提高切削速度是金屬切......



提高切削速度是金屬切削技術(shù)長(zhǎng)期追求的目標(biāo)，也是切削加工提高效率、降低成本的主要措施。機(jī)械加工的歷史證明，切削速度的提高為機(jī)械

制造業(yè)帶來了巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，切削速度的提高還反映著機(jī)械制造整體技術(shù)水平的進(jìn)步。從八十年代中期開始，制造技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)全面

發(fā)展的新時(shí)期，其特點(diǎn)是以提高切削速度和進(jìn)給速度為目標(biāo)，主要內(nèi)容包括高速主軸單元、快速進(jìn)給和高加（減）速度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高性能的

快速CNC控制系統(tǒng)、高剛性的機(jī)床結(jié)構(gòu)、超硬刀具材料和涂層工藝技術(shù)等。制造技術(shù)的全面進(jìn)展正在把切削技術(shù)推向高速切削（HSC）的新階段

。與五六十年代推廣硬質(zhì)合金刀具時(shí)的所謂高速切削相比，這一輪的高速切削不僅切削速度有成倍的提高，而且可配合采用高的進(jìn)給速度和小

的切削深度，在實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率的同時(shí)使切削力減小，從而還提高了加工質(zhì)量。目前，高速切削已經(jīng)在航空工業(yè)、模具工業(yè)和轎車工業(yè)受到重視

，正在向更廣的應(yīng)用領(lǐng)域拓展。
高速切削的核心是高的切削速度，由于刀具材料、工件材料和加工工藝的多樣性，對(duì)高速切削不可能用一個(gè)確定的速度指標(biāo)來定義。對(duì)于

銑刀等回轉(zhuǎn)刀具，通常以刀具或主軸的轉(zhuǎn)速作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)不同的刀具直徑，現(xiàn)階段一般把轉(zhuǎn)速10000～20000r /min以上視為高速切削。

因?yàn)樵谶@個(gè)轉(zhuǎn)速范圍以上，對(duì)刀具材料、結(jié)構(gòu)、裝夾以及機(jī)床的主軸、結(jié)構(gòu)、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和CNC系統(tǒng)都提出了特殊的要求，需要開發(fā)新的技術(shù)，

其中銑刀結(jié)構(gòu)的安全性就是發(fā)展高速切削所必須解決的一個(gè)技術(shù)問題。
銑削是目前高速切削應(yīng)用的主要工藝，銑刀是主要的高速切削刀具，包括面銑刀、立銑刀和模具銑刀。這類刀具在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)各部分都要
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承受很大的離心力，其作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過切削力的作用，成為刀具的主要載荷，離心力過大足以導(dǎo)致刀體破碎。圖1所示為一把德國Walter公司的

面銑刀在36700r /min時(shí)爆碎后的狀態(tài)。圖2為一把直徑12mm的帶柄銑刀在轉(zhuǎn)速達(dá)到36000r /min時(shí)彎曲、斷裂的情形。這種破損一旦發(fā)生，操

作者往往來不及采取制止措施或躲避，刀體爆飛的碎塊或甩出的零件會(huì)對(duì)操作者造成重大傷害，使機(jī)床設(shè)備、加工工件嚴(yán)重?fù)p壞，帶來很大的

直接經(jīng)濟(jì)損失，甚至造成停工停產(chǎn)，影響產(chǎn)品的交貨，并引起刀具制造商與用戶之間的法律糾紛。因此，研究高速銑刀的安全性技術(shù)，防止這

種由離心力引起的工具損壞，是進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用高速切削的必要前提，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
德國在九十年代初就開始了對(duì)高速銑刀安全性技術(shù)的研究，在機(jī)器制造商協(xié)會(huì)（VDMA）的支持下，以達(dá)姆斯塔特（Darmstadt）大學(xué)制造

技術(shù)與機(jī)床研究所為核心，組成了由刀具制造廠、研究所和用戶參加的工作組，從事高速銑刀安全性技術(shù)的研究。經(jīng)過近十年的工作，取得了

一系列階段性成果，推動(dòng)了世界范圍內(nèi)高速切削技術(shù)的發(fā)展。下面介紹他們的主要研究成果。
首先，試驗(yàn)證明普通銑刀的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度不能適應(yīng)高速切削的要求，因?yàn)槠胀ㄣ姷恫⒎菫楦咚偾邢鞫O(shè)計(jì)，沒有經(jīng)過一定的強(qiáng)度計(jì)算和安全

檢驗(yàn)。用這類刀具加工鋁合金時(shí)，還沒有達(dá)到被加工材料最佳切削速度的一半，刀體或刀片的夾緊系統(tǒng)就失效了。工作組首先就“高速旋轉(zhuǎn)銑

刀設(shè)計(jì)和試驗(yàn)指導(dǎo)意見”進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上，于1994年起草了《高速旋轉(zhuǎn)銑刀的安全性要求》DIN標(biāo)準(zhǔn)，從法律角度規(guī)范制造商和用戶

在設(shè)計(jì)、制造和使用高速銑刀時(shí)的行為和責(zé)任，在技術(shù)上提出了高速銑刀設(shè)計(jì)、制造和使用的指導(dǎo)意見，規(guī)定了統(tǒng)一的安全性檢驗(yàn)方法，以提

高刀具制造商和用戶的安全意識(shí)，保證高速銑削的安全。標(biāo)準(zhǔn)草案規(guī)定了它的適用范圍，即高速切削的速度界限，超過這一界限，離心力成為

銑刀的主要載荷，則必須采用安全技術(shù)。如圖3所示，曲（折）線以上的區(qū)域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)規(guī)定的銑刀必須經(jīng)過安全檢驗(yàn)的高速切削范圍：對(duì)于直徑

d1≤32mm的單件刀具（整體刀具或焊接刀具），高速切削范圍為切削速度≥1000m/min，即線段AB以上的區(qū)域；對(duì)于直徑d1＞32mm的裝配式機(jī)

夾刀具，高速切削范圍為線段BC以上的區(qū)域。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全性檢測(cè)包括形式檢驗(yàn)和樣品刀具的離心力試驗(yàn)。形式檢驗(yàn)的內(nèi)容包括對(duì)設(shè)計(jì)圖紙

、計(jì)算資料、尺寸、裝配狀態(tài)和外觀的檢查。樣品刀具的離心力試驗(yàn)分兩種情況：對(duì)于機(jī)夾式刀具，在1．6倍于最大使用轉(zhuǎn)速（np＝1．6nmax

）下試驗(yàn)，刀具的永久變形或零件的位移不超過0．05mm，或者在2倍于最大使用轉(zhuǎn)速（np＝2nmax）下試驗(yàn)，刀具不發(fā)生爆碎；對(duì)于整體式刀

具則必須在np＝2nmax條件下試驗(yàn)而不發(fā)生彎曲或斷裂。標(biāo)準(zhǔn)要求制造商應(yīng)把刀具的最大使用轉(zhuǎn)速（nmax）和有關(guān)特征參數(shù)、商標(biāo)清晰地、永

久性地標(biāo)示在刀具上，并隨刀具向用戶提供必要的證明文件和安全使用說明。標(biāo)準(zhǔn)還提供了高速銑刀設(shè)計(jì)的指導(dǎo)意見。在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全性技

術(shù)的指導(dǎo)和監(jiān)督下，目前德國生產(chǎn)的高速銑刀已經(jīng)達(dá)到很高的安全性。圖4是由離心力破壞試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的一個(gè)例子，直徑80mm和200mm的銑刀

分別約在35000r/min和25000r/min時(shí)爆碎，考慮安全系數(shù)2，則允許的最大使用速度可分別達(dá)到4000m/min和7800m/min。Mapal公司的PCD高速
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銑刀系列在考慮了安全系數(shù)4以后，所推薦的允許最大切削速度分別為6700m/min（銑刀直徑80mm）和8400m/min（銑刀直徑200mm）。為了滿足

刀具樣品離心力試驗(yàn)的需要，達(dá)姆斯塔特大學(xué)引入了一臺(tái)試驗(yàn)裝置，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)210000r/min，試驗(yàn)范圍為：刀具長(zhǎng)度250mm，刀具直徑

200mm，刀具重量10kg，并制定了標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)程序。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)草案后來作為德國DIN標(biāo)準(zhǔn)建議提交給歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，并于1995年被采納，同

期也作為ISO的國際標(biāo)準(zhǔn)建議征詢會(huì)員國的意見，表明高速銑刀的安全性在國際上取得了廣泛的共識(shí)。
為了加快高速銑刀的開發(fā)過程，工作組還就高速銑刀的強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行了研究。指出防止離心力造成的破壞關(guān)鍵在于刀體的強(qiáng)度是否足夠，

機(jī)夾刀的零件夾緊是否可靠。當(dāng)把離心力作為主要載荷計(jì)算刀體強(qiáng)度時(shí)，由于刀體形狀的復(fù)雜性，用經(jīng)典力學(xué)理論計(jì)算得出的結(jié)果有很大的誤

差，不能滿足安全性設(shè)計(jì)的要求。為此，達(dá)姆斯塔特大學(xué)與斯馬爾卡登（Schmalkalden）制造技術(shù)開發(fā)公司合作開發(fā)了專門用于高速銑刀的有