用陶瓷刀具铣削硬材料

    应用新的刀具技术和加工知识可以大大降低铣削硬材料的难度。

    只要有足够的时间和金钱，就有可能实现对任何工件材料的加工。然而，大多数加工车间并不拥有无限制的交货时间和加工资源。市场竞争的压力对加工效率和经济性提出了越来越高的要求，促使人们在缩短加工时间、减少制造零件所需的加工步骤上持续进行改进。

    硬铣削是实现提高生产率目标的途径之一。通过合理应用机床、刀具和加工策略，可使硬铣削并不像当初看起来那样困难。

    硬铣削的特点

    硬材料（这里指硬度≥HRC45的工件材料）包括工具钢、模具钢、冷硬铸铁和铬铁、粉末合金、堆焊金属以及一些镍基和钴基耐热合金。制造商用硬材料制造模具、齿轮、工具、航空零部件和加工设备，以延长其磨损寿命和保持精度。不幸的是，硬材料零件的这些优异特性也使其更难以加工。长期以来，硬材料零件加工一直存在切削速度慢、刀具消耗快等缺陷。

    传统的加工方法是：首先在通过热处理将工件淬硬之前对其进行粗加工和半精加工（如果可能的话），然后再用圆刀具、刀片或通过磨削、放电加工对其进行耗时费力的精加工。加工这些本身就很硬或淬硬的工件会影响其最终精度，需要从一开始就以很低的速度缓慢加工。加工时间长、加工步骤多、工件装调频繁和加工过程复杂使硬材料零件的制造成本居高不下。

    降低制造成本的方法之一是在淬硬状态下对工件进行铣削加工。模具制造业是使用硬度与韧性俱佳的细颗粒硬质合金铣刀进行硬铣削的先行者。为了提高耐热性和润滑性，这些刀具上通常都有涂层。一般来说，用硬质合金刀具进行硬铣削需要采用较小的切削宽度和切削深度，以降低切削力和生成细小的切屑。根据被铣削材料的硬度，典型的切削速度处于中等到较低的范围内：从铣削硬度HRC45左右工件材料的500sfm（150m/min）到铣削硬度HRC60以上工件材料的200sfm（60m/min）。

    在过去几十年中，陶瓷材料在很高的切削温度下仍能保持其硬度的能力使其能在许多切削加工中取代硬质合金。但是，对于大多数陶瓷材料而言，其硬度的提高往往伴随着韧性的下降。这种性能缺陷限制了陶瓷刀具在断续切削（如铣削）加工中的应用。

    不过，近年来，陶瓷刀具正越来越多地应用于铣削加工。刀具制造商已经生产出了韧性更好的陶瓷刀具（如氧化铝/碳化钛、氮化硅陶瓷刀具），以及用碳化硅“晶须”增韧补强的陶瓷刀具。

    与硬质合金刀具一样，陶瓷刀具的铣削速度也因为工件硬度的不同而存在差异。但平均来看，陶瓷刀具的铣削速度要高于硬质合金刀具，因为高速切削产生的热量有利于提高陶瓷刀具的切削性能。实际上，切削热会软化切削刃前方的工件材料，并降低切削力。因此，在铣削硬度为HRC45的工件材料时，陶瓷刀具的典型切削速度约为850sfm（255m/min）；铣削硬度大于HRC60的工件材料时，典型的切削速度约为550sfm（165m/min）。由于切削刃前方工件材料的软化效应，陶瓷刀具可以采用比硬质合金刀具更大的切削深度和切削宽度，使其在铣削硬材料时能获得更高的金属切除率。

    铣削加工策略

    用陶瓷刀具铣削硬材料时，需要密切关注加工方法和切削参数。在任何加工操作中，机床、夹具和刀具的刚性都至关重要，用陶瓷刀具铣削硬材料时尤其如此。当切削力的作用方式为压缩力，而不是拉伸力或剪切力时，陶瓷刀具具有最大的强度。此外，由振动或反复切入和切出引起的切削力急剧变化最终将会对切削刃造成损坏。

    从刀具夹头来看，刚性好的工具系统（如HSK和热装式夹头）以及经过平衡的刀具可以最大限度地减小会缩短刀具寿命的振动和径跳。在硬铣削中，某些刀具路径编程策略可以延长陶瓷刀具的寿命。反复切入和切出工件可能会损坏切削刃，因此，应尽可能使刀具吃刀量均匀一致。为了最大限度地增大刀具与工件的接触长度，制造商应采用刀具以渐进螺旋刀轨（而不是阶梯式刀轨）下降切入工件的走刀策略（如坡走铣削、螺旋插补铣削和等高铣削）。采用每一种走刀策略，都应该仔细考虑如何减小对刀具的冲击。例如，坡走铣削时，应以较平缓的下降率切入工件。此类编程策略除了可以最大限度地延长刀片处于压缩切削力下的时间以外，还有助于保持在切削时可以提高切削性能的热量。

    在一次用陶瓷刀具铣削P-20模具钢（硬度为HRC52－53）的加工示范中，其他加工变量均未改变，只对走刀路径进行了重新编程，以最大限度地延长刀具与工件的接触时间，结果使刀具寿命提高了4倍。

    虽然在切屑、工件和刀片之间的剪切区需要保持较高的温度，但过多的热量也可能会造成问题，因为这些热量可能会使工件损坏或变形。重要的是，切削形成的切屑应将多余的热量带走。在理想的情况下，切屑应该吸收75％的切削热。

    控制切屑厚度

    既要在切削区保留足够多的热量，同时又要确保切屑能带走多余的热量，这就涉及到如何保持平均切屑厚度（铣削时自然产生的不同切屑厚度的平均值）“最佳平衡点”的问题。

    太薄的切屑缺乏足够大的质量来吸收并带走热量。此外，产生薄切屑可能表明，切削刃是在磨擦而不是切削工件。薄切屑还会使切削压力集中在最薄弱的刀尖上，而不是作用于强度更好的前刀面上。这种情况会导致切削刃快速磨损，并造成刀具崩刃，而这样又会加剧冷作硬化和缩短刀具寿命。

    反之，如果切屑太厚，就会从切削刃带走大量热量，从而降低切削区的温度，由于缺乏材料软化效应，会对刀具产生更大的切削压力。

    编制切削加工程序时，由于切屑减薄效应，基于轴向和径向切深来形成切屑厚度的铣削策略并不总是能获得预期结果。切屑厚度是由刀具的轴向切深、径向切深以及前角的综合作用来决定的。例如，前角为0°的直边型刀片产生的切屑厚度等于编程切屑负荷的100%。而前角为45°的刀片产生的切屑分布在一段更长的工件表面上，其切屑厚度仅为编程切屑负荷的70%。为了克服切屑减薄效应、保持最佳切屑厚度，必须根据计算公式来增大编程切屑负荷。

    使用圆刀片时，控制切屑减薄变得更为复杂。由于圆形切削刃比形成刀尖的切削刃强度更高，因此许多陶瓷铣刀都采用圆刀片。圆刀片的前角会根据切削深度而发生变化。切深越小，有效前角就越大，产生的切屑也越薄。

    使用圆刀片时，计算平均切屑厚度的计算公式为：HM=√(d÷D)×Fz（式中：HM为切屑厚度，d为轴向切深，D为刀片直径，Fz为每齿进给率）。虽然该公式并未全面考虑这种铣削加工的每一种影响因素，但为确定平均切屑厚度提供了一个起点。

    影响切屑厚度的另一个因素是切削宽度（径向切深）。如果切削宽度小于刀具直径的1/2，随着切削位置远离刀具中心线，切屑将会显著减薄。提高进给率将有助于保持合理的切屑厚度。典型的切削宽度为刀具直径的60％－70％；采用40％－60％的切削宽度，将会获得最长的刀片寿命。

    采用顺铣方式也有助于形成较厚的切屑。与切削开始时切屑厚度非常小，切削结束时才达到全切屑厚度的逆铣方式不同，顺铣加工从切削一开始就能形成全切屑厚度。

    在刀片前刀面上制备一条负棱带可将切削力导入刀片的刀体之中，而不是直接作用于相对比较薄弱的刀片切削刃上，从而使刀片能够承受铣削加工中断续切削的冲击。为了减小崩刃风险，可对切削刃顶端进行钝化处理。

    对硬铣削刀片切削刃制备的标准方式包括制备一条窄棱带和进行轻微钝化。有些加工（如重度断续铣削，或铣削有很厚氧化皮的工件）需要制备较大的棱带。每齿进给率应大于切削刃钝化值，以确保刀具能切削——而不是磨擦——工件，并能形成足够的切屑厚度。

    了解和控制切屑减薄现象可以提高加工车间的生产率。例如，用直径为8mm的圆刀片（RPGN-2.52）以0.5mm的切深、0.076mm/齿的切屑负荷、540mm/min的进给率精铣硬材料时，获得的切屑平均厚度为0.018－0.020mm。这一切屑厚度值小于此类加工通常采用的切削刃钝化值，因此可能会引起刀片磨擦（而不是切削）工件，从而加快刀具磨损，并对刀片的切削刃施加过大的压力。将进给率提高到725mm/min，可使平均切屑厚度大于切削刃钝化值。消除磨擦现象有利于提高刀具寿命。此外，提高进给率还能将生产率提高33％。

    用陶瓷刀具铣削硬材料时，通常不建议使用冷却液，因为冷却液会降低切削区温度——较高的温度对于软化工件材料、提高加工效率必不可少——和缩短刀具寿命。然而，必须避免由切屑造成的二次切削。解决办法是用高压气流——如果可能的话，最好通过刀具内冷却通道——从切削区吹走切屑。

    大进给铣削

    用陶瓷刀具铣削硬材料时，刀体的选择取决于具体的加工条件。在任何情况下，采用高刚性刀体和安全的刀具夹持系统都能最大限度地减小径跳误差的影响。对于重载粗铣加工，采用负前角刀片的铣刀可使切削刃具有更高的强度。对于精铣加工（尤其是铣削容易发生冷作硬化的工件材料时），采用正前角刀片的高剪切铣刀能使刀片切削刃定位于切削（而不是推挤）工件材料所需的位置。高剪切铣刀具有较大的正轴向前角。

    刀具的选择有助于确定适当的硬铣削加工机床。大多数机床都能够胜任基本的硬铣削加工。但是，为了充分发挥大进给铣刀的切削性能和陶瓷刀具的优势，要求机床具有足够大的功率和扭矩。例如，用直径50mm的铣刀，以1.9mm的切深对硬度HRC50的钢件进行硬铣削，要求机床具有大约15匹马力的功率，以及在2,165r/min的转速下200英尺磅的扭矩。对机床功率的要求基本上与需要达到的金属切除率呈正相关。

    高效硬铣削需要采用适当的加工策略和加工机床，以及合理应用先进的切削刀具材料。将这些要素结合到一起，加工车间就会发现，硬铣削不仅没有想象的那么困难，而且还会大大提高生产效率。