原著：Dr. U. Schleinkofer, W. Koch, J. Duwe, Ch. Ertl
撮要：輕合金在不同工業(yè)上應(yīng)用的需求日益增加掌范，例如在航天工業(yè)上輕合金的重要性也越來越高勿见，同時(shí)在加工結(jié)構(gòu)性組件時(shí)配以高性能和高速加工方案也相對(duì)提高星茶。因此，在切削刀具方面埠浩，也要求在粗加工時(shí)有高的排屑速度飒胜，同時(shí)也能達(dá)到精加工的最佳表面光潔度。這篇文章將針對(duì)這兩項(xiàng)要求屠伴，分別闡述刀座射严、刀片形狀及硬質(zhì)合金的系統(tǒng)性發(fā)展，并演示發(fā)展目標(biāo)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果管挟。
重要用詞：高速銑削轿曙、刀具設(shè)計(jì)、硬質(zhì)合金僻孝、表面光潔度 | | | |
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在金屬加工業(yè)內(nèi)其中一個(gè)十分重要及致力達(dá)到的目標(biāo)是提高生產(chǎn)效率导帝。生產(chǎn)效率是建基于增加切削速度、進(jìn)給量和切削深度穿铆，配以高性能和高速加工方法能大大降低生產(chǎn)組件的整體成本您单。客戶分析數(shù)據(jù)顯示荞雏，增加金屬排屑速度（cm3 / m）對(duì)降低生產(chǎn)成本有決定性的影響虐秦。相反地，刀具壽命和刀具價(jià)格的降低對(duì)生產(chǎn)成本的影響相對(duì)有限凤优。
高性能和高速切削技術(shù)能為客戶帶來高效益悦陋、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。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是提高表面光潔度俺驶、減低切削力及提高排屑量究油，使生產(chǎn)工序更有效。此外去弹，輕合金在不同工業(yè)上應(yīng)用的需求日益增加团尿，例如在航天工業(yè)上輕合金的重要性也越來越高，同時(shí)在加工結(jié)構(gòu)性組件時(shí)配以高性能和高速加工方案也相對(duì)提高毛溅。因此袭澎，在切削刀具方面，也要求在粗加工時(shí)有高的排屑速度关灰，同時(shí)也能達(dá)到精加工的最佳表面光潔度鞭眠。這兩項(xiàng)要求也成為我們"森拉天時(shí)"在開發(fā)高速及高性能輕合金加工刀具系列（包括刀體、刀片形狀及硬質(zhì)合金的設(shè)計(jì)）時(shí)的重要目標(biāo)犬岔。 | | | |
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刀體的設(shè)計(jì), 在于當(dāng)?shù)镀瑠A緊在刀體時(shí)必須能承受高性能切削（高進(jìn)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)的高離心力抑希。
在幾年以前，刀具連刀片的最大可容轉(zhuǎn)速是銑削工序中的限制因素把赢。新設(shè)計(jì)將超越了這個(gè)極限勤适，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。同時(shí)為了保證切削位置的高度準(zhǔn)確性钝尸，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(dá)到非常高的定位精度括享。在航天工業(yè)上，這一點(diǎn)對(duì)于達(dá)到薄壁側(cè)面的表面光潔度要求是非常重要珍促。此外铃辖， 經(jīng)德國Darmastadt技術(shù)大學(xué)PTW的實(shí)驗(yàn)室所作的幾個(gè)離心力測(cè)試結(jié)果顯示，"V形定位槽"的特殊設(shè)計(jì)能夠提高刀體的抗離心力約25%（見圖1）猪叙。 | |
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在設(shè)計(jì)過程當(dāng)中使用有限元分析設(shè)計(jì)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)和額外重要信息娇斩。
顯而易見，當(dāng)?shù)毒咿D(zhuǎn)速達(dá)45,000 rpm的情況下刀體會(huì)出現(xiàn)高達(dá)40μm的軸向塑性變形和500 N/mm2的最大應(yīng)力穴翩。尤其在高頻率的轉(zhuǎn)速負(fù)載條件下犬第，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芒帕。在這項(xiàng)工程中瓶殃，要達(dá)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(biāo)。因此副签，在設(shè)計(jì)過程中直接使用了著名的有限元分析設(shè)計(jì)軟件Finite Element Modelling遥椿。 | |
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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。因此淆储，圖4中的刀片帶有高前角γ和側(cè)角α設(shè)計(jì)舶卧。此外熬慎，特大的正軸向前角更可大大降低切削力，同時(shí)改善工件表面光潔度乔胆。
刀片能結(jié)合粗加工的最高排屑速度鳖建，同時(shí)也能達(dá)到精加工的最佳表面光潔度為設(shè)計(jì)刀片時(shí)的主要目標(biāo)。這樣济季，即使是在型腔粗加工淌窄，工件側(cè)壁的也會(huì)有完美的表面光潔度。因此韭购，可以省去許多后期的精加工工序权炫。為達(dá)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(jì)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(duì)于平行旋轉(zhuǎn)軸（側(cè)壁）的理論上。為此膜狈，要爭取切削刃與刀體的旋轉(zhuǎn)軸成正90°垂直是必要的岁且。與此方法相反，刀體缺沿、刀片座和刀片本身的應(yīng)用公差乃楣、以及上面提及的切削力和離心力所造成的偏離，都為這90°垂直設(shè)計(jì)的理想側(cè)壁表面光潔度帶來極大的偏差童叠。結(jié)果顯示框喳，工件表面上的接距面會(huì)較要求的公差大。這尤其是因?yàn)榈度械匿h利邊緣結(jié)構(gòu)以及兩刀銑削所致厦坛。 | |
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我們與一家最大型的航天設(shè)備生產(chǎn)商合作五垮，發(fā)明了一項(xiàng)新的設(shè)計(jì)。新設(shè)計(jì)的獨(dú)特之處在于軸向切削刃當(dāng)中的橢圓結(jié)構(gòu)粪般，這補(bǔ)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[4]拼余。圖5顯示切削刃在軸向延長時(shí)被分成兩個(gè)部分污桦。
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)值亩歹。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(gè)形狀的特點(diǎn)是在切削過程中形成了一個(gè)修光效果凡橱。圖6顯示了軸向切削刃當(dāng)中的橢圓結(jié)構(gòu)的詳細(xì)形狀小作。以上提及的兩種不同斜面以α1、α2及一個(gè)特殊后角α3所表示稼钩，見程序（1）為有效：
α1>α2≦α3 （1）
根據(jù)這個(gè)形狀顾稀，圖6的切削刃顯示了刀具在一點(diǎn)上的最大直徑，以一圓點(diǎn)表示猛糯。a1max 和 a2max 的數(shù)值代表了修光效果的強(qiáng)弱陋沫。如程序（2）為有效，則以上提及的標(biāo)準(zhǔn)90o條件便成立轨府。
a1max = a2max = 0 （2）
如果a1max 和 a2max 的數(shù)值太高（分別代表為α1和α2）岁之，隨著側(cè)壁波浪紋的增加闹彩，再次降低了表面質(zhì)量。結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)倚賴于切削深度ap估宏，ap可決定參數(shù)a1max 投充、a2max、α1和α2的最佳值（見圖6）芙卸。圖7比較在標(biāo)準(zhǔn)條件下加工后的側(cè)壁結(jié)構(gòu)（見a和b）及新設(shè)計(jì)（見c）敷液。
刀體、刀片座后摧、刀片軸向的現(xiàn)成公差粱祟、以及在切削過程中刀具變形所產(chǎn)生的偏差，都可以用以上的形狀結(jié)構(gòu)做出某程度上的補(bǔ)償玷秋。 | |
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| 硬質(zhì)合金及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 | |
為證明以上演示的修光效果冒窍，我們進(jìn)行了多次復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用Starrag-Heckert CWK 400 Dynamic高速加工中心豺鼻，MHPC.32.R.03-19.HSK63A-L121 高性能高速銑刀和XDHX 190440FR-27P刀片综液。
硬質(zhì)合金
由于在高速銑削時(shí)的高沖擊貧率和高沖擊負(fù)載，刀片在高轉(zhuǎn)速下會(huì)承受斷裂和疲勞的風(fēng)險(xiǎn)儒飒。事實(shí)證明在反復(fù)旋轉(zhuǎn)負(fù)載的情況下谬莹，30%的缺口應(yīng)力可導(dǎo)致硬質(zhì)合金損壞。因此在高速切削應(yīng)用中桩了，刀片材質(zhì)的強(qiáng)度附帽，韌性和抗疲勞性都是首要考慮的特性。此外井誉，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)中的極低密度缺陷蕉扮，以及一致的微細(xì)結(jié)構(gòu)性和微細(xì)晶粒度也是同樣重要的。切削材質(zhì)中的含鈷(Cobalt)成份越高颗圣，材質(zhì)的韌性和抗斷裂性越大喳钟，晶粒度越小，耐磨性越高在岂，但在切削過程中當(dāng)溫度增加奔则，抗變形性就會(huì)降低。在以上測(cè)試中滋箫，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)汹囱。圖8是一張硬質(zhì)合金類型WC-6Co 的微細(xì)結(jié)構(gòu)放大圖，展現(xiàn)了一致及經(jīng)過精細(xì)打磨后而不帶合金方粒的緊密結(jié)構(gòu)箕径。平均晶粒度約1μm, 硬度經(jīng)分析后為1630 HV30陡料。
月牙洼磨損、側(cè)面磨損迅督、積屑瘤陪罕、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秕颖，也會(huì)降低工件材料的表面質(zhì)量。一種稱為"mircrofinish"的表面拋光處理工序灰铅，使用仿如鏡面(表面拋光)的刀刃疚函，可減少月牙洼磨損、邊緣缺損和積屑瘤概栗。在測(cè)試中刀具系列并沒有使用特別的涂層枕厅，所有測(cè)試的刀片都是在無涂層的條件下進(jìn)行。 | |
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在測(cè)試過程中犁柜，選用了不同的步驟加工一件3.4364材料洲鸠，抗拉強(qiáng)度為550N/mm2的鋁塊。圖９是其中一件加工后的鋁塊照片馋缅。測(cè)試中使用的進(jìn)給量fz 為0.1mm扒腕，ae 在0.3mm到15mm之間，ap為6到8mm之間萤悴。使用Perthometer M4P裝置以垂直于進(jìn)給方向掃描工件表面瘾腰，量度表面粗糙度。圖10顯示了測(cè)試結(jié)果覆履，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(diǎn)距離的最大粗糙度Rmax蹋盆。結(jié)果顯示，使用以上提及的新方法硝全，即帶橢圓結(jié)構(gòu)的切削刃加工工件栖雾，量度出來的工件表面質(zhì)量大大的提升了。再者伟众，第一部分（見圖5）所示刀片切削第一步驟形成的波浪紋表面會(huì)被第二步驟削平析藕。這個(gè)工序的有效刀刃在第二部分（見圖5）。在側(cè)壁表面波度上凳厢，工件表面上可見的對(duì)比線表達(dá)了修光效果诱紫，也代表了加工范圍（見圖11）。相反地涛闺，以標(biāo)準(zhǔn)90o刀片加工后的工件表面則起了顯著的側(cè)壁表面波度鳖灰，并形成節(jié)距须涕，Rmax值高達(dá)35μm征离。 | |
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本文介紹了一個(gè)革新的刀片設(shè)計(jì)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)量肚让。由刀體引继、刀片座、刀片軸向的現(xiàn)成公差级嘀、以及在切削過程中刀具變形所產(chǎn)生的偏差广莉，都可以用以橢圓結(jié)構(gòu)做出某程度上的補(bǔ)償恨摩，并同時(shí)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。配以特大的正前角(斷屑槽形)和V形定位槽設(shè)計(jì)使切削速度和進(jìn)給量能提升到每分鐘達(dá)7000cm3的排屑量德检，并維持良好的表面質(zhì)量和光滑度屋嘉。V形定位槽設(shè)計(jì)可使刀片能抵受強(qiáng)大的離心力，而達(dá)到每分鐘4萬轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速澎灸。要達(dá)到可靠的切削工序和最佳的表面光潔度院塞，還須同時(shí)考慮排屑效果及振動(dòng)等額外因素。特別是振動(dòng)的分析性昭，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)拦止，增加了對(duì)其技術(shù)應(yīng)用中刀具表現(xiàn)的了解而作出更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。圖12所示范的輕合金航天應(yīng)用薄壁組件糜颠，透過特殊設(shè)計(jì)的刀片形狀汹族、硬質(zhì)合金的選擇及刀體設(shè)定，使加工應(yīng)用更為有效, 生產(chǎn)效率更高其兴，同時(shí)獲得更佳的表面質(zhì)量顶瞒。可是元旬，在高性能（高排屑量）應(yīng)用中不斷提高的進(jìn)給量和切削速度的情況下搁拙，刀具、車床及主軸生產(chǎn)商仍然面對(duì)著來自穩(wěn)定性法绵、主軸設(shè)計(jì)箕速、工序控制系統(tǒng)和保安各個(gè)范疇的新挑戰(zhàn)。 | | | |
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