【編者按】一種具有更高生產(chǎn)率的替代銑削策略是減小銑刀的徑向吃刀量侠讯，同時(shí)提高進(jìn)給率和切削速度挖藏，其結(jié)果是切削負(fù)荷更輕、速度更快厢漩、金屬去除率更高膜眠，并且減小了作用于刀具和機(jī)床上的切削力。銑削工藝改進(jìn)的結(jié)果表明溜嗜，利用小吃刀量銑削技術(shù)柴底，可以提高金屬去除率，縮短加工周期和延長刀具壽命盔雷。

在銑削加工中，金屬去除率的計(jì)算方法是：金屬去除率(mm3/min)＝徑向切寬(mm)×軸向切深(mm)×進(jìn)給率(mm/min)托捆。機(jī)床技術(shù)篱汤、切削刀具和加工軟件的進(jìn)步使這些參數(shù)不斷優(yōu)化，從而最大限度地提高了銑削生產(chǎn)率媒卑。

最大限度地提高銑削金屬去除率的傳統(tǒng)方法是綜合采用大小為刀具直徑25%－50%的徑向吃刀量(切削寬度或走刀步距)和軸向吃刀量(切削深度)铃越。據(jù)Performance Tooling Solutions咨詢公司總裁Craig Segerlin介紹，這種方法雖然能夠獲得可以接受的金屬去除率，但也可能會(huì)產(chǎn)生很大且不均衡的徑向切削力切锈，從而造成不可預(yù)知的刀具磨損橘谐，以及作用于機(jī)床主軸和其他零部件的機(jī)械應(yīng)力。

一種具有更高生產(chǎn)率的替代銑削策略是減小銑刀的徑向吃刀量尿旅，同時(shí)提高進(jìn)給率和切削速度陋疑，其結(jié)果是切削負(fù)荷更輕、速度更快捕阅、金屬去除率更高泉钮，并且減小了作用于刀具和機(jī)床上的切削力。雖然切削速度有所提高秃臣，但由于切削刃與工件的接觸時(shí)間縮短涧衙，刀具有更多時(shí)間處于空冷狀態(tài)，因此產(chǎn)生的切削熱反而有所減少奥此。

不過弧哎，減小徑向吃刀量也會(huì)減小銑削時(shí)產(chǎn)生的切屑厚度，而切屑過度變薄可能會(huì)造成一些問題稚虎。當(dāng)切屑負(fù)荷過小時(shí)撤嫩，銑刀刀齒或立銑刀的刃溝會(huì)磨擦(而不是剪切)工件，從而產(chǎn)生更多切削熱祥绞，導(dǎo)致刀具壽命縮短非洲。太薄的切屑還會(huì)喪失吸熱能力，無法將有害的切削熱從刀具和工件上帶走蜕径。

為了在減小徑向吃刀量后仍然能獲得足夠的切屑厚度两踏，就需要加大銑刀切削刃的切屑負(fù)荷。Segerlin舉了一個(gè)例子：當(dāng)一把直徑12.7mm的銑刀采用6.35mm的徑向切寬時(shí)兜喻，銑刀的吃刀量是刀具直徑的50%梦染，切削弧為90°。假設(shè)該刀具采用0.05mm的切屑負(fù)荷硫缓，在刀具吃刀量為50%時(shí)抄刁，切屑厚度也是0.05mm。如果將徑向切寬減小到0.254mm(6.35mm的1/25)恭隧，切削弧就變?yōu)?.6°(90°的1/25)祈哆。為了在徑向切寬為0.254mm時(shí)保持0.05mm的切屑厚度，切屑負(fù)荷可能需要增加3.5倍啃极，達(dá)到0.178mm帆速。

這一目標(biāo)可以通過增大進(jìn)給率來實(shí)現(xiàn)(進(jìn)給率[mm/min]＝每齒切屑負(fù)荷[mm]×齒數(shù)×轉(zhuǎn)速[r/min])。由于切削速度也是決定切屑負(fù)荷的因素之一粘榕，因此也可以提高切削速度互愚。Segerlin指出，將徑向切寬減小到刀具直徑的5%－10%，可使切削速度提高2－3倍千覆，進(jìn)給率增大5－7倍区膨，并使切屑負(fù)荷增大3－5倍。

減小徑向吃刀量也可以大幅減小作用于刀具上的橫向載荷姑裂，從而可以用立銑刀的整個(gè)切削刃(軸向切深)進(jìn)行切削馋袜。由于金屬去除率等于徑向切寬、軸向切深和進(jìn)給率的乘積炭分，因此桃焕，增大切深量會(huì)直接提高金屬去除率。Segerlin將這種加工方法稱為“高效率加工(HEPM)”捧毛。

機(jī)床因素

Segerlin介紹說观堂，在某些情況下(取決于工件材料)，采用小徑向吃刀量銑削策略能在功率較小的機(jī)床上獲得可與更大功率機(jī)床相媲美的加工效果呀忧。雖然一臺(tái)典型的50錐度機(jī)床可能擁有比40錐度機(jī)床更大的功率师痕，但40錐度機(jī)床可能具有更高的主軸轉(zhuǎn)速，因此更符合這種銑削策略輕載而账、高速的加工特點(diǎn)胰坟。

Methods機(jī)床公司加工技術(shù)經(jīng)理Michael Minton表示，“采用較小的徑向切寬泞辐、較高的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率笔横，為尋找一種與傳統(tǒng)的大切寬重載銑削方式截然相反的替代加工策略提供了一個(gè)機(jī)會(huì)「篮穑” 他認(rèn)為要茴，這種銑削方式減小了機(jī)床承受的加工載荷，可以在輕型機(jī)床上獲得更高的生產(chǎn)率搔献。

不過携侮，他也指出，這種加工策略的存在不應(yīng)該成為機(jī)床采購決策的唯一影響因素榛瞪。他說姚继，“我的理念是，應(yīng)該根據(jù)加工需要購買合適的機(jī)床窟诈。每種加工都各不相同几馁，購買機(jī)床時(shí)，應(yīng)考慮其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是否有利于完成其特定的加工任務(wù)掏手。例如契畔，雙面接觸主軸可同時(shí)在錐面和端面上對(duì)刀具定位，因此具有更好的徑向剛度碌掩。”在鉆削加工中，徑向剛度可能并不十分重要步氏，但在會(huì)產(chǎn)生橫向載荷的加工中(如銑削加工)响禽，徑向剛度則至關(guān)緊要。Minton說荚醒，Method公司商品化的Feeler加工中心已將雙面接觸主軸作為標(biāo)準(zhǔn)配置芋类。

Minton指出，采用新的加工策略還需要機(jī)床用戶解放思想界阁。他說侯繁，“有些習(xí)慣于創(chuàng)新思維的用戶敢于打破條條框框，但也有許多用戶只想按照傳統(tǒng)加工方式亦步亦趨泡躯≈梗”他列舉了一個(gè)加工實(shí)例〗咸辏“我們以前是用鈷高速鋼立銑刀以很小的加工參數(shù)——大約115r/min的主軸轉(zhuǎn)速和25mm/min的切削速度——銑削鎳基合金咕别。我們?cè)噲D采用一些不同的加工方法：用更短的時(shí)間和更低的成本完成同樣的加工任務(wù)。我們可以采用1m/min或更高的切削速度写穴，通過8次走刀乃至16次走刀來完成對(duì)鎳基合金的銑削惰拱，同時(shí)大大減小對(duì)主軸和刀具的磨損，以及作用于工件的加工應(yīng)力星肤。銷售這種加工技術(shù)的最好方式是向用戶展示如何將它應(yīng)用于其最終產(chǎn)品的加工搜栽。”

牧野機(jī)床公司立式加工中心產(chǎn)品經(jīng)理Bill Howard表示溢牡，“由于小吃刀量銑削策略基本上就是減小吃刀量和提高切削速度贱供，因此該方法可能對(duì)機(jī)床功率和切削扭矩要求較低。但仍然要求機(jī)床具有足夠的剛性和精度钥忌÷灿伲”

為了保證良好的加工表面光潔度，每一次走刀都必須與上一次走刀精確匹配虏爸。在每次走刀結(jié)束時(shí)舶惕，需要考慮同樣的因素。Howard說角雅，“如果你所用的機(jī)床剛性很差饶几，就可能會(huì)發(fā)生過切，切削的終點(diǎn)就會(huì)偏離預(yù)定位置材光。這就像在彎曲的賽道上駕駛賽車一樣暮态，如果轉(zhuǎn)彎過多，你就需要不斷在通過彎道時(shí)努力控制賽車速度谍椅∥蟊ぃ”

在談到高速古话、高精度加工機(jī)床時(shí)，Howard介紹了該公司的F系列立式加工中心锁施。該機(jī)床的特點(diǎn)之一是采用了螺距為8mm的滾珠絲杠(而不是更常見的16mm螺距滾珠絲杠)陪踩。這種小螺距絲杠每轉(zhuǎn)一圈的軸向直線位移量為8mm。小螺距滾珠絲杠與數(shù)字伺服技術(shù)相結(jié)合悉抵，使微小的軸向位移可進(jìn)一步細(xì)分為更小的位移增量肩狂，并“幫助賽車以更高的速度轉(zhuǎn)彎”。

與機(jī)床機(jī)械部件配對(duì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用牧野公司為三維復(fù)雜廓形的大進(jìn)給姥饰、高精度加工而設(shè)計(jì)的超級(jí)幾何智能(SGI.4)控制系統(tǒng)傻谁。SGI.4系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)各軸運(yùn)動(dòng)的變化、伺服滯后或刀軌快速變化的跟隨誤差列粪，并提前予以補(bǔ)償审磁，從而最大限度地提高刀軌精度。這種3D誤差補(bǔ)償使該機(jī)床即使在進(jìn)給率比傳統(tǒng)機(jī)床高5倍乃至更多的情況下篱竭，也能可靠地跟蹤加工模具廓形和復(fù)雜幾何形狀的刀具路徑力图。

大進(jìn)給銑刀

為了充分發(fā)揮高效銑削策略的優(yōu)勢(shì)，刀具制造商已開發(fā)出了各種類型的大進(jìn)給銑刀厘乱。英格索爾(Ingersoll)刀具公司的模具加工產(chǎn)品經(jīng)理Bill Fiorenza表示雅跺，采用大進(jìn)給銑刀的目的是提高進(jìn)給率和采用較小的切深，利用切屑減薄效應(yīng)潭女，并促使切削力向上傳入主軸中心枕篡。一般而言，此類刀具能產(chǎn)生均勻一致的切屑負(fù)荷捍秃，并最大限度地減小顫振生香，起到保護(hù)切削刃和延長刀具壽命的作用。Fiorenza說印洒，“雖然各種大進(jìn)給銑刀的幾何形狀各不相同藐病，但大體來說，大進(jìn)給銑刀通常都是具有大前置角的直刃銑刀瞒谱，或采用倒圓三角形赏庙。”

關(guān)于大前置角萤榔，英格索爾公司開發(fā)的SP6H/SP6N S-Max面銑刀采用傾斜的刀片鸯乃，形成與水平面幾乎成80°的大前置角。隨著前置角的增大跋涣，切屑分布在更長的切削刃長度上缨睡，導(dǎo)致切屑厚度變薄。為了獲得足夠的切屑厚度陈辱，就必須提高進(jìn)給率奖年。為了克服S-Max銑刀的大前置角引起的切屑減薄细诸，就需要將其進(jìn)給率提高到0°前置角銑刀進(jìn)給率的5倍。

MAXline產(chǎn)品經(jīng)理Tom Noble認(rèn)為拾并，采用大前置角的好處是可以提高金屬去除率揍堰。例如，用0°前置角銑刀銑削P-20模具鋼時(shí)嗅义，采用的切深為3.8－5mm，切屑負(fù)荷為0.25－0.3mm隐砸。如果改用前置角為80°的銑刀之碗，“切深將會(huì)減小到1.5－1.8mm，但你可能會(huì)采用每齒1.5mm的進(jìn)給率季希，即0°前置角銑刀進(jìn)給率的5倍褪那。這樣，其金屬去除率將是采用0°前置角銑刀的4－6倍既芯∨缥В” Noble強(qiáng)調(diào)，為了減小橫向載荷职涛，對(duì)于長徑比大于3的細(xì)長型銑刀码杆，進(jìn)給率的提高幅度不宜太大。

Fiorenza指出揖们，大進(jìn)給銑削策略也可以用于傳統(tǒng)的紐扣銑刀磁应，這種刀具的切屑負(fù)荷分布在更長的圓形切削刃上，因此切深更小(在0.50－1.25mm范圍內(nèi))捣潭，切屑更薄部糠。一般來說，只要采用較小的切深量军霸，就可以將紐扣銑刀用于大進(jìn)給銑削提甚。不過，大進(jìn)給銑刀的切削性能通常優(yōu)于紐扣銑刀幻彪，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂休^小的刀尖圓弧半徑和徑向吃刀量褪储。圓刀片有一個(gè)使事情復(fù)雜化的因素：相對(duì)于某一切深量的切屑負(fù)荷在不斷變化。

為了計(jì)算出紐扣銑刀切削時(shí)應(yīng)該采用多大的徑向吃刀量栏妖，F(xiàn)iorenza建議用刀具直徑尺寸減去刀片的內(nèi)切圓尺寸乱豆，然后再乘以60%或65%。例如吊趾，紐扣銑刀的直徑為100mm宛裕、刀片內(nèi)切圓尺寸為12.5mm，二者相減等于87.5mm论泛，再乘以60%揩尸，即可計(jì)算出徑向吃刀量應(yīng)為52.5mm蛹屿。Fiorenza表示，該計(jì)算公式通常非常適用岩榆。他補(bǔ)充說错负，不推薦采用中心線切削方式(即吃刀量正好等于刀具直徑的1/2)，因?yàn)檫@樣會(huì)使切削刃突然切入(而不是逐漸切入)工件材料勇边，容易造成較大的沖擊犹撒。而本例采用的逐漸切入方式通常更為合理，并有助于實(shí)現(xiàn)更高的進(jìn)給率畴垃。

編程解決方案

伊斯卡公司行業(yè)項(xiàng)目專家Tom Raun指出栈站，隨著切削速度和進(jìn)給率的提高，為了充分發(fā)揮小吃刀量銑削策略的優(yōu)勢(shì)鲫畸，刀具歇刺、機(jī)床、控制程序和安裝等要素缺一不可霜宙。在以大徑向吃刀量切削時(shí)章慌，對(duì)提高生產(chǎn)率的限制主要體現(xiàn)在刀具上，加工車間需要考慮如何才能在刀具的承受極限內(nèi)盡可能提高進(jìn)給率堕武。而采用小徑向走刀步距與高切速恳繁、大進(jìn)給相結(jié)合的銑削策略時(shí)，限制生產(chǎn)率提高的主要因素從刀具轉(zhuǎn)換為機(jī)床——它的速度能有多快版痪？

Raun說蓉肤，“在最初的小吃刀量銑削策略中，關(guān)注重點(diǎn)是克服切屑減薄什箭，很容易確定使平均切屑厚度恢復(fù)到刀具能正常切削的水平所需的進(jìn)給率棋捷，但實(shí)際上并未考慮同時(shí)提高切削速度∽盥兀”而現(xiàn)在藐俺，加工車間處于“未知領(lǐng)域”，因?yàn)榫哂懈咚僦鬏S的機(jī)床允許在提高進(jìn)給率的同時(shí)也提高切削速度泥彤，而機(jī)床性能的上限并不清楚欲芹。

因此，伊斯卡公司研究了如何將小吃刀量銑削策略標(biāo)準(zhǔn)化吟吝。 Raun表示菱父，“我們將徑向吃刀量鎖定為刀具直徑5%－10%之間的某個(gè)值，并將其作為基準(zhǔn)剑逃，來確定對(duì)于某種給定的工件材料浙宜，可將切削速度提高多少。在許多情況下蛹磺，這是由機(jī)床允許的最高切削速度來決定的粟瞬。我們有時(shí)會(huì)遇到購買的機(jī)床不具備高速切削功能的情況同仆，由于這些機(jī)床不能平穩(wěn)而快速地實(shí)現(xiàn)所需的刀具運(yùn)動(dòng)，因而無法采用小徑向切寬裙品、全軸向切深的銑削方法俗批。”

Raun說斩憾，“在小吃刀量銑削策略的研發(fā)過程中式亥，我們不斷積累相關(guān)的知識(shí)和數(shù)據(jù)，直到我們認(rèn)為自己有了很好的基準(zhǔn)信息淳习，可以將其納入編程系統(tǒng)之中芳迅。”然后馆梦，伊斯卡公司與Mastercam CAM軟件開發(fā)商CNC軟件公司(CNC Software Inc.)聯(lián)手開發(fā)加工程序。Mastercam軟件中包含了為采用小徑向切寬仓貌、大軸向切深銑削法而設(shè)計(jì)的多種刀軌桐继。這些動(dòng)態(tài)銑削(DM)刀軌能始終保持對(duì)銑刀吃刀量的控制。當(dāng)Mastercam的用戶選擇一個(gè)動(dòng)態(tài)刀軌(DT)時(shí)泉互，可以通過在“Iscar HEM”刀軌中激活某項(xiàng)功能蚤弃，改進(jìn)小徑向吃刀量加工的刀具路徑。為此严钞，可從Mastercam X5軟件提供的伊斯卡專項(xiàng)刀具庫中選擇刀具偿尘。選中某種刀具后，程序員輸入初始速度和進(jìn)給參數(shù)(傳統(tǒng)銑槽參數(shù))点待，Mastercam軟件就會(huì)根據(jù)伊斯卡研發(fā)部門提供的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)推薦切削速度和進(jìn)給率阔蛉。Raun說，“在刀軌對(duì)話框中有一個(gè)滑動(dòng)條癞埠，可以兼顧徑向切屑減薄和提高切削速度的所有計(jì)算結(jié)果状原。”

Mastercam的國際銷售/戰(zhàn)略伙伴關(guān)系主管Steve Bertrand說苗踪，“這種方法準(zhǔn)確可靠颠区，可以確保刀具的正確使用，用戶可以充分利用自己的機(jī)床通铲、刀具和軟件毕莱，從中獲得最大收益÷幔”

Raun表示朋截，伊斯卡研發(fā)工作的重點(diǎn)是為最常用的P類和M類(鋼和不銹鋼)ISO工件材料的銑削加工提供技術(shù)支持。目前仍在繼續(xù)開發(fā)用于難加工材料(如航空航天材料)的小吃刀量銑削技術(shù)碗啄。他指出质和，伊斯卡已將該技術(shù)的應(yīng)用重點(diǎn)集中在兩種系列刀具上队乔。一種是該公司開發(fā)的防顫振(CF）。該銑刀采用可變導(dǎo)程刀槽甸诽，可在高速切削時(shí)有效抑制顫振拾肚。另一種是將不同刀具設(shè)計(jì)技術(shù)集于一身的新型“全合一”銑刀。該刀具采用了適合大進(jìn)給切削的刀尖幾何形狀所惶，有利于銑刀平穩(wěn)進(jìn)入切削奶匆；同時(shí)采用了可變導(dǎo)程刀槽，以抑制顫振桦溃。這種刀槽上還分布有一系列鋸齒狀結(jié)構(gòu)晕围，用于分?jǐn)嚅L切屑。這些技術(shù)結(jié)合在一起呐相，促進(jìn)了平穩(wěn)黑寻、高效的高速銑削，同時(shí)還能控制刀具的磨損汞小。

簡便易行是用戶接受新的加工策略(如小吃刀量銑削)的關(guān)鍵晶恨。Raun說，“一些編程難度大的加工方法將難以持久蛛挚。如果沒有像動(dòng)態(tài)銑削這樣的CAM軟件抗斤，小吃刀量銑削就很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槟銦o法對(duì)各種復(fù)雜的刀軌進(jìn)行高效編程丈咐∪鹧郏”

應(yīng)用實(shí)例

位于美國密歇根州的BTM公司主要制造用于鉚接金屬薄壁件的Tog-L-Lok系統(tǒng)。除了生產(chǎn)自己的產(chǎn)品外棵逊，該公司還承接合同加工業(yè)務(wù)伤疙。其中一項(xiàng)軍工任務(wù)是切削加工材料為17-4 PH不銹鋼的封閉端蓋。該零件為方形歹河，有兩種尺寸掩浙，分別為175mm×175mm和175mm×225mm，厚度分別為47mm和66mm秸歧〕Γ客戶提供的工件毛坯是直徑分別為225mm和250mm的圓形棒料，因此BTM必須將其銑削成方形键菱。

BTM在Mazak Ultra 650臥式加工中心上銑削該零件谬墙。最初是用直徑75mm的刀片式面銑刀(裝有7個(gè)刀片)進(jìn)行加工，切削參數(shù)為：表面切削速度84m/min经备，進(jìn)給率380mm/min育另，徑向切寬45mm，軸向切深5mm。以這些參數(shù)加工時(shí)衷谋，面銑刀的金屬去除率為135mm3/min溉谣，在加工308分鐘后需要更換刀片時(shí)，切除的材料重量為41,630mm3榜寸。加工一個(gè)端蓋需要走刀14次胧含，耗時(shí)22分鐘。

Performance Tooling Solutions公司的Segerlin建議用直徑19mm的伊斯卡整體硬質(zhì)合金立銑刀取代原來所用的面銑刀怠竞。立銑刀的切削參數(shù)為：表面切削速度180m/min费控，進(jìn)給率3,300mm/min，徑向切深1.25mm哨遭，軸向切深44.5mm咸培。立銑刀的金屬去除率為294mm3/min，在加工336分鐘后需要換刀時(shí)骑跳，切除的材料重量為98,755mm3疑跑。加工一個(gè)端蓋需要走刀42次，但每個(gè)零件的切削時(shí)間僅為8分鐘炉抒。

銑削工藝改進(jìn)的結(jié)果表明匣椰，利用小吃刀量銑削技術(shù)，可以提高金屬去除率端礼，縮短加工周期和延長刀具壽命。

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