铣削加工的改进

要实现经济的金属切除作业，必须全盘考虑整个加工过程。在许多情况下，与采用廉价刀具相比，采用高质量铣刀，可选用更高的进给量和切削速度，并可获得更长的刀具寿命。由于加工时间减少，大大提高了生产率和成本效益。

我们可以采用多种不同的方法，来降低制造成本。由于直接减少刀具成本的方法，实施起来简便而迅速，所以经常有人做这方面的尝试。据专业刊物报导，刀具成本仅占总制造成本4％左右，这是众所周知的事实。因此可以推断，采用高质量刀具可节省更多的费用。因为高质量的刀具允许采用最大的进给量，从而可获得最短的加工时间。实际上，降低成本要从金属切除作业的整体来考虑。如果用户希望经济地使用现今的刀具，就必须研究某些要素。首先是约束参数和刀具使用条件，还包括加工材料。这对于刀具的选择和切削参数的确定极为重要。可以看到，在湿切削、干切削和硬材料切削中，加工可靠性是一个重要的因素。具有异常锋利刀刃和合适几何形状的刀具，可减小切削力和摩擦生热。

湿切削在冷却润滑液条件下用端铣刀进行铣拐角

切削和约束参数对不同涂层高速钢刀具的耐用度有重大影响，见右图。该图描述了铣削奥氏体不锈钢(材料牌号：1.4301)时，无涂层和TiN、TiCN、TiAlCN、TiAlN涂层端铣刀的耐用度。刀齿进给量f_z是变量。随着进给量的增大，涂层刀具的耐用度明显变大。这是由于不锈钢切削时的加工硬化所致。在刀齿进给量小时，切屑在上次切削的加工硬化区内形成，使应力作用在刀具及其涂层上。这说明TiCN、TiAlN和TiAlCN涂层具有有利的性能。随着进给量的增大，相对于金属去除率的比切削力减小。在较低的应力载荷下，TiN、TiCN、TiAlCN和TiAlN涂层不再显示任何不同(表1，A)。从这些关系所表露的事实，可通过减少涂层的重复性而节省刀具费用。为此，瑞士Alesa公司将标准刀具的涂层限定在TiN、TiAlN和TiAlN-X几种。其他涂层刀具也可按要求供应。
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表1　湿切削的切削用量
	刀具							切削用量
	材料	工序	铣刀类型	刀直径 mm	齿数	刀片	刀片材料	每齿进给量fz mm/Z	切削速度 V_c m/min	切深 a_P mm	切宽 a_B mm
A	DIN 1.4301 (X5GrNi1810)	铣角	端铣刀	10	4				60	13	2
B	DIN 1.4301 (X5GrNi1810)	铣槽	Alesa螺旋式90° AO 20R	63	5			0.12	19.8	16	63
C	GGV-40	粗铣	面铣刀 90°SD 12R	160	10	SDFT 1204- AEFN	硬质合金 MG-20 TiAIN (单层)	0.15	130	2.0	130
D	GGV-40	精铣	面铣刀 45°SD 12R	10	SDFT 1204- AEFN	硬质合金 MG-20 TiAIN (单层)	0.05	130	1.0	130

在奥氏体不锈钢上铣槽

机床之外，实践中某些参数已基本上不必再选。在第一个例子中，这些与切削宽度a_e、深度a_p和材料有关。尽管如此，该例还是说明了依据使用高速钢刀头的切削规范，可实现的切削性能。附加的措施确保了可靠的加工。该例还表明，涂层是非常合适的。为获得最佳结果，奥氏体不锈钢(材料牌号为1.4301)是在一台稳固的立式铣床上进行切削的。该铣床主轴驱动电机功率为22kW，铣削时以较小压力从外部供给冷却润滑液。

首先，必须保证可靠排屑。排屑是借助一套压缩空气喷射装置直接完成的。允许的最大切削速度V_c和刀具进给量，受限于由机床、工件、工件夹紧机构和刀具组成的系统的刚度。甚至，稍稍增大切削速度就会触发显著的振动。结果，使刀刃在瞬间遭到破裂。采用槽铣刀时(左图)，刀具持续时间可达40～60min(下图)。由图可知，从磨损的观点看，TiAlN涂层刀具的效果最佳。至于工件的表面质量，不同涂层间无任何差别。该试验结果，在后来的实际加工中得到证实(表1，B)。

GGV-40铸铁制发动机缸体的加工

虽然现有的GGV铸铁已经问世多时。但因其始终如一的可再现特性，直到最近才能加工。与灰铸铁(GGL)相比，它具有较高的强度和弹性模量；与球墨铸铁(GGG)相比，它更耐温度波动和具有更好的浇铸性能和阻尼性能。这些有利的性能的结合，使GGV铸铁特别适合用作制造发动机缸体的材料。但加工时由于刀具磨损严重，至今，切削加工仍是一个难题。在惯用的切削速度下，刀具耐用度比切削普通铸铁下降30％～50％。由于加工条件和切削参数由自动线给出，因而，提出了是否采用特殊刀具几何形状、细晶粒硬合金和特殊耐磨涂层组合的问题，以使耐用度得以提高。

试切是用45°SD12R面铣刀(表1，C、D)，在Maho 800H型加工中心上进行的。

表面粗糙度和表面质量符合规定的标准。在进行了八次粗铣和两道精铣后，刀具的磨损仍不明显。与标准机夹刀片相比，这种锐刃涂层刀片切削得相当好，且整个切削过程几乎寂静无声。大流量冷却液用于冲走切屑和稳定系统的温度。这说明硬质合金在目前是合用的，它特别适用于冷却辅助切削。

干切削

干式切削免去了冷却、润滑和由冷却液冲走切屑的主要功能。因而，这种切削方式不能用来吸收切削时产生的那部分热量。尽管如此，所提供的合适的切削材料、涂层、刀具几何形状和工艺参数均经过预选确定，干切削是可行的。出于健康方面的原因以及燃烧和爆炸的危险，无论如何，应注意抽走因干切削所产生的微细屑末。

如今，已有适用于做刀具材料的硬质合金。采用机夹刀片的刀具几何形状在刀具的选择中起着重要的作用。刀具涂层也极为重要。它必须能实现两个功能：其一，它在刀具与工件之间起一个热壁垒的作用，从而减小作用于刀具基体上的热应力；同时，它起一种固体润滑剂的作用，以减小摩擦和切屑的附着。理想的涂层应能阻碍这类磨损，不致损坏刀具，且延续的时间要尽可能地长。目前，TiAlN涂层便是其中一种能满足这些要求的高性能涂层。

铣削导柱

由于所需切削力和发热量有限，采用干切削加工导柱并不困难。不管长度如何，被加工工件都会产生少量变形。但由于所用的切削力异常地小，所造成的变形也很小。结果，加工时间明显缩短。干切削时，必须切记，不管采用何种刀具涂层，加工过程中产生的热量，总有一部分会传到刀具上，并再经刀具传到刀具主轴，尤其是在工件特别长或延长加工时间的情况下。

导柱(用St52-3制成)上的槽，是采用45°SD12R面铣刀铣削的。铣刀上装有SDFT 1204 AEFN机夹刀片(参见表2，A)。鉴于这些刀片刀刃的耐用度超过40min，因而，不用换刀，便可加工10个以上的工件。在此情况下，最大金属切除率达到315cm³/min。平面铣削是使用90°AP 16R面铣刀进行的，铣刀上装有APFT 1604PDR刀片(参见表2，B)。

铣削多位夹具

该工件由工具钢(材料牌号：1.2312)制成，平面加工由铣削完成，槽部挖空且将角铣至90°。基于这些情况，考虑采用干切削。这不仅可保证顺利地排屑，而且能不太困难地实现稳定可靠的加工。压缩空气用于辅助排屑，尤其是在铣削槽部和角部时。采用这种方法可防止切屑回落到切削区。每个刀刃的耐用度为45～60min(参见表2，C～E)。

表2　干切削的切削用量
	刀具							切削用量
	材料	工序	面铣刀	刀具直径 mm	齿数	刀片	刀片材料	每齿进给fz	切削速度 V_c m/min	进给量 V_f mm/min	切深 a_P mm	切宽 a_B mm
A	St52-3	槽铣	Alesa 45°SD 12R	50	4	SDFT 1204 AEFN	硬合金 MG-20 TiAIN(单层)	0.25	260	1400	2.0	50
B	St52-3	平面铣	Alesa 90°SD 16R	50	4	APFT 1604 PDR	硬合金 MG-20 TiAIN(单层)	0.1	260	640	3.5	17
C	工具钢 1.2312	平面铣	Alesa 45°SD 12R	100	7	SDFT 1204 AEFN	硬合金 MG-20 TiAIN(单层)	0.084	150	280	5	75
D	工具钢 1.2312	扩孔	Alesa 45°SD 12R	50	4	SDFT 1204 AEFN	硬合金 MG-20 TiAIN(单层)	0.084	150	320	5×3	50
E	工具钢1.2312	开槽铣	Alesa 90°AP 16R	50	4	SDFT 1604 PDR	硬合金 MG-20 TiAIN(单层)	0.06	140	214	15	1

铣削淬硬金属

与干切削一样，使用几何形状确定的刀具加工淬硬零件，在金属去除加工领域是一种突破性的工艺技术。它特别适用于大量生产。目前，硬化零件的加工程序通常的安排是，加工成形后便进行热处理，以磨削作为最后工序。淬硬金属切削的优点在于，淘汰了金属工件在未淬硬状态下的成形加工。这是由“接近纯粹形状”技术支持的。淬硬零件的最后成形，是用一种专用刀具直接完成的。因此，可明显地缩短工件的传送和切削时间。另一个优点是可加工出具有很高表面质量的工件。

这种技术的出现是基于：新的制造概念和机床设计；高温硬质切削材料的出现和涂层技术的发展，另外还包括低导热性和高耐热、耐化学性技术的发展。

只有在能量转换点产生的高温，使材料软化，硬金属的加工才是可行的。适用作切削材料的有CBN(立方氮化硼)、陶瓷和超细晶粒硬质合金。成功地进行加工的先决条件，是正确地选择切削速度、进给量和切削深度等加工参数。由于作用于刀具上的应力载荷相当高，因而这些参数要小于切削未淬硬金属的参数，特别是切削深度。这样能达到的金属去除率也相对较低。确保淬硬工件边缘的金属组织不会在切削过程中遭到破坏也是很重要的。这在刀具锋利时进行切削加工是能实现的，但随着刀刃的磨损，边缘区域可能会受影响。

铣削导轨

铣削导轨时，工件(参见左图)局部表面淬硬至60～62HRC。对于曲面以及从淬硬材料与未淬硬材料的过渡区，采用间断加工法。加工该工件型面的外轮廓相当困难。加工是在驱动电机额定功率为10kW的加工中心上进行的。

铣削时所用铣刀为90°AP16R面铣刀，其直径为80mm，6齿，用装有带TiAlN涂层的硬质合金APFT 1604 PDR刀片，刀片前角为18°。所用切削速度200m/min，进给量100mm/min，切削宽度48mm，分三个工步，每工步切深2.5mm，每齿进给量为0.02mm。刀具可稳定地加工50多个工件。具有标准几何形状的刀具不能加工淬硬金属。

充分合作

将来，为能经济地完成金属去除工作，需要用户与刀具、机床及涂层制造厂商密切合作。在制造环境方面，刀具制造厂商的作用将从单独供货商变为在很大程度上共担生产责任的协作者。他将不仅管理刀具后勤和与生产过程有关的服务，而且需要提供优化加工参数的技术支持。用户期待着新的技术，以保证其产品的质量符合要求并能确保加工的可靠性。当然，在每个决策阶段，成本效益仍起着决定性的作用。

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刀具涂层铣刀润滑加工

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