高效切削技术在模具加工中的应用

　　模具在制造业产品研发、创新和生产中所具有的独特的重要地位，使得模具制造能力和水平的高低成为国家创新能力的重要标志。在现代模具的成形制造中，由于模具的形面设计日趋复杂，因此对模具加工技术提出了更高要求，即要保证高的制造精度和表面质量，又要追求加工表面的美观。另一方面，随着全球化的进程，制造业的国际竞争也变得越来越激烈，为了在竞争中立于不败之地，许多企业都致力于“降低成本”、“缩短交货期”等。模具的高精度化、高效化加工已成为模具工业重要的目标。当今世界模具制造业面对的诸多矛盾中，效率是最主要的矛盾。实践证明，只有通过对效率的不断追求，才能经济有效的处理好其他矛盾。所以，在现代模具制造技术的发展中，效率被推到了最为突出的位置。高效切削技术成为现代模具制造技术的主流，是必然的发展趋势。

　　作为模具应用中的术语——“高速切削（HSC）”实际上意味着两个不同的方面。首先，它意味着在很高的主轴转速和超高的进给率的精加工保证加工后表面光洁度好到足以明显降低，甚至消除在钳工台上的辅助手工精加工。另外，这个术语还指在高的金属切除率下进行重粗加工。因此，高速切削是高效加工的手段之一，更重要的是高速切削可以导致工艺替代，从而简化生产工艺流程。在模具制造中用高速硬铣替代电火花加工是一个十分典型的例子，淬硬后的工件可在一次装夹下通过粗铣和高速精铣加工成成品。这方面还反映出，高速硬铣的应用，为模具制造实现CAD/CAM/HPC的集成创造了条件。高速硬铣工艺无疑给模具制造技术带来了一次重大变革。

　　但是，高效切削（HPC）不仅仅是速度的提高，HPC铣削被描述为能满足提高金属去除率要求的铣削加工。铣削单位时间的材料切除量可用Q=ae×ap×vf/1000=ae×ap×fz×z×n/1000(cm3/min)来表示。铣刀所能达到的材料切除率已成为衡量铣刀加工性能的一个重要指标。fz是其中一个重要的参数，它和诸多因素有关，如被切削下来的材料的切屑厚度。在加工某一类特定的工件材料时，为了获得最佳的切屑厚度，需要采用不同的切削参数。编制CNC加工程序时需要输入的每齿进给量可用以下公式计算：fz＝h/sinκ。针对某一类工件材料，给出的h值有一个数值范围，其中较小的数值为切削起始点的切屑厚度值。在机床功率达50hp的加工中心上铣削加工铝或非铁族合金时，推荐的切屑厚度范围为h=0.051～0.076mm；加工不锈钢、铝合金和耐热超级合金时，推荐的切屑厚度范围为h=0.076～0.152mm；加工钢、铸铁和球墨铸铁时，推荐的切屑厚度范围为h=0.152～0.254mm。如果采用大于推荐值的切屑厚度，则要冒着刀片过载和切削刃崩损的风险。

　　一种提高刀片承载能力的方法是增加刀片的尺寸，如增加厚度来提高刀齿的强度。铣刀的立装刀片结构，将通常刀片承受载荷的平截面改为立截面，不改变刀片尺寸，而只改变刀片安装方向来增加刀片承载能力，如HELITANG立装螺旋刃铣刀。

　　从切屑厚度h值入手来提高切削效率是近年高效切削的一个卓有成效的思路。

　　切屑厚度h=fz×sinκ与刀具的主偏角有关，对于直刃面铣刀立铣刀，主偏角一定，切屑厚度也是恒定。而圆形铣刀例外，圆弧切削刃每一点的主偏角是变化的。当圆弧刃切削时，如90时切屑厚度是1，那么70时就是0.94，60为0.87，45时为0.71。圆刀片切出的切屑厚度将随着切削深度的增加而增大。因此，可采用平均切屑厚度hm来表示圆刀片的切削厚度。对于不同类型的工件材料，典型的hm值选取范围与上述h值的选取范围相同。

　　将一种圆刀片与一种90刀片的切削情况作比较。如果两种刀片采用相同的切削深度和每齿进给量进行切削，则它们切除的切屑量也完全相同。但是，如果当切削深度为圆刀片内切圆的1/2时，圆刀片的切屑厚度将减薄29%，这是因为圆刀片与工件径向接合的切削刃较长的缘故。换言之，如果圆刀片和90刀片各自切除的切屑量相等，而圆刀片切削产生的切屑长度比90刀片长约50%，则圆刀片切出的切屑厚度必然会大幅度减薄。此时，如果进给量保持不变，而切削深度减小至等于铣刀圆刀片的25%，则在切屑量相等的情况下，圆刀片铣刀切出的切屑厚度将减薄50%。为了达到通过减薄切屑厚度来提高生产率的目的，选取的最大切削深度应为圆刀片内切圆的20%～25%。

　　由于切屑厚度随着切削深度的变浅而减薄，因此为了获得高的加工生产率，需要通过提高进给率来补偿较小的切削深度。无论是使用圆刀片或是小主偏角的铣刀，均可利用切屑减薄效应来实现高进给率铣削。

　　因此，在确定输入CNC加工程序的每齿进给量时，将变量平均切屑厚度hm和主偏角κχ代入计算公式fz=hm/sinκ中，进给率可获得大幅度提高。

　　利用轴向减薄技术的例子：这个任务涉及到宽1500mm、长1500mm、厚430mm及硬度HRC36～40的P20模具钢的粗加工。模具的设计上需要在粗加工时切除超过2000kg的材料。为了完成这个重载粗加工任务，需要大量时间和资源。最初使用直径4in（1in=25.4mm，下同）的圆刀片铣刀用于粗加工，刀片的每个切削刃通常仅能连续加工约15min，对于淬硬的P20工具钢的加工参数为切深1mm、进给速度约为1000mm/min。而且，这种粗加工刀具具有很大的刀尖圆弧半径，那意味着精加工刀具最终将要碰到更多的加工量。解决方案是用D100的仿形铣刀。使用IC908牌号的D12刀片，在转速450r/min、切深1.5mm时获得了1650mm/m的进给速度。使用这把铣刀时，每个切削刃的刀片寿命1h，为原来的4倍。但这还是不能令人满意。后来，采用了ISCAR的FEEDMILL飞碟铣刀，这个系列刀具使用一种特殊形状的三角形刀片，它能承受高达每齿3.5mm的进给量。三角形的刀片使用大的圆弧半径，切削刃外形使得刀具在很高的进给速度下运转，每齿切除量很大。另外，刀片设计成底部带有一个凸台，能装到刀片座上相匹配的孔里。这使得刀片能承受更高的切削力，使其能运转于比常规更高的进给速度。有了这种设计，刀片被更牢固地夹紧，并因此能释放通常作用到夹紧螺钉的大部分应力。于是切削力沿轴向作用到主轴上，即使加工时有长的悬伸也有助于提供稳定性。加工时，主轴上的悬伸超过203mm，使用D63mm的FEEDMILL、切深为1mm，以转速800r/min和进给速度6350mm/min运转。小的主偏角减薄切削使每齿能承受更高的进给。

　　小主偏角减薄切削技术也可用在模具加工的其他铣刀，如八角铣刀片每齿进给可达3.0mm、变形金刚铣刀每齿进给1.0mm和牛鼻刀每齿进给1.5mm。

　　这种高进给技术不仅用于专门的FEEDMILLL，在最常规的可转位立铣刀上也得到了应用。例如，ISCAR可装在常规立铣刀上的APKT10和ADKT15的高进给铣刀片，这种多刃型大进给圆角刀具的设计理念是在有限的刀具外径内，根据以往的刃数设计方法，将切削刃尺寸缩小，但又不会降低刃口强度。将大进给圆角立铣刀的刀片主切削刃半径设定为R8。与半径同为R8的圆刀片相比，它具有相同的刃口强度，但又最大限度地缩小了刀片面积。如ADKT1505R8T-FF，每齿进给可达1.5mm，是普通铣刀ADKT1505PDR的5～10倍。

　　改变切屑截面还可以减小切削力。模具的深腔加工常被振动问题所困扰，刀具采用大的悬伸量加工深的部位，其刚性与悬伸长度的四次方成反比，加工效率的主要制约因素是加工振动，所以必须降低走刀速度。通过改变切屑的形状，可以在切屑截面不变的情况下提高走刀速度，或者在同等金属去除率的情况下，可以降低切削阻力和消耗功率15%～30%。

　　ISCAR风火轮铣刀圆刀片的波形刃将长的切屑分屑，降低了切削力，使铣刀在10倍长径比的条件下也能稳定可靠的切削，同时碎的切屑在深腔中较容易排出，避免了长切屑对加工的纠缠，以及被二次切削的可能。特别为模具工业设计的锯齿形刀片，用于深腔加工，刀具稳定性高，排屑流畅，切削力小。

　　从上述内容可以看出，HPC的焦点是优化切削效率，以获得最大的材料切除率。与HSC不同的是，HPC通常将主轴转速控制到一定的程度，既产生很大的切削力矩和功率，又允许较大的进给和兼顾一定的吃刀深度。HPC也不同于传统的大余量切削，在大余量切削方式下，刀具充分切入材料，而HPC仅利用刀具有效直径的一小部分进行切削，为提高进给速率和材料切除率酌留余地。因此，HPC是决定一个加工过程性能潜力的关键技术量值，与传统的加工技术相比，能提高200%~500%。更广义的解释就是，HPC这个名词还意味着对整个加工工艺链进行优化，目标是还要将生产成本降低10%～30％。

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