山东大学：《机械制造》课程教学资源（讲义）第二十讲 高速加工及其刀具选用

高速加工及其刀具选用 高速加工(HSM)通常指的是在合理的速度和较高的表面进给速度下进行的立铣加工。例如,在铝 制飞机框架部分掏糟的特形铣削加工中,材料去除率很高,这种加工就是高速加工。在过去60 年的时间里,高速加工已经在很宽范围的金属和非金属工件材料上得到应用,包括对要求采用 表面拓扑结构的零部件进行的生产以及硬度为50HRC或50HRC以上材料进行的加工 1.高速加工是制造业发展的需要 1为了存续市场上日益激烈的竞争一直都在不断设定新的标准。对时间和成本效益的要求变 得越来越高。这已经迫使人们必须开发新的过程和生产技术。高速加工为此提供了希望 和解决途径。 2材料新材料和难加工材料的发展更加突出了开辟新的加工方法的必要性。航空工业采用自 己的专用耐热和不锈钢合金。汽车工业具有不同的双金属复合材料、密实石墨铁以及用 量越来越大的铝材。模具行业主要要面临的问题是加工高度淬火的工具钢,从粗加工直 到精加工 3.质量对零部件或产品质量提出较高要求是激烈竞争的结果。如果将高速加工技术适当应 用,则可以在这方面提供解决方案。可以替代手动精加工就是一个实例。特别是对于具 有复杂三维几何形状的模具或零部件,这一点尤其如此 4.工艺通过高速加工,可以在很大程度上满足这样的需求,即通过减少装夹次数和简化流程 (后勤)而缩短加工时间。在模具行业中一个典型的目标是通过一次装夹而对完全硬化的 小尺寸模具完全加工好。通过高速加工还可以减少甚至免除成本高昂而费时的EDM(电火 花加工)过程。 5结构和开发在当今的竞争中,其中一个主要特点就是利用新颖方面的价值而出售产品。汽 车的平均产品使用寿命周期为4年,计算机及其附件为1.5年,手机为3个月……。这些 结构方面的快速发展以及产品方面的迅速发展其前提之一就是高速加工技术 6复杂的产品在零部件方面,多功能表面越来越多、诸如一个新的蜗轮叶片结构就既具有新 颖的,也具有优化的功能和特征。早期的设计中,可以用手或机器人(机械手)进行抛光 处理。而采用新型、较复杂结构的蜗轮叶片就必须通过机加工进行抛光,并最好是采用 高速加工方式。还有越来越多需要进行机加工的薄壁工件(医疗设备、电子元件、国防产 品和计算机零件等)实例 7生产设备切削材料、夹具、机床、控制器等的强劲发展,特别是CAD/CAM以及设备等方 面的发展,开辟了只能用新生产方法和技术才能满足相应要求的可能性。 2.高速加工的含意

高速加工及其刀具选用 高速加工(HSM)通常指的是在合理的速度和较高的表面进给速度下进行的立铣加工。例如，在铝 制飞机框架部分掏糟的特形铣削加工中，材料去除率很高，这种加工就是高速加工。在过去 60 年的时间里，高速加工已经在很宽范围的金属和非金属工件材料上得到应用，包括对要求采用特 定表面拓扑结构的零部件进行的生产以及硬度为 50HRC 或 50HRC 以上材料进行的加工。 1. 高速加工是制造业发展的需要 1.为了存续 市场上日益激烈的竞争一直都在不断设定新的标准。对时间和成本效益的要求变 得越来越高。这已经迫使人们必须开发新的过程和生产技术。高速加工为此提供了希望 和解决途径。 2.材料 新材料和难加工材料的发展更加突出了开辟新的加工方法的必要性。航空工业采用自 己的专用耐热和不锈钢合金。汽车工业具有不同的双金属复合材料、密实石墨铁以及用 量越来越大的铝材。模具行业主要要面临的问题是加工高度淬火的工具钢，从粗加工直 到精加工。 3.质量 对零部件或产品质量提出较高要求是激烈竞争的结果。如果将高速加工技术适当应 用，则可以在这方面提供解决方案。可以替代手动精加工就是一个实例。特别是对于具 有复杂三维几何形状的模具或零部件，这一点尤其如此。 4.工艺 通过高速加工，可以在很大程度上满足这样的需求，即通过减少装夹次数和简化流程 (后勤)而缩短加工时间。在模具行业中一个典型的目标是通过一次装夹而对完全硬化的 小尺寸模具完全加工好。通过高速加工还可以减少甚至免除成本高昂而费时的 EDM(电火 花加工)过程。 5.结构和开发 在当今的竞争中，其中一个主要特点就是利用新颖方面的价值而出售产品。汽 车的平均产品使用寿命周期为 4 年，计算机及其附件为 1.5 年，手机为 3 个月……。这些 结构方面的快速发展以及产品方面的迅速发展其前提之一就是高速加工技术。 6.复杂的产品 在零部件方面，多功能表面越来越多、诸如一个新的蜗轮叶片结构就既具有新 颖的，也具有优化的功能和特征。早期的设计中，可以用手或机器人(机械手)进行抛光 处理。而采用新型、较复杂结构的蜗轮叶片就必须通过机加工进行抛光，并最好是采用 高速加工方式。还有越来越多需要进行机加工的薄壁工件(医疗设备、电子元件、国防产 品和计算机零件等)实例。 7.生产设备 切削材料、夹具、机床、控制器等的强劲发展，特别是 CAD/CAM 以及设备等方 面的发展，开辟了只能用新生产方法和技术才能满足相应要求的可能性。 2. 高速加工的含意

钢 化硬质 得强质查金℃ 800 高速钢850℃ 碳钢450℃ 传统加工区有色金癟 1高逮加工的原始定义索罗门理论"采用较 6001z-18002400-300 高的切削速度″在1931年获得了一项德 切前遠度v(mmin-1) 国专利,在该理论中他指出:"在一定的 切削速度(比常规加工高5~10倍)下,在 切削刃处的切屑去除温度将会开始降低……(附图)。"结论是:"这种高速加工将有可能 在较高的切削速度下采用普通刀具进行加工而提高生产率……。 很遗憾,现代研究却没有能够完全证实该理论。现实中确实存在这样的现象,即对于不同的材料, 在以一定的切削速度进行切削的切削刃上,温度有相对的降低。对于钢和铸铁而言,这种温度降 低的程度较小。而对于铝和其他非铁金属材料,这种温度降低的程度较高。因此高速加工的定义 必须基于其他因素。 有关高速加工的讨论在某些程度上是混淆的。如今存在许多意见、许多说法和许多不同的方式来 定义高速加工 真实的切削速度由于切削速度既与主轴转速有关,也与刀具直径有关,因此高速加工应该被定义 为超出一定水准的”真实的切削速度”。切削速度和进给速度之间的线性关系导致了进给速度与转速成正比 的关系。如果选用较小的刀具直径进行加工,则进给速度甚至会更高,条件是各个刀齿的进给速度以及刀 齿的数量是不变的。为了对刀具直径较小作出补偿,必须提高转速,以维持相同的切削速度,而转速提 却又导致了W较高。 较浅的切痕对于高速加工应用而言,非常典型而必要的是切削深度ae和ap以及平均切屑厚度h m,与常规机加工相比要小得多。因此材料去除率Q也要比常规机加工中小得多。例外的情况发生在铝材 其他非铁材料的加工以及各种材料的精加工和超精加工中。 高速加工的应用条件 在进行高速加工应用时,必须采用具有特定结构和可选项的刚性高、专门设计的机床和控制器。 生产设备都必须针对高速加工的特定过程而设计 还必须使用高级编程技术,其中要具有最合适的刀具路径。确保各个工序和刀具的恒定切屑去除 量是进行高速加工的一个前提,并是高生产率和过程安全性的一个基本准则。特定的切削和夹 刀具也是这类加工的一个必备条件 4.高速加工对县的选用

1.高速加工的原始定义 索罗门理论“采用较 高的切削速度”在 1931 年获得了一项德 国专利，在该理论中他指出：“在一定的 切削速度(比常规加工高 5～10 倍)下，在 切削刃处的切屑去除温度将会开始降低……(附图)。”结论是：“这种高速加工将有可能， 在较高的切削速度下采用普通刀具进行加工而提高生产率……。” 很遗憾，现代研究却没有能够完全证实该理论。现实中确实存在这样的现象，即对于不同的材料， 在以一定的切削速度进行切削的切削刃上，温度有相对的降低。对于钢和铸铁而言，这种温度降 低的程度较小。而对于铝和其他非铁金属材料，这种温度降低的程度较高。因此高速加工的定义 必须基于其他因素。 有关高速加工的讨论在某些程度上是混淆的。如今存在许多意见、许多说法和许多不同的方式来 定义高速加工。 2. 真实的切削速度 由于切削速度既与主轴转速有关，也与刀具直径有关，因此高速加工应该被定义 为超出一定水准的“真实的切削速度”。切削速度和进给速度之间的线性关系导致了“进给速度与转速成正比” 的关系。如果选用较小的刀具直径进行加工，则进给速度甚至会更高，条件是各个刀齿的进给速度以及刀 齿的数量是不变的。为了对刀具直径较小作出补偿，必须提高转速，以维持相同的切削速度，而转速提高 却又导致了 vf 较高。 3. 较浅的切痕 对于高速加工应用而言，非常典型而必要的是切削深度 ae和 ap以及平均切屑厚度 h m，与常规机加工相比要小得多。因此材料去除率 Q 也要比常规机加工中小得多。例外的情况发生在铝材、 其他非铁材料的加工以及各种材料的精加工和超精加工中。 3. 高速加工的应用条件 在进行高速加工应用时，必须采用具有特定结构和可选项的刚性高、专门设计的机床和控制器。 生产设备都必须针对高速加工的特定过程而设计。 还必须使用高级编程技术，其中要具有最合适的刀具路径。确保各个工序和刀具的恒定切屑去除 量是进行高速加工的一个前提，并是高生产率和过程安全性的一个基本准则。特定的切削和夹紧 刀具也是这类加工的一个必备条件。 4. 高速加工对县的选用

在模具行业,高速加工技术中适合的粗加工和精加工最大的、比较经济实惠的工件尺寸为400m m×400mm×150mm(长、宽、高)。最大尺寸与高速加工中相对较低的材料去除率有关。当然, 也与机床的动态性能以及尺寸有关 在成套(单次装夹)加工中,大多数模具其尺寸都非常小,远远小于上述尺寸。典型工序有粗加工 半精加工、精加工以及许多情况下还要涉及超精加工。始终应该进行拐角和半径的剩余铣削加工, 以便为后面的工序和刀具创立恒定切屑去除率的可能性。在许多情况下,一般采用3~4种刀具 常用的刀具直径范围为1~2mm。在80%~90%的情况下切削材料为整体硬质含金立铣刀或球头 立铣刀。通常采用具有较大拐角半径的立铣刀。整体硬质合金刀具具有加强的切削刃和中性或负 倾角(主要用于加工54HRC以上的材料)。一种典型而重要的结构特征是采用较厚的核心,以保证 刀具最大的粘接韧性。 另外还最好采用切削刃接触长度较短的球头立铣刀。另一种重要的结构特征是掏槽能力,这种能 力对于在沿陡峭而具有较小的间隙之壁部进行加工时是必需的。还可以采用尺寸较小的、具有可 转位刀片的切削刀具。特别是对粗加工和半精加工,情况尤其如此。这些刀具应该具有最大的刀 柄稳定性和弯曲韧性。采用锥度刀柄可以提高刚度。此外,采用用重金属作成的刀柄也可以收到 这种效果。 模具的型腔最好比较浅,并且不要太复杂。某些几何形状也比较适合具有高生产率的高速加工 将特形铣刀具路径与顺铣结合的可能性越大,获得的加工结果就越好。 在采用高速加工方式对淬硬工具钢进行精加工 或超精加工时,要遵循的主要参数是切痕要较浅。切深不得超出0.2/0.2mm(ae/ap)。这样做是为 了避免过高的夹具和切削刀具变形,并保证在模具加工中较高的公差水准和几何精度。每把刀具 均匀分布的切屑去除率还可以保证恒定而比较高的生产率。当aap恒定时,切削速度和进给速度 将处于恒定的比较高的水准。优点是在切削刃上将存在较小的机械变化和工作负荷,还可以提高 刀具寿命。 切削数据典型的整体硬质合金立铣刀(采用TCN或TAN涂层)切削淬硬钢材:48-58HRC的切 削数据为: ·粗加工: o Vc=100m/min, oap=刀具直径的6%~8%, oae=刀具直径的35%~40%, of2=0.05~0.1mm/齿

在模具行业，高速加工技术中适合的粗加工和精加工最大的、比较经济实惠的工件尺寸为 400m m× 400mm× 150mm(长、宽、高)。最大尺寸与高速加工中相对较低的材料去除率有关。当然， 也与机床的动态性能以及尺寸有关。 在成套(单次装夹)加工中，大多数模具其尺寸都非常小，远远小于上述尺寸。典型工序有粗加工、 半精加工、精加工以及许多情况下还要涉及超精加工。始终应该进行拐角和半径的剩余铣削加工， 以便为后面的工序和刀具创立恒定切屑去除率的可能性。在许多情况下，一般采用 3～4 种刀具。 常用的刀具直径范围为 1～2mm。在 80%～90%的情况下切削材料为整体硬质含金立铣刀或球头 立铣刀。通常采用具有较大拐角半径的立铣刀。整体硬质合金刀具具有加强的切削刃和中性或负 倾角(主要用于加工 54HRC 以上的材料)。一种典型而重要的结构特征是采用较厚的核心，以保证 刀具最大的粘接韧性。 另外还最好采用切削刃接触长度较短的球头立铣刀。另一种重要的结构特征是掏槽能力，这种能 力对于在沿陡峭而具有较小的间隙之壁部进行加工时是必需的。还可以采用尺寸较小的、具有可 转位刀片的切削刀具。特别是对粗加工和半精加工，情况尤其如此。这些刀具应该具有最大的刀 柄稳定性和弯曲韧性。采用锥度刀柄可以提高刚度。此外，采用用重金属作成的刀柄也可以收到 这种效果。 模具的型腔最好比较浅，并且不要太复杂。某些几何形状也比较适合具有高生产率的高速加工。 将特形铣刀具路径与顺铣结合的可能性越大，获得的加工结果就越好。 在采用高速加工方式对淬硬工具钢进行精加工 或超精加工时，要遵循的主要参数是切痕要较浅。切深不得超出 0.2/0.2mm (ae/ap)。这样做是为 了避免过高的夹具和切削刀具变形，并保证在模具加工中较高的公差水准和几何精度。每把刀具 均匀分布的切屑去除率还可以保证恒定而比较高的生产率。当 ae/ap恒定时，切削速度和进给速度 将处于恒定的比较高的水准。优点是在切削刃上将存在较小的机械变化和工作负荷，还可以提高 刀具寿命。 切削数据 典型的整体硬质合金立铣刀(采用 TiC,N 或 TiAlN 涂层)切削淬硬钢材：48-58HRC 的切 削数据为： • 粗加工： o Vc=100m/min, o ap=刀具直径的 6%～8%， o ae=刀具直径的 35%～40%， o fz=0.05～0.1mm/齿

·半精加工 o Vc=150-200m/min, oap=刀具直径的3%~4%, oae=刀具直径的20%~40%, of2=0.05~0.15mm/齿 ·精加工: o Vc=200-250m/min oap=0.1~0.2mm, oae=0.1~0.2mm of2=002~0.2mm齿。 5.对高速加工比较实用的定义 高速加工不是一种简单的高切削速度加工。它应该被看作是这样一种过程,其中操作是用非常特 定的方法和生产设备完成的。高速加工不一定是高主轴转速加工。许多高速加工应用是在采用中 等主轴转速和大尺寸刀具情况下完成的。在采用高转速和高进结对淬硬钢进行精加工时,要采用 高速加工,通常采用4~6倍于普通加工的切削数据。高速加工是指对小尺寸零件从粗加工到精加 工进行高生产率加工以及对各种尺寸的零件进行精加工和超精加工时的高生产率加工。高速加工 随着零件获得越多的净形状,其重要性会显得越高。高速加工如今主要在主轴锥度为No40的机 床上进行

• 半精加工： o Vc＝150～200m/min， o ap=刀具直径的 3%～4%， o ae=刀具直径的 20%～40%， o fz=0.05～0.15mm/齿。 • 精加工： o Vc=200～250m/min， o ap=0.1～0.2mm， o ae=0.1～0.2mm， o fz=0.02～0.2mm/齿。 5．对高速加工比较实用的定义 高速加工不是一种简单的高切削速度加工。它应该被看作是这样一种过程，其中操作是用非常特 定的方法和生产设备完成的。高速加工不一定是高主轴转速加工。许多高速加工应用是在采用中 等主轴转速和大尺寸刀具情况下完成的。在采用高转速和高进结对淬硬钢进行精加工时，要采用 高速加工，通常采用 4～6 倍于普通加工的切削数据。高速加工是指对小尺寸零件从粗加工到精加 工进行高生产率加工以及对各种尺寸的零件进行精加工和超精加工时的高生产率加工。高速加工 随着零件获得越多的净形状，其重要性会显得越高。高速加工如今主要在主轴锥度为 No40 的机 床上进行