提高切削速度是金屬切......



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

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

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

快速CNC控制系統(tǒng)、高剛性的機床結(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給速度和小

的切削深度，在實現(xiàn)高生產(chǎn)率的同時使切削力減小，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，對高速切削不可能用一個確定的速度指標來定義。對于

銑刀等回轉(zhuǎn)刀具，通常以刀具或主軸的轉(zhuǎn)速作為衡量標準，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。

因為在這個轉(zhuǎn)速范圍以上，對刀具材料、結(jié)構(gòu)、裝夾以及機床的主軸、結(jié)構(gòu)、進給驅(qū)動和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技術(shù)問題。
銑削是目前高速切削應用的主要工藝，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)時各部分都要
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承受很大的離心力，其作用遠遠超過切削力的作用，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)速達到36000r /min時彎曲、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對操作者造成重大傷害，使機床設備、加工工件嚴重損壞，帶來很大的

直接經(jīng)濟損失，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，是進一步發(fā)展和應用高速切削的必要前提，具有重要的現(xiàn)實意義。
德國在九十年代初就開始了對高速銑刀安全性技術(shù)的研究，在機器制造商協(xié)會（VDMA）的支持下，以達姆斯塔特（Darmstadt）大學制造

技術(shù)與機床研究所為核心，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，試驗證明普通銑刀的結(jié)構(gòu)和強度不能適應高速切削的要求，因為普通銑刀并非為高速切削而設計，沒有經(jīng)過一定的強度計算和安全

檢驗。用這類刀具加工鋁合金時，還沒有達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

刀設計和試驗指導意見”進行了研究，在此基礎上，于1994年起草了《高速旋轉(zhuǎn)銑刀的安全性要求》DIN標準，從法律角度規(guī)范制造商和用戶

在設計、制造和使用高速銑刀時的行為和責任，在技術(shù)上提出了高速銑刀設計、制造和使用的指導意見，規(guī)定了統(tǒng)一的安全性檢驗方法，以提

高刀具制造商和用戶的安全意識，保證高速銑削的安全。標準草案規(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)域為標準規(guī)定的銑刀必須經(jīng)過安全檢驗的高速切削范圍：對于直徑

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；對于直徑d1＞32mm的裝配式機

夾刀具，高速切削范圍為線段BC以上的區(qū)域。標準規(guī)定的安全性檢測包括形式檢驗和樣品刀具的離心力試驗。形式檢驗的內(nèi)容包括對設計圖紙

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

）下試驗，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，刀具不發(fā)生爆碎；對于整體式刀

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

久性地標示在刀具上，并隨刀具向用戶提供必要的證明文件和安全使用說明。標準還提供了高速銑刀設計的指導意見。在標準規(guī)定的安全性技

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

分別約在35000r/min和25000r/min時爆碎，考慮安全系數(shù)2，則允許的最大使用速度可分別達到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的需要，達姆斯塔特大學引入了一臺試驗裝置，最高轉(zhuǎn)速可達210000r/min，試驗范圍為：刀具長度250mm，刀具直徑

200mm，刀具重量10kg，并制定了標準的試驗程序。這個標準草案后來作為德國DIN標準建議提交給歐洲標準化委員會，并于1995年被采納，同

期也作為ISO的國際標準建議征詢會員國的意見，表明高速銑刀的安全性在國際上取得了廣泛的共識。
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度計算進行了研究。指出防止離心力造成的破壞關(guān)鍵在于刀體的強度是否足夠，

機夾刀的零件夾緊是否可靠。當把離心力作為主要載荷計算刀體強度時，由于刀體形狀的復雜性，用經(jīng)典力學理論計算得出的結(jié)果有很大的誤

差，不能滿足安全性設計的要求。為此，達姆斯塔特大學與斯馬爾卡登（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