jī)床的主軸在較低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)扭矩有限，因此用戶未在該機(jī)床上進(jìn)行前序粗加工。采用3,800r/min的主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工，就有可能處入該機(jī)床主軸的功率范圍之內(nèi)。與以前采用更大直徑的刀具進(jìn)行粗加工相比，采用直徑為25.4mm的刀具加工能夠獲得更接近最終形狀的工件。

精加工

如今，通過刀具、機(jī)床和涂層的優(yōu)化組合，對(duì)于大多數(shù)模具材料，都能以超過365m/min(1,200sfm)的表面切削速度進(jìn)行精加工，有些精加工的切削速度甚至可以達(dá)到915m/min(3,000sfm)。由于切削速度和進(jìn)給率都很高，從而為縮短加工循環(huán)時(shí)間，同時(shí)提高工件表面質(zhì)量提供了機(jī)會(huì)。

精加工獲得成功的關(guān)鍵在于，確保半精加工后的工件形狀盡可能接近其最終形狀，從而使精加工刀具的材料去除量不會(huì)發(fā)生大幅波動(dòng)。在精加工中，刀具的材料去除量越均勻一致，刀具承受的切削力就越穩(wěn)定，從而可以提供可預(yù)測(cè)性更好的刀具壽命，并能縮短加工循環(huán)時(shí)間。在精加工工件的主要外形之前，對(duì)過于鋒利的刀尖進(jìn)行鈍化處理也有利于延長(zhǎng)刀具壽命，提高加工表面光潔度，并能應(yīng)用于無(wú)人值守加工。

在對(duì)大多數(shù)模具材料進(jìn)行精加工時(shí)，可以采用壓縮空氣噴吹或油霧冷卻方式。在高速切削時(shí)，不宜采用冷卻液澆注式冷卻，因?yàn)樵谇邢鳟a(chǎn)生的高溫和冷卻液降溫的交替熱沖擊下，可能會(huì)使硬質(zhì)合金刀具發(fā)生碎裂或產(chǎn)生裂紋。油霧冷卻能夠提供最佳的加工表面光潔度，同時(shí)有利于延長(zhǎng)刀具壽命。

小結(jié)

在高速切削和硬切削加工中，控制切削熱是最重要的因素，只要能控制切削熱，就向成功控制加工過程邁出了一大步。

硬銑削加工對(duì)刀柄和刀具切削刃提出了很高的要求，同時(shí)還需要對(duì)銑削參數(shù)進(jìn)行某些調(diào)整。完全淬硬的工件材料很難切削，加工時(shí)刀具要承受更多切削熱。如果加工條件允許，采用球頭銑刀可將切削熱的有害影響降至最低。

在硬銑削中，為了減少切削熱，應(yīng)該減小切深和步距。由于減小切深而附帶產(chǎn)生的切屑減薄效應(yīng)，使刀具能以更高的每齒進(jìn)給量(fz)進(jìn)行加工。螺旋面銑刀、牛鼻銑刀和方肩銑刀可能也適用于硬銑削加工，而切削刃越鋒利(刀尖圓弧半徑越小)，刀具的抗熱性就越差。

刀具信息網(wǎng) 責(zé)任編輯：小山

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