關(guān)鍵詞：高速銑削蛆器、刀具設(shè)計、硬質(zhì)合金鲫畸、表面光潔度

介紹

在金屬加工業(yè)內(nèi)其中一個十分重要及致力達到的目標是提高生產(chǎn)效率歇刺。生產(chǎn)效率是建基于增加切削速度、進給量和切削深度霜宙，配以高性能和高速加工方法能大大降低生產(chǎn)組件的整體成本章慌。客戶分析數(shù)據(jù)顯示堕武，增加金屬排屑速度（cm3 / m）對降低生產(chǎn)成本有決定性的影響恳繁。相反地，刀具壽命和刀具價格的降低對生產(chǎn)成本的影響相對有限夫泛。

高性能和高速切削技術(shù)能為客戶帶來高效益擎骄、高精密度及嶄新的加工工藝等好處，因此越來越普及和受歡迎伸畅。這項技術(shù)的優(yōu)點是提高表面光潔度隔屠、減低切削力及提高排屑量，使生產(chǎn)工序更有效馍驯。此外阁危，輕合金在不同工業(yè)上應(yīng)用的需求日益增加，例如在航天工業(yè)上輕合金的重要性也越來越高汰瘫，同時在加工結(jié)構(gòu)性組件時配以高性能和高速加工方案也相對提高狂打。因此，在切削刀具方面混弥，也要求在粗加工時有高的排屑速度趴乡，同時也能達到精加工的最佳表面光潔度。這兩項要求也成為我們"森拉天時"在開發(fā)高速及高性能輕合金加工刀具系列（包括刀體蝗拿、刀片形狀及硬質(zhì)合金的設(shè)計）時的重要目標晾捏。

刀體的設(shè)計

刀體的設(shè)計, 在于當(dāng)?shù)镀瑠A緊在刀體時必須能承受高性能切削（高進給量）所產(chǎn)生的高切削力和特別是每分鐘3萬轉(zhuǎn)以上的高轉(zhuǎn)速（高速切削）所產(chǎn)的高離心力。

在幾年以前哀托，刀具連刀片的最大可容轉(zhuǎn)速是銑削工序中的限制因素粟瞬。新設(shè)計將超越了這個極限，在刀具直徑為32mm和可用切削刃長為18mm的刀體可承受超過每分鐘4萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速萤捆。同時為了保證切削位置的高度準確性裙品，刀片座的側(cè)面定位壁和 "V形定位槽"能完全把刀片固定和達到非常高的定位精度。在航天工業(yè)上长笋，這一點對于達到薄壁側(cè)面的表面光潔度要求是非常重要斩憾。此外式亥， 經(jīng)德國Darmastadt技術(shù)大學(xué)PTW的實驗室所作的幾個離心力測試結(jié)果顯示，"V形定位槽"的特殊設(shè)計能夠提高刀體的抗離心力約25%淳习。

在設(shè)計過程當(dāng)中使用有限元分析設(shè)計軟件Finite Element Modelling可提供有關(guān)刀具在最高切削力和最大轉(zhuǎn)速下受臨界力的表現(xiàn)和額外重要信息纸藕。

顯而易見，當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速達45,000 rpm的情況下刀體會出現(xiàn)高達40μm的軸向塑性變形和500 N/mm2的最大應(yīng)力钮庆。尤其在高頻率的轉(zhuǎn)速負載條件下冗炊，鋼刀體所承受的高軸向抗拉力、最大應(yīng)力和高轉(zhuǎn)速疲勞效應(yīng)的情況下可以降低刀具體的壽命垒某。在這項工程中知援，要達到改善刀具的穩(wěn)定性和增加刀體的壽命, 減低最大應(yīng)力為主要目標。因此慈琼，在設(shè)計過程中直接使用了著名的有限元分析設(shè)計軟件Finite Element Modelling星自。

刀片設(shè)計和切削刃方向

在輕合金的高速加工中, 刀片的形狀需要非常鋒利的刀刃和特大的正前角以保證加工組件薄壁在低切削力下得到精確的表面。因此芋沽，刀片帶有高前角γ和側(cè)角α設(shè)計塑崖。此外，特大的正軸向前角更可大大降低切削力痛倚，同時改善工件表面光潔度规婆。

刀片能結(jié)合粗加工的最高排屑速度，同時也能達到精加工的最佳表面光潔度為設(shè)計刀片時的主要目標蝉稳。這樣聋呢，即使是在型腔粗加工，工件側(cè)壁的也會有完美的表面光潔度颠区。因此，可以省去許多后期的精加工工序通铲。為達到這樣的加工效果, 我們以卓越的高科技銑削刀體及刀片設(shè)計技術(shù), 專注于航天工業(yè)中結(jié)構(gòu)性組件上的光滑表面相對于平行旋轉(zhuǎn)軸（側(cè)壁）的理論上毕莱。為此，要爭取切削刃與刀體的旋轉(zhuǎn)軸成正90°垂直是必要的颅夺。與此方法相反朋截，刀體、刀片座和刀片本身的應(yīng)用公差吧黄、以及上面提及的切削力和離心力所造成的偏離部服，都為這90°垂直設(shè)計的理想側(cè)壁表面光潔度帶來極大的偏差。結(jié)果顯示竖沦，工件表面上的接距面會較要求的公差大胎融。這尤其是因為刀刃的鋒利邊緣結(jié)構(gòu)以及兩刀銑削所致。

我們與一家最大型的航天設(shè)備生產(chǎn)商合作舍屠，發(fā)明了一項新的設(shè)計美怪。新設(shè)計的獨特之處在于軸向切削刃當(dāng)中的橢圓結(jié)構(gòu)圃活，這補償了以上在切削過程中所產(chǎn)生的有關(guān)切削刃方向現(xiàn)成公差。顯示切削刃在軸向延長時被分成兩個部分蒸咏。

第一部分展示了銑削刀具直徑在不斷增加至最大的軸向旋轉(zhuǎn)值归鲸。第二部分,刀具直徑以最低的斜面在不斷減少, 并以第一部分作比較。這個形狀的特點是在切削過程中形成了一個修光效果悬坎。軸向切削刃當(dāng)中的橢圓結(jié)構(gòu)的詳細形狀定桃。以上提及的兩種不同斜面以α1、α2及一個特殊后角α3所表示伸义，見程序為有效：

α1>α2≦α3 

根據(jù)這個形狀何别，切削刃顯示了刀具在一點上的最大直徑，以一圓點表示蛛挚。a1max 和 a2max 的數(shù)值代表了修光效果的強弱抗斤。如程序為有效，則以上提及的標準90o條件便成立丈咐。

a1max = a2max = 0

如果a1max 和 a2max 的數(shù)值太高瑞眼，隨著側(cè)壁波浪紋的增加，再次降低了表面質(zhì)量棵逊。結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計倚賴于切削深度ap伤疙，ap可決定參數(shù)a1max 、a2max辆影、α1和α2的最佳值徒像。比較在標準條件下加工后的側(cè)壁結(jié)構(gòu)及新設(shè)計。

刀體蛙讥、刀片座锯蛀、刀片軸向的現(xiàn)成公差、以及在切削過程中刀具變形所產(chǎn)生的偏差次慢，都可以用以上的形狀結(jié)構(gòu)做出某程度上的補償旁涤。

硬質(zhì)合金及實驗結(jié)果

為證明以上演示的修光效果，我們進行了多次復(fù)雜的實驗迫像。實驗采用Starrag-Heckert CWK 400 Dynamic高速加工中心辙炒，MHPC.32.R.03-19.HSK63A-L121 高性能高速銑刀和XDHX 190440FR-27P刀片。

硬質(zhì)合金

由于在高速銑削時的高沖擊貧率和高沖擊負載薇兆，刀片在高轉(zhuǎn)速下會承受斷裂和疲勞的風(fēng)險牌君。事實證明在反復(fù)旋轉(zhuǎn)負載的情況下，30%的缺口應(yīng)力可導(dǎo)致硬質(zhì)合金損壞肯矾。因此在高速切削應(yīng)用中截剩，刀片材質(zhì)的強度，韌性和抗疲勞性都是首要考慮的特性界赦。此外怠竞，高速切削刀具材質(zhì)還要求：刀片表面質(zhì)量及整體材質(zhì)中的極低密度缺陷轻樟，以及一致的微細結(jié)構(gòu)性和微細晶粒度也是同樣重要的累澡。切削材質(zhì)中的含鈷(Cobalt)成份越高谢奕，材質(zhì)的韌性和抗斷裂性越大谷庐，晶粒度越小，耐磨性越高骑跳，但在切削過程中當(dāng)溫度增加疑跑，抗變形性就會降低。在以上測試中炉抒，使用了一種適合加工航天應(yīng)用鋁材的典型硬質(zhì)合金材質(zhì)奢讨。一張硬質(zhì)合金類型WC-6Co 的微細結(jié)構(gòu)放大圖，展現(xiàn)了一致及經(jīng)過精細打磨后而不帶合金方粒的緊密結(jié)構(gòu)焰薄。平均晶粒度約1μm, 硬度經(jīng)分析后為1630 HV30拿诸。

月牙洼磨損、側(cè)面磨損塞茅、積屑瘤亩码、邊緣缺損和缺口磨損都是刀片應(yīng)用中早期失效的主要問題，也會降低工件材料的表面質(zhì)量野瘦。一種稱為"mircrofinish"的表面拋光處理工序描沟，使用仿如鏡面(表面拋光)的刀刃，可減少月牙洼磨損鞭光、邊緣缺損和積屑瘤吏廉。在測試中刀具系列并沒有使用特別的涂層，所有測試的刀片都是在無涂層的條件下進行惰许。

實驗過程和結(jié)果

在測試過程中席覆，選用了不同的步驟加工一件3.4364材料，抗拉強度為550N/mm2的鋁塊胜玖。其中一件加工后的鋁塊照片袄优。測試中使用的進給量fz 為0.1mm，ae 在0.3mm到15mm之間基列，ap為6到8mm之間。

使用Perthometer M4P裝置以垂直于進給方向掃描工件表面卿黍，量度表面粗糙度军笑。顯示了測試結(jié)果，分別量度了平均粗糙度Ra及代表著在特定的量度距離下, 工件表面最高和最低點距離的最大粗糙度Rmax见拴。結(jié)果顯示擅暴，使用以上提及的新方法，即帶橢圓結(jié)構(gòu)的切削刃加工工件馒毙，量度出來的工件表面質(zhì)量大大的提升了项栈。再者手欣，第一部分所示刀片切削第一步驟形成的波浪紋表面會被第二步驟削平。這個工序的有效刀刃在第二部分映检。在側(cè)壁表面波度上癞樊，工件表面上可見的對比線表達了修光效果，也代表了加工范圍凛澎。相反地霹肝，以標準90o刀片加工后的工件表面則起了顯著的側(cè)壁表面波度，并形成節(jié)距塑煎，Rmax值高達35μm沫换。

總結(jié)和展望

本文介紹了一個革新的刀片設(shè)計方法，有效提高了航天工業(yè)用的結(jié)構(gòu)性組件和類似工件的側(cè)壁表面質(zhì)量最铁。由刀體讯赏、刀片座、刀片軸向的現(xiàn)成公差冷尉、以及在切削過程中刀具變形所產(chǎn)生的偏差漱挎，都可以用以橢圓結(jié)構(gòu)做出某程度上的補償，并同時避免刀刃的鋒利邊緣結(jié)構(gòu)以及兩刀銑削所形成的節(jié)距网严。配以特大的正前角(斷屑槽形)和V形定位槽設(shè)計使切削速度和進給量能提升到每分鐘達7000cm3的排屑量识樱，并維持良好的表面質(zhì)量和光滑度。V形定位槽設(shè)計可使刀片能抵受強大的離心力震束，而達到每分鐘4萬轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速怜庸。要達到可靠的切削工序和最佳的表面光潔度，還須同時考慮排屑效果及振動等額外因素姚转。特別是振動的分析谋扼，這是在加工當(dāng)中刀具和主軸系統(tǒng)共同產(chǎn)生的特有自然共振頻率所激發(fā)，增加了對其技術(shù)應(yīng)用中刀具表現(xiàn)的了解而作出更準確的預(yù)測们敢。輕合金航天應(yīng)用薄壁組件咐准，透過特殊設(shè)計的刀片形狀、硬質(zhì)合金的選擇及刀體設(shè)定慷训，使加工應(yīng)用更為有效, 生產(chǎn)效率更高消李，同時獲得更佳的表面質(zhì)量〔蹰伲可是苔眼，在高性能（高排屑量）應(yīng)用中不斷提高的進給量和切削速度的情況下，刀具润邑、車床及主軸生產(chǎn)商仍然面對著來自穩(wěn)定性稽星、主軸設(shè)計、工序控制系統(tǒng)和保安各個范疇的新挑戰(zhàn)哄谆。