陳隆波，楊琪琳，郭紀(jì)林，曾效舒

（共青科技職業(yè)學(xué)院，江西共青城332020）

1 引言

在十多年前的模具制造中，尤其在初始的毛坯粗加工中，為了節(jié)約加工時(shí)間，一些刀具供應(yīng)商開發(fā)了具有能實(shí)現(xiàn)大進(jìn)給量銑削的銑刀，從而提高材料去除率。這種銑刀一般具有刀刃主偏角偏小、圓弧形刀刃半徑大或直線型刀刃長度長的特點(diǎn)，切削時(shí)產(chǎn)生較薄的切屑[1]，這樣，大大減小了銑刀和主軸上的徑向切削負(fù)荷，由此顯著地提高每齒的進(jìn)給量，提高了材料切除率。這種工藝特別適合于切削量很大的粗加工（例如大型模具）和半精加工，對加工時(shí)間和生產(chǎn)成本具有積極影響。在隨后幾年的制造業(yè)中，這種大進(jìn)給量銑削的制造工藝在模具制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，大進(jìn)給量銑削工藝的發(fā)展是源于模具制造的需要。這種銑削工藝與采用較大吃刀量和進(jìn)給速度的高效銑削（HPC）工藝的主要不同之處，在于大進(jìn)給量銑削工藝是采用了很小的主偏角，使徑向切削力大幅度降低，從而可采用比直角銑刀大好多倍的進(jìn)給速度，顯著提高了生產(chǎn)率。

2 大進(jìn)給量銑削工藝的開發(fā)

十 多 年 來，諸 如SANDVIK、HORN、SECO、INGERSOLL、KENNAMETAL、WIDIA、GUHRING和WALTER等刀具供應(yīng)商都開發(fā)出了不同結(jié)構(gòu)的大進(jìn)給量高效率銑刀，但它們的共同特點(diǎn)是都具有適合于實(shí)現(xiàn)高速大進(jìn)給量的刀刃幾何形狀。其中最具代表性的是HORN開發(fā)的三角形大圓弧刀刃銑刀、INGERSOLL開發(fā)的直線型長刀刃銑刀，這種結(jié)構(gòu)的刀具主偏角都在9°～20°，相對偏小；在生產(chǎn)過程中可以通過提高進(jìn)給速度和每齒進(jìn)給量的方式以獲得很高的生產(chǎn)效率。關(guān)鍵參數(shù)分別為主偏角（k）、切削深度（ap）和切屑厚度（hex）[2]。

2.1 主偏角（k）

主偏角（k）是主切削刃在基面上的投影與進(jìn)給方向的夾角，主偏角的大小直接影響切屑厚度、切削力和刀具壽命，并進(jìn)而影響機(jī)床的生產(chǎn)率和產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。采用很小的主偏角和較長的刀刃進(jìn)行大進(jìn)給量高速切削是大進(jìn)給量銑削工藝的重要特點(diǎn)。如圖1、圖2、圖3所示，根據(jù)INGESOLL研究分析表明，刀具主偏角越小，切屑越薄，徑向切削分力越小，軸向分力則沿軸向作用于刀柄和機(jī)床的主軸軸承，這樣加工震蕩就越小也越趨于平穩(wěn)。這樣，在銑削較深的型腔（如在模具制造業(yè)，常常會遇到較深的型腔，需采用懸伸較長的銑刀）銑刀不至于產(chǎn)生彎曲。另外，由于徑向力的減小，大大避免了振動的產(chǎn)生，從而有利于提高刀具的使用壽命，并允許顯著地提高銑刀的每齒進(jìn)給量，進(jìn)而大幅度提高進(jìn)給速度。此外，銑刀大多采用正的徑向和軸向前角，并且刀具切削刃又是以削皮的方式切入工件，實(shí)現(xiàn)軟切削，也就減小了功率消耗。而直角銑刀進(jìn)行銑削時(shí)，銑刀實(shí)際上是以沖擊的方式切入待加工的工件材料，這顯然有損銑刀的耐用度。

圖1 主偏角的大小對切屑厚度和切削分力的影響

圖2 根據(jù)主偏角k在理論上計(jì)算徑向力Fr和軸向力Fa

圖3 不同大小的主偏角改變切削力的方向

2.2 切削深度（ap）

對于裝有大園弧半徑或直刃可轉(zhuǎn)位刀片的大進(jìn)給量銑刀，由于采用了很小的主偏角，使切削深度ap受到限制。根據(jù)眾多刀具廠的樣本，視可轉(zhuǎn)位刀片規(guī)格和主偏角的大小，大進(jìn)給量銑刀最大的切削深度一般在1～3mm。采用裝有圓形可轉(zhuǎn)位刀片的銑刀，也可用于大進(jìn)給量銑削，但是其前提是要采用較小的ap/IC—值（見圖4），因?yàn)樵谶@里，切削深度決定著切屑厚度。因此，在較小的切深度時(shí)，可以提高進(jìn)給速度?？紤]到裝有圓形可轉(zhuǎn)位刀片的銑刀沒有恒定的主偏角，這個(gè)角度是隨著切削深度ap的深淺而變化。在理論上這個(gè)主偏角從0°開始，可增大到90°，由此切削力的方向也是沿著圓形可轉(zhuǎn)位刀片的圓周而變化。

圖4 裝有圓形可轉(zhuǎn)位刀片的銑刀也可用于大進(jìn)給量銑削

2.3 平均切屑厚度（hm）

切削厚度是銑削加工的一個(gè)重要工藝參數(shù)，通過減小切削厚度，使切屑變薄，為增大切屑的橫截面[3]，就可以提高進(jìn)給速度。為此，常常采用具有直刃可轉(zhuǎn)位刀片和較小主偏角的銑刀，以及采用圓形可轉(zhuǎn)位刀片或具有大弧形半徑的可轉(zhuǎn)位刀片，并在較小切削深度下進(jìn)行加工的銑刀。采用這些銑刀和相應(yīng)的切削用量，在基于切屑變薄的基礎(chǔ)上，以大幅度提高材料切除率。

如圖5所示，裝有直刃可轉(zhuǎn)位刀片銑刀的最大切屑厚度hex可按公式（1）進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算公式可見，隨著刀片主偏角α的減小，要保持最大切屑厚度hex不變[4]，可以通過提高每齒進(jìn)給量fz來實(shí)現(xiàn)。

圖5 裝有直刃可轉(zhuǎn)位刀片銑刀的切屑厚度

與90°直角銑刀的銑削相比較，如在保持同樣切屑厚度的情況下，采用具有45°可轉(zhuǎn)位刀片的銑刀，每齒進(jìn)給量可提高1.4倍（fz=hex/sin45°=hex/0.7=1.4hex），如果采用具有10°主偏角銑刀的大進(jìn)給量銑削，每齒進(jìn)給量比直角銑刀約可提高6倍（fz=hex/sin10°=hex/0.174=5.88hex）；從這里也可以看出，采用主偏角為10°的銑刀，銑削的切屑厚度只主偏角為90°直角銑刀切屑的1/6。

如圖6所示，裝有圓形或大弧形半徑可轉(zhuǎn)位刀片銑刀的最大切屑厚度hex可按公式（2）進(jìn)行計(jì)算。使用圓形可轉(zhuǎn)位刀片的銑刀，切屑厚度是隨主偏角（也是隨切削深度）而變化[5]，當(dāng)ap/IC比值較小時(shí)，可以顯著提高進(jìn)給速度，這意味著，圓形可轉(zhuǎn)位刀片的獨(dú)特之處在于切屑厚度取決于切削深度，在生產(chǎn)中就可以通過采用較小的切削深度來使切屑變薄，從而提高進(jìn)給速度。最佳情況是采用的切削深度為圓形可轉(zhuǎn)位刀片直徑的15%來提高進(jìn)給速度，而通常，最大切削深度不要超過圓形可轉(zhuǎn)位刀片直徑的25%（即主偏角低于60°）就可實(shí)現(xiàn)較高的進(jìn)給速度。

圖6 裝有圓形或大弧形半徑的可轉(zhuǎn)位刀片銑刀的切屑厚度

考慮得（2ap/IC）2值比較小，可以忽略不計(jì)。由于是圓形和弧形刀片，切屑厚度隨主偏角而變化，因此一般可采用平均切屑厚度（hm）公式（3）來表示。

3 大進(jìn)給量銑削工藝的優(yōu)點(diǎn)

通過上述的介紹和分析，可以看出，大進(jìn)給量銑削工藝是一種可靠、高效和可多用途的加工工藝，這種工藝不僅可用于加工平面、臺肩和成形表面外，還可銑槽、銑型腔和孔的圓周銑削等工藝。生產(chǎn)中大進(jìn)給量高效銑削的應(yīng)用證實(shí)這種高效銑削相對常規(guī)銑削工制造工藝的優(yōu)勢較為突出。

（1）很高的生產(chǎn)率。視刀具結(jié)構(gòu)和工件材料的不同，切削深度可達(dá)0.5～3mm，每齒進(jìn)給量可高達(dá)5mm，進(jìn)給速度最高可達(dá)10,000mm/min，因此材料切除率可提高300%以上，實(shí)現(xiàn)特別高效的粗加工。

（2）切削過程平穩(wěn)。切削力主要是以軸向作用于機(jī)床主軸，徑向力很小，因此，即使是采用懸伸較長的銑刀，也不易產(chǎn)生振動，并且這也有利于延長主軸和刀具壽命。

（3）高的能源效率。由于刀具的徑向切削力的減小，降低了機(jī)床的切削負(fù)荷，由此機(jī)床的功率消耗較低，驅(qū)動功率甚至可減小50%，顯然提高了能源效率。這樣，即使是在功率較弱的機(jī)床上也可以采用這種工藝。

（4）顯著縮短加工時(shí)間。由于主偏角很小、切屑薄而寬，進(jìn)給速度提升空間大，從而顯著提高了制造效率。這不僅降低了加工費(fèi)用，并且縮短了交貨時(shí)間。

（5）高的表面質(zhì)量。大進(jìn)給量銑削具有較高的加工表面質(zhì)量，采用這種工藝可省去半精加工工藝，由此縮短了加工工藝流程。要是在緊挨主切削刃設(shè)置一個(gè)平刀刃（修光刃），還可大大提高加工的表面質(zhì)量。

4 大進(jìn)給量銑削工藝的應(yīng)用

大進(jìn)給量銑削工藝主要是用來加工那些粗加工余量比較大的工件，使用的范圍比較廣，但其主要的應(yīng)用領(lǐng)域是在模具制造行業(yè)。

表1 是WALTER公司在針對擠壓機(jī)孔板槽腔工位粗加工時(shí)用常規(guī)銑削工藝與大進(jìn)給量銑削工藝進(jìn)行對比分析，擠壓機(jī)孔板材料為X5CrNiCuNb155合金鋼。常規(guī)銑削工藝用的普通銑刀一次換刀只能加工2個(gè)槽腔，改用WALTER公司專為模具制造研發(fā)的F2330型（主偏角15°）大進(jìn)給量銑刀，一次換刀可以加工5個(gè)槽腔。其主要原因還是得益于大進(jìn)給量銑削工藝主偏角變小、切屑變薄、徑向切削力變小、進(jìn)給速度提升空間大的優(yōu)勢，進(jìn)而取得顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。

在這個(gè)實(shí)例中可以看出，切削深度從原先的5mm減小到1.5mm由于減小了切削深度，使銑削長度幾乎延長了4倍。但由于切屑變薄，同時(shí)可使進(jìn)給速度從167mm/min提高到1,404mm/min，進(jìn)給速度則提高了8倍。這樣加工20個(gè)槽腔的時(shí)間減小了一半，節(jié)省了約134min。此外，由于減小了切削深度，不再會發(fā)生由于切屑的卡住而導(dǎo)致切削刀刃的破損，很薄的切屑通過冷卻液也很容易排除。顯然，在新的制造工藝下加工時(shí)間縮短就是制造成本的下降，其中還沒有考慮刀具使用壽命的提高和輔助時(shí)間（換刀）的減少所帶來的效益。

表1 Walter公司采用大進(jìn)給量銑削工藝高效粗銑擠壓機(jī)孔板槽腔的效果

表2 是裝有Time-S-Cut可轉(zhuǎn)位刀（見圖7）的擰裝式大進(jìn)給量銑刀與裝有圓形可轉(zhuǎn)位刀片的常規(guī)擰裝式銑刀之間加工效果的比較。這里既考慮了機(jī)床使用費(fèi)用，也考慮了刀具的費(fèi)用[6]。

從表2可以看出，采用Time-S-Cut銑刀要比圓形刀片可提高186%的材料切除率，費(fèi)用可節(jié)省52%。從瑞士Fraisa公司的資料也可看到，在相同直徑情況下，直刃大進(jìn)給量銑刀要比圓形刀片的銑刀高120%生產(chǎn)率。

表2 Franken公司裝有Time-S-Cut刀片與裝有圓形刀片銑刀的加工效果比較

圖7 用于粗銑的具有大弧形半徑的Time-SCut可轉(zhuǎn)位刀片

5 結(jié)束語

大進(jìn)給量銑削是具有高材料切除率、高可靠性和可多用途的高效切削工藝，是加工企業(yè)，尤其是模具制造業(yè)普遍采用的高效加工工藝。這種高效加工工藝的優(yōu)點(diǎn)是基于采用了較小的主偏角和較小的切削深度，由此產(chǎn)生很小的徑向切削力和薄而寬的切屑，從而可采用很高的進(jìn)給速度，大大提高了材料切除率。提高材料切除率是縮短加工時(shí)間的主要途徑，是降低機(jī)床費(fèi)用的有效手段。而上述加工實(shí)例，充分顯示了大進(jìn)給量銑削工藝的高生產(chǎn)率優(yōu)勢。

在當(dāng)今，新一代機(jī)床高動態(tài)性能的不斷提高，這不僅為刀具實(shí)現(xiàn)很高的進(jìn)給速度，而且為這種銑削工藝實(shí)現(xiàn)圓周銑削等工藝，進(jìn)而為充分利用大進(jìn)給量銑削工藝的潛力創(chuàng)造了更好的條件。