高效铝合金加工用PCD面铣刀

汽车与航空等制造业中新型的轻合金、复合材料以及非金属材料用得越来越多，对这些材料的高效加工主要要依靠PCD(聚晶金刚石)刀具，因此PCD刀具的重要作用也日趋明显。轻合金，特别是其中的铝硅合金，材料来源多、对环境无污染、对人体无害、重量轻、导热性好、热膨胀小、体积稳定、比强度比刚度大，综合力学性能好以及耐磨耐蚀。铝硅合金的共晶点为12.5%，故含硅低于12.5%为亚共晶铝硅合金，大于12.5%为过共晶铝硅合金。由于组织中分散存在硬的结晶硅，含硅量越多，材料总体硬度越高，更耐磨，但刀具磨损也增快，故又比一般铝合金难以加工。铝硅合金气缸比铸铁气缸重量轻，燃油费会相应的下降，散热效果好，工作效率高、寿命长以及节油。铸铁气缸还存在工艺复杂、生产线占地面积大和加工时对环境有污染等缺点。铝硅合金虽尚有不足，但发展的优势明显。近来，一些高效、高精度加工铝硅合金的PCD刀具不断地出现，并不断地得到改进和发展。本文将介绍最新推出的一些铝硅合金加工用先进的面铣刀。在介绍之前，先对面铣刀的基本设计和选用作一些分析。面铣刀的设计和选用时，一般应根据最大的切深确定刀片的尺寸，根据工件的尺寸选择面铣刀的直径，根据工件的材料选择刀片的材料，加工铝硅合金、复合材料等制的零件应选用PCD，这种材料是人们在高温高压下将人工合成金刚石粉末加结合剂(钴、镍等)烧结制出，硬度高达8000 Hv左右，远高于硬质合金，导热系数也远高于硬质合金，摩擦系数为其1/4，热膨胀系数为其1/5，故热变形很小，加工精度高。它对有色金属，非金属的亲和力非常小，加工中切屑不易粘结在刀片上，难以生成积屑瘤，造成刀片粘结损伤，能较好保证加工表面质量。通常为提高加工效率，面铣刀刀齿数z可选用得较多，因为在具有一定的每齿进给量fz时，每转的进给速度=z×fz的乘积也增大，即进给速度就越快，如再乘上每分钟转数n,那么每分钟的进给速度也在增加，每转每分钟的加工效率就高。当然铣削力会增大，为此需要所选用的机床有足够的动力和刚性。一般主偏角应根据工件的刚性及是否会发生干涉等因素选择，铝合金工件刚性一般较差，特别是气缸等空心结构的零件。因此，为使工件减少变形提高加工精度，主偏角可用90°，如果为提高进给速度，齿数增多，虽铣削力增大，因主偏角若是90°，切削力主要作用在径向，没有大的背分力压向工件。工件会发生的变形很小，就不会影响加工精度。加工表面的精度和表面质量与铣刀刀齿的振摆精度也直接有关，刀片在刀体上突出高度应尽可能一致，不一致时的调节方式一般有螺钉式和楔块式。前者较简单，后者较复杂精确，应距具体情况选择。铝合金一般强度低，通常切削速度可高出钢数倍，为使面铣刀能在高速下稳定地加工。它的结构应简单重量轻、均衡、使生成的离心力尽可能小。另外，操作调节也应力求简易方便。

图1 FMAX型面铣刀及其微粒金刚石刀片

三菱公司最新推出的FMAX型面铣刀实现了大进给、高速和高精度对铝硅合金的加工。FMAX设计可实现2000～3000 m/min左右的高切削速度和F>20 m/min的大进给速度，为此，他们开发了良好的铣削加工专用的超微粒金刚石烧结体MD系列作为刀片材料，这种新产品烧结后，金刚石微粒之间除结合剂使彼此结合外，金刚石微粒间也能结合，这样就可以确保刀尖和棱边的形状和尺寸稳定可靠，因为是微粒金刚石烧结体，韧性可比一般的金刚石烧结体大，即使在断续切削时，它的耐破损性能也好，寿命也长，还能抑制毛刺生成，加工表面质量高且稳定。MD系列烧结体的金刚石，其颗粒粒度由最粗到最细依次共有MD205、MD220、MD230和MD2030四种。粗的硬度高、耐磨性好，细的韧性高、耐破损性好。气缸体中空其上下，左右，前后各面，均有孔、空穴，是断续表面，铣削时有冲击，故精加工时可选用了粒度最小耐破损性最好的MD2030。这种材料铣削亚共晶铝硅合金切削速度可达2000～3000 m/min，每刃齿的进给量可达0.05～0.2 mm/刃齿，对过共晶铝硅合金切削速度为400～800 m/min，每刃齿进给量可与亚共晶相同。FMAX面铣刀有标准型和多刃型两种，标准型直径有80 mm、100 mm、125 mm三种，相对刃齿数为10 mm、12 mm、16 mm。同样直径的多刃型刃齿数则增为14 mm、18 mm、24 mm。

图2 刀体保护装置和内冷却液孔

由于FMAX可实现高速大进给，每分钟的排屑量大大增加，大量的切屑不断撞击刀体，极易使刀体损伤，FMAX面铣刀在刀片前刀面前装有刀体保护装置，可较理想地实现切屑卷曲和排出，切实地保护了刀体。另外还设有内部冷却液排出孔，既实现了冷却润滑，又可配合刀体保护装置促进实现良好的排屑。超高转速造成的离心力极易使刀片飞出，故设计成燕尾槽式固定结构，螺钉压紧处也设计成防飞散的斜面槽。为了减少总体的重量，刀体用铝合金和特殊合金钢制成，整体还保持了高刚性。为方便安装FMAX面铣刀，其中心孔结构，设计得可与市面上销售的标准面铣刀刀柄相结合。安装问题也简单牢固地得以解决。

FMAX面铣刀所设计安装后刀片的轴向前角为5°，径向前角为0°。由于铝合金缸体刚性不高，为尽量要减少加工时切削背分力造成的工件变形，主偏角设计为90°(即余偏角为0°)。这样即使为提高生产率，增多刀齿数，构成多刃齿型面铣刀，切削力增大，背分力还是很小，不会使工件发生变形损伤，可保证同时实现高的加工精度。为经济使用，可以在刀片磨损后，进行多次重磨，设计使最大径向和轴向的重磨量为0.6 mm.从而延长它总的使用寿命。但需注意，在实际使用中，同一把面铣刀应安装重磨量相同的刀片。

图3 燕尾槽和防飞散结构

FMAX面铣刀为提高加工精度和加工表面质量必须控制刀齿刀尖的振摆量。它的调整机构精度高，且容易操作。具体结构是将粗调螺钉与微调螺钉结合在一起，结构简单又提高了调整精度可确保多次重磨后，控制各刀齿振摆精度在5 μm以内。

铣削时切削宽度可以等于铣刀直径也可以小于铣刀直径，FMAX作为精加工面铣刀，设计规定其最大切削深度为3 mm,如果切削宽度较宽，由于排屑的空间缩小了，影响散热，此时须同时控制切削深度。以释放出空间，应使切削深度不过深，一般宜选择在2 mm以内。另外需注意，FMAX面铣刀最高转速高。为了减少高速下的不平衡，刀体上安装了平衡调整螺钉。但微小的不平衡还会引起的振动，使加工表面粗糙度变差。通过转速对加工表面粗糙度影响的试验曲线知。一般8000 r/min，加工出的表面粗糙度较好。如果应用了推荐的切削用量，则使用FMAX面铣刀加工铝硅合金气缸体各平面，在保证良好的加工质量条件下，一般切削效率可较过去提高2倍多。

图4 Mapal的新一代PCD面铣刀

德国Mapal公司推出的ECO-MILL和POWER-MILL的PCD面铣刀很知名。他也采用PCD刀片，并采用整体铝合金刀体，90°主偏角，燕尾槽防飞出机构，保护刀体装置，分别采用楔块和螺钉机构调节振摆精度，和上述面铣刀设计的理念非常近似，但又各具特色。最近Mapal在上面两种型号的基础上又推出EcoMill-blue和RapidMill-Blue新一代PCD面铣刀。Mapal改进创新出新的PCD铣刀刀夹能通过专门设计的排屑槽、冷却润滑液喷出系统，也能使其结构形状尺寸尽可能最大限度地清除切屑，使之离开工件表面达到无残留，这样就还可以减少了之后的工件清洗成本。在加工长切屑材料时，尤其是在干切削和油雾润滑切削时，明显地减少加工痕迹提高加工表面质量。原来的EcoMill刀片刀夹是可更换式，在这基础上又进一步改进，使之调换操作更稳固方便。新的RapidMill-Blue在原Power-Mill基础上改进了结构，能够配置更多刀片。使直径为125 mm的面铣刀刀片数达到z=28，更进一步地提高了产能。和原设计相比，刀片伸出很少，又最大程度减少振动降低了噪声。它的PCD刀片也可以修磨多次，以提高效益。

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