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快速的CNC處理和高壓冷卻液有助于以驚人的速度去除金屬。但是，企業應該了解高速加工中的切削刀具嗎？

  今天的金屬去除率比以往任何時候都快。幾年前被認為是高速加工，在今天就會被認為是最平常的。許多因素促使企業尋求越來越快的金屬切削速度。其中包括性能更好，功能更強大的機床和CNC處理器，它們可以使機床以越來越高的速度和進給來達到精確切削的目標。

  商業方面的考慮也促使企業提高生產效率。由于需要在機床上增加工作量，因此車間一直在尋求改善金屬切削工藝的方法。

盡管有關高速加工的許多討論都集中在機床所扮演的角色上，但銑刀是其在高速加工中的合作伙伴。而且，這就是本文的重點。我們將研究車間需要了解的有關為其高速應用指定切削工具的知識。

  什么算作高速切削？

  高速加工一般是很難給出準確的定義，因為高速從來都是相對的。一個行業領域的快速發展似乎對另一個行業而言是有利的。

  加工速度是非常特定于應用的。將加工過程稱為高速，可以將其當前性能與以前的性能進行比較。例如，高速可能意味著從高速鋼刀具變為整體硬質合金，這使您可以提高機床的進給速度。由于硬質合金刀具在許多應用中可以比HSS更快地去除金屬，因此使用硬質合金的車間比HSS的加工速度更快。但這是相對的，因為另一家使用金屬陶瓷或陶瓷刀具的商店比硬質合金的切削速度更快。

  因此，我們不會為高速分配明確的值。可以說高速加工意味著您的操作習慣上更快地切削金屬。

  一些基本知識：SFM和IPT

  很難定義高速加工，因此有一些測量值用于加工速度。這些可以比較不同的比率，并幫助車間確定其在加工速度連續性中的位置。

  為了量化一臺機器實際切割金屬的速度，需要將主軸的轉速轉換成更有用的數值。根據Kennametal的應用專家Dan Spanovich的說法，該數字表示為每分鐘表面英尺（sfm）。

  同樣，機床的進給速度通常以英寸每分鐘（ipm）為單位。但是對于切削工具，它表示為每齒英寸（ipt）。根據工件材料的最佳sfm和ipt可以確定機床的rpm和ipm并進行編程。

  這兩個測量值相互依賴，以確定可以保持工件的速度。例如，可以在約250 sfm的效率下有效地切割鈦。那使用的芯片負載為0.005 ipt。但是，一些商店報告說，鈦加工速度接近500 sfm，但是這樣做可以減輕切屑負荷。

  根據切刀的材料，可以調整切屑負載和表面速度，從而為車間應用提供最佳組合。如果目標是去除重金屬，則提高切屑負荷和sfm可使切削效率最大化。為了獲得更好的光潔度，在保持sfm的同時減少切屑負載將提供良好的表面光潔度。

  沒有確定最佳組合和結果的具體公式。需要進行一些試驗才能找到針對特定應用的最佳進給和速度。

  實質差異

  切削工具材料具有使其可以在金屬切削應用中使用的特定屬性。由于應用范圍千差萬別，因此有許多切削材料組合可供選擇。

  但是通常，僅使用兩個性能標準來確定刀具的適用性。它們是韌性或抗斷裂性（延展性）和熱硬度（抗熱性）。可以創建涂層，基材和基礎材料的多種組合，以提供特定比例的韌性和熱硬度，以適應各種應用。

  切削工具材料可分為五大類。材料的排列方式從最佳韌性到最佳熱硬度：

  HSS，

  碳化鎢（無涂層和涂層），

  金屬陶瓷，

  陶瓷，

  鉆石和立方氮化硼。

  從HSS開始，發展到金剛石和CBN涂層，可以從最佳韌性特性到最佳熱硬度逐步構建氧化皮。高速鋼承受重擊，但熱量消耗不大。陶瓷刀具和金剛石涂層刀具會發熱，但容易斷裂。

  碳化鎢銑刀的工作范圍通常為100至1200 sfm（HSS高達約100 sfm）。包括氮化硅在內的陶瓷將外殼推高至4,000 sfm。多晶金剛石和CBN涂層工具使sfm超過4,000。這些速率在0.003至0.030 ipt的切屑負載下。

  這些速率代表正確組合工件材料和刀具材料的最佳切削潛力。但是，在車間希望達到這些切削速度之前，還必須考慮其他因素。

  高速加工的夾具

  剛性夾具的重要性在高速加工應用中不能過分強調。盡管任何固定或夾緊裝置的目標都是牢固地固定工件并允許后續零件的可重復定位，但是高速要求會放大工件固定裝置中的任何缺陷。

  在高速加工應用中，夾具應將工件支撐在堅固的基座上，并具有足夠的質量以幫助抑制刀具引起的振動。高速夾具不需要太復雜，而應遵循良好的車間慣例。

  例如，良好的虎鉗只要牢固地支撐工件就足夠了。建議使用主動擋塊，以防止工件因刀具運動而扭轉或移動。

  高速加工的切削工具

  重要的是正確選擇切削工具，尤其是可旋轉額定轉速的可轉位切削刀。并不是說得太過分，但是如果車間試圖超過工裝速度額定值，我們正在談論潛在的嚴重甚至致命的事故。

  原因是簡單的離心力。出于同樣的原因，輪胎制造商對子午線有額定速度，工具制造商對切刀設置了“不超過” rpm。通過旋轉物體產生的力與旋轉速度成指數關系。該部隊正試圖將刀片從其座位上撕下來。切割機的任何零件以10,000、15,000或20,000 rpm的速度飛奔都會對生命和四肢造成危險。

  用于高轉速的可轉位刀片工具不同于用于傳統轉速的工具。對于高速可轉位刀具，刀片以不同的方式固定在刀體上。Spanovich先生說，簡單的固定螺絲夾不足以實現高旋轉。刀片用一個銷釘固定到刀具主體上，該銷釘適合模制在刀片中的a子中。它沿垂直于旋轉產生的離心力的方向錨固在刀具主體上。

  熱沖擊

  在較高的切削速度和進給速度下，與傳統速度相比，冷卻劑的需求可能更少。熱是加工的副產品。通常，這是金屬加工工人的敵人。但是，越來越多地使用熱量來幫助切割過程。

  在理想的切削中，工件材料，機器進給，主軸轉速和刀具均以最佳方式做出各自的貢獻。當切割器產生切屑時，該動作產生的熱量傳遞到切屑。當切屑破裂并離開切削區域時，熱量隨之帶走。

  高速加工的一大優勢是，在提高速度和進給速度時，切屑被切割和排空的速度如此之快，以至于很少或幾乎沒有熱量傳遞給生坯。在傳統的加工速度下，有一段時間熱量會從切屑轉移到未切割的金屬，并產生加工硬化條件。這增加了產生芯片所需的力，該芯片產生更多的熱量，并且持續不斷。冷卻液通過降低切割區的溫度并沖走切屑來減輕循環時間。

  但是，在極高的轉速下，工具旋轉會將冷卻劑從切削區域中甩出，因此，如果沒有很高的壓力或通過工具管道，冷卻劑就永遠不會到達切削區域。Spanovich先生說：“在某些情況下，截留的切屑可以保留在切屑中，從而可以用工具重新切屑。我們發現，噴砂處理對于在高速應用中排屑是非常有效的。”

  對于高速工具（尤其是陶瓷和較硬的切削刃）的用戶，熱沖擊是另一個考慮因素。切削液中冷卻劑的不規則分布會為這些刀具造成不穩定的加熱區。設計為在高溫下運行，刀具材料會在切削區域內經歷連續的加熱和冷卻循環，這可能會因熱沖擊而導致過早失效。

  選擇正確的刀尖

  刀具速度是在刀具的切削刃處產生熱量的主要影響。保持高切屑負載或進給是散熱的方式。正確的刀尖，結合正確的刀具前角，以加工出的材料，產生的切屑具有足夠的密度，可以從切削區帶走熱量，因此可以避免加工硬化。

  切屑載荷是刀具每個切削刃的進給速度。對于可轉位刀片工具，這是每個刀片的負載。在實體銑刀上，切屑負載針對每個齒進行額定。Spanovich先生說，良好的切屑負載工作范圍通常在最小0.003 ipt至最大0.012 ipt之間。

  切削刃的攻角及其前角會影響切削刃的切屑載荷。前角從正到中性再到負。正前角為工件提供了更鋒利的邊緣。這也是一個較弱的優勢。正前角工具往往會在切割過程中將工件拉向工件。它們還傾向于將切屑向上推并從切削區域移開。

  負前角刀具的前緣要堅固得多，并且傾向于沿刀具進給的方向推向工件。與正前角相比，這種幾何形狀的自由切削較少，因此要消耗更多的功率。

  通常，高速加工的幾何形狀反映了常規加工的幾何形狀。Spanovich先生說：“您知道將常規加工轉移到更高速度應用的刀具幾何形狀。” “如果有高速發展的趨勢，那就是朝著正的導程角工具發展。這種導程角效應可以通過提起切屑同時保持相同的切屑厚度來實現更大的ipt。這種更大的進給速度可以實現更高的加工速度。

  Spanovich先生說：“目標是形成足夠厚的切屑。” “這個想法是將切屑用作散熱器。更快的速度會產生更多的熱量，因此將熱量引入切屑在高速加工應用中變得至關重要。”

  工具和工件結合

  成功的高速加工取決于將工具和工件結合在一起的許多部件之間的靜態和動態剛度。至關重要的是，刀具，刀夾和機床主軸之間的連接非常牢固。

  在主軸轉速較高時，刀具平衡成為一個大問題。Spanovich先生說：“我們推薦用于端銑刀和鉆頭的光滑柄工具，該工具由液壓或防卷夾頭夾頭夾持，以實現高速加工。” “在5,000 rpm或更高轉速下，平衡成為一個問題。在這些速度下，帶有固定螺釘的凹口柄可以使工具偏心移動足夠多，從而引起振動，因此會產生顫動。” 對于20,000 rpm及更高的速度，建議自定義工具和刀架組合的平衡。

  V型法蘭錐形連接是高速振動的潛在來源。直到最近，切削工具制造商使用的V型法蘭錐度和量規都是按照ANSI / ASME B5.10標準制造的。肯納金屬公司的工程師兼ANSI / ASME B5標準委員會副主席David Lewis表示：“直到出現了高速應用，ANSI / ASME標準才能正常工作。”

  刀體與機床主軸之間的錐度配合可能會達到公差（根據ANSI / ASME B5.10），并且仍然會導致高速刀具的跳動和偏心率問題。Lewis先生和代表美國模具制造商的其他人建議使用歐洲ISO 1947 AT3標準代替ANSI / ASME B5.10。ISO標準的精度是ANSI / ASME的兩倍，因此可以使主軸錐度和V型法蘭工具之間的連接更好。為確保您購買的用于高速應用的工具符合新標準，請為您的刀柄和筒夾頭指定ISO 1947 AT3或您的工具制造商的等效產品。對于機床主軸，請指定ISO 1947 AT2（較低的AT編號表示較好的配合）。劉易斯先生建議采用量規來檢查車間中的主軸和刀具錐度。

  HSK

  關于HSK或等效工具的許多文章已被提及，可以替代機加工中的V型法蘭連接。劉易斯先生說：“盡管設計概念有一些優勢，但由于缺乏制造標準，部分原因阻礙了其廣泛應用。”

  HSK或其他空心柄，短錐度刀柄之間的主要區別是刀具裝入機床主軸的方式。HSK在短錐度和主軸端面之間同時配合。連接非常牢固。

  劉易斯先生說：“ HSK的問題是，沒有一個理事機構為工具制造公司建立制造標準。ISO正在考慮德國的DIN標準，但到目前為止尚未獲得批準。日本，其他歐洲國家和美國也對HSK提出了一些挑戰，關于HSK是什么樣的問題尚未確定。

  劉易斯先生說：“與此同時，希望在加工中心上進行高速加工的車間，比等待HSK標準模具配置更好的選擇AT3或更好的V型法蘭模具。” 可能需要一段時間才能達到HSK或相應的刀具，主軸和量規標準。

  為什么要提高速度？

  在車間中實施高速加工具有許多好處，有些顯而易見，而有些則不然。顯然，盡管交貨時間較短，但更快地制造零件有助于滿足客戶對更快交貨的需求。延長刀具壽命還可以帶來很多好處。這看似自相矛盾，但由于高速切削力的降低，使用與應用相匹配的正確工具進行高速加工可減少刀具磨損。

  高速加工可以幫助車間制造出具有更好表面光潔度的更精確零件。通常，因為機床和工件設置必須非常剛性才能進行高速加工，所以結果是使工件更一致。

  朝著該方向移動的企業進行高速加工的一個不太明顯的好處來自于實施它的練習。學習做成功的高速加工所必需的事情可以同時將企業的其他方面提升到同等的生產力水平。