高速铣削--刀具设计和硬质合金的发展

关键词：高速铣削、刀具设计、硬质合金、表面光洁度

介绍

在金属加工业内其中一个十分重要及致力达到的目标是提高生产效率。生产效率是建基于增加切削速度、进给量和切削深度，配以高性能和高速加工方法能大大降低生产组件的整体成本。客户分析数据显示，增加金属排屑速度（cm3 / m）对降低生产成本有决定性的影响。相反地，刀具寿命和刀具价格的降低对生产成本的影响相对有限。

高性能和高速切削技术能为客户带来高效益、高精密度及崭新的加工工艺等好处，因此越来越普及和受欢迎。这项技术的优点是提高表面光洁度、减低切削力及提高排屑量，使生产工序更有效。此外，轻合金在不同工业上应用的需求日益增加，例如在航天工业上轻合金的重要性也越来越高，同时在加工结构性组件时配以高性能和高速加工方案也相对提高。因此，在切削刀具方面，也要求在粗加工时有高的排屑速度，同时也能达到精加工的最佳表面光洁度。这两项要求也成为我们"森拉天时"在开发高速及高性能轻合金加工刀具系列（包括刀体、刀片形状及硬质合金的设计）时的重要目标。

刀体的设计

刀体的设计, 在于当刀片夹紧在刀体时必须能承受高性能切削（高进给量）所产生的高切削力和特别是每分钟3万转以上的高转速（高速切削）所产的高离心力。

在几年以前，刀具连刀片的最大可容转速是铣削工序中的限制因素。新设计将超越了这个极限，在刀具直径为32mm和可用切削刃长为18mm的刀体可承受超过每分钟4万转的转速。同时为了保证切削位置的高度准确性，刀片座的侧面定位壁和 "V形定位槽"能完全把刀片固定和达到非常高的定位精度。在航天工业上，这一点对于达到薄壁侧面的表面光洁度要求是非常重要。此外， 经德国Darmastadt技术大学PTW的实验室所作的几个离心力测试结果显示，"V形定位槽"的特殊设计能够提高刀体的抗离心力约25%。

在设计过程当中使用有限元分析设计软件Finite Element Modelling可提供有关刀具在最高切削力和最大转速下受临界力的表现和额外重要信息。

显而易见，当刀具转速达45,000 rpm的情况下刀体会出现高达40μm的轴向塑性变形和500 N/mm2的最大应力。尤其在高频率的转速负载条件下，钢刀体所承受的高轴向抗拉力、最大应力和高转速疲劳效应的情况下可以降低刀具体的寿命。在这项工程中，要达到改善刀具的稳定性和增加刀体的寿命, 减低最大应力为主要目标。因此，在设计过程中直接使用了著名的有限元分析设计软件Finite Element Modelling。

刀片设计和切削刃方向

在轻合金的高速加工中, 刀片的形状需要非常锋利的刀刃和特大的正前角以保证加工组件薄壁在低切削力下得到精确的表面。因此，刀片带有高前角γ和侧角α设计。此外，特大的正轴向前角更可大大降低切削力，同时改善工件表面光洁度。

刀片能结合粗加工的最高排屑速度，同时也能达到精加工的最佳表面光洁度为设计刀片时的主要目标。这样，即使是在型腔粗加工，工件侧壁的也会有完美的表面光洁度。因此，可以省去许多后期的精加工工序。为达到这样的加工效果, 我们以卓越的高科技铣削刀体及刀片设计技术, 专注于航天工业中结构性组件上的光滑表面相对于平行旋转轴（侧壁）的理论上。为此，要争取切削刃与刀体的旋转轴成正90°垂直是必要的。与此方法相反，刀体、刀片座和刀片本身的应用公差、以及上面提及的切削力和离心力所造成的偏离，都为这90°垂直设计的理想侧壁表面光洁度带来极大的偏差。结果显示，工件表面上的接距面会较要求的公差大。这尤其是因为刀刃的锋利边缘结构以及两刀铣削所致。

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