聚焦高效铣削加工技术：提高生产效率

　　【编者按】聚焦高效铣削加工技术是提高生产效率、缩短加工时间和降低生产成本的重要途径。刀具技术的不断发展，尤其是在刀具材料的进一步优化、高效铣削工艺得到了迅速发展，并在航空业和模具制造业获得了广泛应用。

　　加工诸如飞机整体构件、模具型腔、 压缩机环形叶盘和涡轮叶片以及 大型动力设备箱体等这样一些材料切除量大，形状又复杂的构件，采用高效铣削是提高生产效率、缩短加工时间和降低生产成本的重要途径。近10多年来，随着高效刀具的不断开发和工艺参数的进一步优化，高效铣削工艺得到了迅速发展，并在航空业和模具制造业获得了广泛应用。

　　采用较高的ap和ae工艺参数，提高材料切除率

　　高效铣削的特征是具有很高的材料切除率，这也是衡量其加工经济性的重要指标。材料切除率（Q）是背吃刀量（ap）、侧吃刀量（ae）和进给速度（vf）三个工艺参数的乘积。而进给速度又是每齿进给量（fz）、刀齿数（z）和铣刀的转速（n）的乘积。所以材料切除率可用下式来表示：

　　Q=ap.ae.vf
　　=ap.ae.fz.z.n (cm3/min)

　　我们从铣削加工的这两个关系式中可以看出，当采用较大的切削深度（达1-2倍的铣刀直径）、铣刀直径大小的侧吃刀量和较高的进给速度（相应较高的铣削速度）时，可以极大地提高材料的切除率。

　　采用这种加工工艺对于制造飞机薄壁整体结构件具有特别重要的意义。因为要将整块高强度塑性铝合金加工成整体构件需要切除掉90%-95%的材料。这样大的加工量，只有通过采用特别高效的切削工艺，以最短的时间切除掉尽可能多的材料才能降低生产成本。这样的需求也就促进了飞机制造业率先采用了高效切削工艺，例如欧洲航空防务及航天公司（EADS）在生产军用飞机的整体构件（2000年）时，就通过采用高效加工把加工时间由先前常规加工所需的25小时缩短到了12小时，把加工时间缩短了一半以上（图1） 。

　　高效铣削这种高效加工工艺不仅用于飞机的各种整体结构件的加工，而且还应用来从棒料加工成叶片，甚至愈来愈多地用来从一块实心材料高效加工飞机发动机的压缩机叶盘（图2），无需制造单个叶片再进行装配。在铣削钢、铸铁和合金钢件的槽、台肩和槽腔以及进行重切削时，也常常采用高效铣削工艺。铣槽时，背吃刀量一般达1.5D-2D。为平稳地进行切削和减少功率消耗，一般采用有不等分刀齿、不同螺旋角和正前角的铣刀。

　　高效铣削工艺，旨在充分利用主轴最大功率的情况下尽可能获得最大的材料切除率。

　　目前，高效铣削铝合金的材料切除率一般可高达8000-10000 cm3/min (8-10 升/min)。然而，随着时间推移，更高的材料切除率以进一步缩短加工时间，成为市场上更大的需求。

　　Darmstadt工业大学生产工程和机床研究所所进行的铣削试验表明，当工件重1.5 吨，要切除的材料份额为构件重量的70%时，如将材料切除率从8 L/min 提高到12 L/min ，则粗加工的时间可缩短33%（图3）。而高的材料切除率需要足够高的主轴功率。例如采用Seco公司的JHP490高效铣刀在铣削铝合金结构件的槽腔时，通过采用较大的径向和轴向切削深度使材料切除率达到9557 cm3/min, 而切削功率高达117 kW（图4）。

 　　从这个实例中可以看出，高转速、大功率和高转矩的电主轴是提高铝合金材料切除率的重要条件，目前，像GMN和Fischer等电主轴生产厂家相继推出了新的高转速、大功率电主轴。如GMN的HCS170-40000/100 (n=40000 r/min, p=100 kW)，Fischer的MFW-2715/20 (n=20000r/min，Ps1/s6-40%=150/187 kW)。当电主轴的功率为150 kW时，其铣削的材料切除率就可达到12750 cm3/min。

　　为了高效加工飞机铝合金整体结构件，DST公司近年来专门推出了ECOSPEED F 高效加工中心（图5），主轴功率120 kW, 转速达30000r/min. 机床采用并联运动机构的Sprint-Z3 加工头，运动质量轻， 动态性能好，可实现复杂结构件最佳的5轴联加工。

　　而牧野公司的新一代大型卧式加工中心Ａ4-A20，主轴功率达120 kW，而handtmann公司为达到极高的材料切除率而专门设计的AeroCell卧式加工中心，其主轴功率高达150 kW（S6时，功率：180kW），最大功率时的材料切除率可达12.8 l/min，相当于一分钟切下35 kg重的铝合金。为便于排屑，加工工作台作了立式配置。 

 　　为了可靠实施高效铣削铝合金结构件，除了配有大功率高转矩的电主轴外，还需要有刀具、刀夹和机床等参与切削的各部件的协调配合。为防止高效铣削时产生震动，精细颗粒的硬质合金镀层铣刀则采用不等分齿或不同的螺旋排屑槽（如350/380）。在高效铣削时，会产生很大的切削力和扭矩，采用的刀夹应具有很大的夹持力，以防止铣刀从刀夹中脱落。而机床除具有很高的刚性和工作稳定性外，还应便于排屑，并配有高效的排屑系统。
用较小的k和较大的fz工艺参数提高材料切除率

　　以较小的主偏角（k）和较大的每齿进给量（fz）为特征的大进给量铣削工艺，是继上面所述高效铣削工艺之后，约在2003年在模具制造中发展起来的高效铣削新工艺。

　　在随后的几年中，这种工艺在诸如锻模、成形模、注塑模和模型等制造领域里，都得到了推广应用。与前述高效铣削工艺的主要不同之处，是后者采用了有着较小主偏角或较大刀刃园弧半径的铣刀，可采用比直角铣刀多好多倍的进给速度，由此显著提高了材料的切除率。

　　主偏角（k）是可转位刀片的主切削刃与工件加工表面之间的一个夹角，这个角度的大小直接影响到切屑的厚度、切削力和刀具的寿命。而大进给量铣削工艺的众多优点正是得益于采用了较小的主偏角。

　　很显然，主偏角越小，平均切屑厚度越薄（h=fz sin k），作用于刀刃上的径向切削分力就越小，加工就越平稳。而相应较大的轴向分力则沿轴向作用于机床的主轴轴承上（图6 、图7和表1 ）。这样，铣削加工时，铣刀就不至于发生弯曲变形，而加工较深型腔时，所采用的较长悬伸铣刀也不会有产生震动的风险，大大提高了过程可靠性，还提高了刀具的使用寿命，从而允许显著地提高铣刀的每齿进给量，进而大大提高进给速度。此外，铣刀大多采用较大的、正的径向和轴向前角，实现软切削，减小了消耗的功率。

　　近十年来，诸如LMT、Ingersoll、Seco、Walter和Franken Fette等许多刀具制造厂商相继开发出了众多的大进给量高效铣刀，这些铣刀的结构虽然不尽相同，但它们的共同特点是都具有适合于实现高速进给的刀刃几何形状。

　　这种几何形状的特点是切削刀刃具有一个很大的园弧半径或具有一个较平坦的主偏角。其中如 LMT Fette正方形大园弧刀刃半径的铣刀、Walter的三棱形三刃铣刀和Horn三角形大园弧刀刃半径的铣刀，这些铣刀都采用了较小的主偏角（10°-20°），可采用很高的每齿进给量和很高的进给速度进行铣削加工，以获得很高的材料切除率以及较短的加工时间。

　　众多大进给量高效铣削工艺的使用表明，采用高效铣削与采用常规铣削工艺相比，其材料的切除率可提高300%-500%，加工时间可降低100%-150%，加工费用约可降低60%-70%。

　　例如，采用装有三个可转位园刀片的常规拧装式铣刀粗铣模具钢（40Cr MnMoS86）材质的玻璃瓶吹模，切削速度Vc=250 m/min, 每齿进给量fz=0.3mm，背吃刀量ap=0.75mm,侧吃刀量ae=18mm，铣削过程中采用冷风冷却。粗铣的加工时间为9分钟。

　　而采用Franken公司装有三个具有大园弧半径的Time-S-Cut可转位刀片的铣刀，进行同样的加工，而在切削用量方面只是将背吃刀量ap 降至0.5mm, 而fz提高到1.0mm, 这时的加工时间仅用了4分钟。加工时间为采用园刀片铣刀铣削时的45%，时间节省了125%。

　　又例如，高效粗铣挤压机孔板的槽腔，孔板材料X5CrNiCuNb15 5合金钢，机床小时使用费用为230欧元。过去采用的铣刀加工2个槽腔后就需要换刀，后改用Walter公司专门为加工模具而开发的F2330 型高效大进给量铣刀，现在加工5个槽腔后才需要换刀。

　　主偏角很小，切屑变薄，径向切削力减小，因而可采用很高的进给速度，从而获得显著的技术经济效果（表2）：

　　在这个实例中，其费用的节省是通过缩短加工时间所获得的。其中还没有考虑刀具使用寿命的提高和辅助时间（换刀）的减少所带来的效益。

　　再举一个例子。德国G.M.W 公司采用Ingersoll公司的SP2L大进给量铣刀，铣削大型船用柴油发电机不锈钢箱体件（4400×3200×2200mm）的端面和接合面，铣刀主偏角仅为13°，每齿进给量达2.5mm，铣刀进给速度达到6000mm/min，材料切除率达1435cm3/min，比以往的加工提高了3倍。一年加工12件就节省了40000欧元，降低了67%的加工费用。

　　应指出，采用大进给量铣刀进行高效加工，由于切屑很薄，径向切削力较小，功率消耗少，故可以在常规的普通机床上使用，有很好的使用柔性。

　　10多年来，相继发展起来的以高材料切除率为特征的高效铣削工艺，无论是采用高切削参数（ap 、ae 、vc和vf）的高效铣削，还是采用小主偏角和大进给量的高效铣削，这两种高效铣削，显然已成为航空工业和模具制造业以及汽车等行业提高粗铣效率、缩短加工时间和降低生产成本的极为有效的手段。

　　＋－对于高效铣削工艺来说，刀具技术的不断发展，尤其是在刀具材料、涂层和几何形状方面的不断发展和优化组合，对开发各种高效铣刀起了决定性作用。特别要提及的是，优化切削刀刃的几何形状是提高大进给量铣刀材料切除率的基础。而机床、电主轴、刀夹、冷却和控制技术的不断发展则为高效铣刀加工能力的发挥提供了条件。

　　今后，用户的高要求和刀具的三要素（刀具材料、涂层和刀具几何形状）以及机床等相关技术的协同发展仍将是推动高效加工技术发展的重要动力。

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