余擺線銑和螺旋銑基礎試驗分析和應用(上)

東華大學 (上海 201620)章宗城

高效加工的特征是:①增加單位時間切除切屑量。②減少工序數。③刀具壽命長，可以連續長期加工，從而使總的成本下降。在較復雜型面加工時，立銑刀用得很多。為實現立銑刀高效加工，在切削條件選擇方面，有選小側吃刀量ae、高轉速和大側吃刀量ae、較低轉速這兩種方案，前者多用于直徑較小的整體立銑刀加工，后者多用于直徑較粗、裝可轉位刀片立銑刀加工。

側吃刀量也有稱之為“周期進給量”PF。下面對此作一些基礎的試驗和分析，并分別對上述兩種方案進行說明。

一、高轉速、小側吃刀量

第一種方案是對較小直徑的整體立銑刀，選高轉速、小側吃刀量ae(對立銑刀而言是沿其側面徑向的吃刀深度)，以提高加工效率(見圖1)。通常沿刀具軸向切入工件的距離ap一般稱切深，我國標準按嚴格定義命名為背吃刀量。

圖1 銑削的側面加工

整體立銑刀，特別是在精加工時，每刃齒的進給量fz選得不大，但轉速n 很高，因此進給速度F=nfzz (刃齒數)可達到很大，單位時間金屬切除量=Faeap表示的生產效率就高。由計算式可知，刃齒數選得多也可提高每分鐘進給量F 和生產效率。選擇了小的ae，就有可能將它實現在淬火鋼和難加工材料的側面切削上。為了驗證第一種方案的可行性，作了一系列基礎性試驗。

基礎試驗一:用直徑同為10mm，以ae=2mm、ap=1.5mm，fz大致相同，刀具材料與轉速不同的四種立銑刀同時側面銑削50 鋼(硬度200HBW)。①高速鋼2 刃無涂層2MS 型，n=600r/min，fz=0.067mm。②高速鋼涂層為(AlTi)N 的2 刃VA -2MS 型，n=1 400r/min，fz=0.068mm/z。③整體硬質合金2 刃帶涂層(AlTiSi)N 的VC-2MS 型，n=3 100r/min，fz=0.063mm/z。④整體硬質合金6 刃帶涂層(AlTiSi)N 的VC-MD 型，n=9 500r/min，fz=0.065mm/z。前兩種因低速，在普通機床上即可試驗，后兩種在高速機床上試驗。由以上試驗條件可知，盡管每刃齒進給量fz大致相同，但四種立銑刀轉速不同，齒數有異，每分鐘進給量不同，每分鐘的金屬切除量就不相同，切除量單位是mm3/min，四種刀具的切除量值分別為2.4、5.7、11.7 和27.8。可知刀具材料、涂層、結構改善后，能應用高速機床、多齒刀具，以實現高轉速，每分鐘大進給，可使生產效率提高10 多倍。

基礎試驗二:切削力試驗分析。在上述條件下，立銑刀轉速提高，刀具對工件材料剪切角度變化，切屑變薄，經測定，實際切削力反而下降了。

基礎試驗三:進一步提高轉速n 和降低側吃刀量ae。側吃刀量ae和每齒進給量取得小，刀具材料好，能適應高轉速。以上優質的第四種即6 刃VCMD 效率最高。若取更高的轉速25 000r/min，每刃齒的進給量保持為0.067mm/z，側吃刀量ae則再減到1mm 和0.5mm，背吃刀量不變。挑戰加工高硬度模具鋼HPM1 (40HRC)，其硬度幾乎高出50 鋼一倍，不但可以切削，而且每分鐘的切除量可分別增加到150mm3/min 和75mm3/min。側吃刀量為0.5mm 時，雖然每分鐘切除量比其為1mm 時的少，但觀測刀具的磨損量卻很少，可繼續使用，持續加工了共170m才磨損，總切除量1 275mm3。而徑向切深為1mm 的加工了55m 就磨損，共切除825mm3。故知取小的每刃齒進給量和側吃刀量，盡管切削速度和轉速提得更高，不但效率進一步提高，而且可以加工較硬材料，立銑刀的壽命還可延長。取得了多方面的效果。減少了停機重磨時間和管理費用，大大地降低了總成本。

基礎試驗四:刀具材料與結構的比較試驗與分析。基礎試驗一實際是用了不同的材料和涂層，這里分析并測定一下四種刀具的硬度與結構。無涂層的高速鋼硬度不足1 000HV，高速鋼的VIOLET 涂層(Al，Ti)N 是很優異的涂層，硬度達到2 800HV。切削速度與轉速提高，切削溫度也高，必須采用更耐高溫、紅硬性更高的刀具材料與涂層。試驗較好和最好的VC-2MS 和VC-MD 采用了超細硬質合金基體和加上運用Miracal 技術代號為VC 的涂層，這種涂層氧化開始溫度從一般涂層的600°上升到840°，硬度上升到3 200HV。四種立銑刀每刃齒的進給量大致一樣，6 刃齒的VC-MD 比其他2 刃齒的齒數多3 倍，轉速比其他3 種加快幾倍甚至數十倍，因齒數增多，故單位時間實際分配到每刃齒的負荷不高，它的刀齒螺旋角較大，切削平穩，故由于以上原因使VCMD 型立銑刀勝出。三菱目前又進一步開發了代號為VF 的涂層，其氧化開始溫度達到1 300°，硬度達到3 700HV，與基體結合力也更高，摩擦系數更低。預計使用它將達到更好效果。

基礎試驗五:側面銑削徑向接觸弧度大小的比較試驗和分析。立銑刀銑側面(見圖2)，此時接觸的立銑刀外圓弧是徑向切深ae的一段，其高度是軸向切深ap。每刃齒每轉切除金屬面積為A=ap·ae，同樣的面積可由不同的ap和ae值構成。即A=ap1·ae1=ap2·ae2。由圖2 可知，ae小則接觸圓弧與接觸時間短，排屑容易，切削溫度低。盡管轉速高，但這個較低溫度使得總體溫度受到限制，故有可能少用或不用冷卻潤滑液，或僅用壓縮空氣風冷。

圖2 相同切屑面積不同切深分配

以上基礎試驗與分析證明了第一種方案的可行性。將這一方案與機床現代數控功能相結合，用于槽加工、圓弧加工、型面加工、孔加工和螺紋加工等方面，具體是采用兩種插補方法即余擺線加工法和螺旋銑孔法。

1.余擺線加工法

余擺線亦稱次擺線、延長外擺線，即動圓沿一定直線作無滑動的滾動時，動圓外或動圓內一點的軌跡。它又可稱長(短)幅旋輪線。余擺線加工是用直徑比槽寬小的立銑刀用側面進行圓弧銑削的方法加工槽、型腔等，故其特征是:①將通常的立銑刀一半圓周弧長進行的槽加工變為小部分圓弧進行的側面加工。②一般選立銑刀直徑為槽寬的60%～80%左右(見圖3)。理論上一把立銑刀可加工比它任意寬的槽。

圖3 普通銑槽和余擺線法加工槽

這種方法的優點是:①改善了硬質合金立銑刀的切削條件，發熱少，振動減少，可高速切削，排屑方便，刀具壽命可延長很多。②立銑刀切入和貫通后的切出時不需減速，提高了加工效率。③切削輕快，刀具損傷折斷率大為減少，可實行夜間操作、無人操作。④對不銹鋼、耐熱鋼等難加工材料的切削亦能勝任。⑤若能使用優質刀具材料、涂層與結構的立銑刀，譬如前述的VC-MD 型等，因耐高溫，其切削深度又小，尚可加工55～65HRC 的淬硬工件，實現硬切削。⑥粗、精加工可用一把刀具，簡化節省了相關時間和費用。

其缺點是:①加工前需編程。②必須使用高速機床，若使用普通低速機床，則效率可能比直接銑槽還要低。③切削長度加長了，使用高速鋼刀具不行。

(1)加工實例一:同尺寸、材料槽用不同直徑、齒數和結構立銑刀加工比較。在鉻鉬鋼SCM315 上切寬10mm、深12mm 槽，均用涂層VC 的超微粒硬質合金立銑刀，但型號不同。一把是中等長度4 刃φ8mm、牌號VC-4MC、螺旋角30°;一把是中等長度6 刃φ6mm 并具有大螺旋角45°，牌號VC-6MH。兩者均用新的余擺線方法切槽。因為材料相同，故切削速度亦相同，均為75m/min。但因直徑不同，故φ8mm 刀的轉速為3 000r/min，φ6mm 刀的轉速為4 000r/min。兩者的每刃齒進給量相同，均為0.027mm/z。因φ6mm 刀的轉速快、刃齒數多，其每分鐘進給量F 按前述公式計算為650mm/min，φ8mm的僅為324 mm/min。雖然φ6mm 刀轉速高，但切削時接觸工作圓弧較短，發熱少，磨損與壽命大致相當，且φ6mm 刀的單價較低，因此在采用余擺線加工法時，合理選擇直徑較細、轉速高的立銑刀，既可獲得較高的生產效率，又比較經濟。一般螺旋角大，參與切削長度長，切削力在長刀刃上被分散，故振動減輕、磨損減小，加工精度及加工表面質量高。要注意的是若螺旋角過大，垂直向下分力增大，則排屑性能會變差。本例都采用余擺線加工法，所選兩種刀都提高了效率，同時指出了更優化的途徑。

(2)加工實例二:新法與老法的比較。在淬火模具鋼SKD61 (50HRC)上，銑寬10mm、深10mm槽。還是用兩把材料涂層相同但直徑不同、加工方法不同的立銑刀作比較。用余擺線法的是φ6mm 的VC-MD，用老銑槽法的是φ10mm 的VC-MD。二者的刃數均為6。由于是加工高硬的淬火鋼，用老法的參與切削的刀刃圓弧長(1/2 周長)，切削溫度高，為此不得不減低切削速度用 30m/min，轉速為960r/min，進給速度計算為200mm/min，軸向切深為1mm，切10 次完成加工。新方法因刀具工作弧度小，發熱少，切削力小，故選用v=150m/min 高速切削，轉速達8 000r/min，在這樣的高轉速進給速度高達2 900mm/min，且軸向切深ap一次達到10mm，徑向切深ae取得很小為0.3mm。新法的效率比老法高4 倍。

圖4 所示為槽寬t、最大切削角θ 和此時的相關切削深度x，按此推算出合理的加工余量值a，可供參考使用(見附表)。

圖4 切削角、槽寬、加工余量相互關系

余量a 的推薦值 (單位:mm)

2.螺旋銑孔法

孔加工通常有在實體材料上加工出孔的鉆孔;在原有孔基礎上將孔擴大的擴孔、鏜孔;進一步提高孔精度、表面質量的鉸孔、精鏜孔、磨孔。以往銑孔這一詞很少見到。切削技術發展至今，用銑刀作螺旋運動進給(公轉)本身又自轉的辦法高效加工孔的方法已經實現。本質上它和余擺線加工一樣，是立銑刀用其小部分圓周對工件進行高速小切深的圓弧切削。圓柱立銑刀作余擺線運動用于銑槽等，作螺旋線運動用于銑孔。各種標準的螺紋立銑刀作螺旋運動用于銑內螺紋孔。兩法都在高效加工和加工難加工材料方面發揮了獨到的優勢(見圖5)。

圖5 螺旋銑孔法加工示意圖

過去鉆孔主要用麻花鉆，其明顯的特點是具有兩條用以容屑排屑的螺旋槽，兩槽間的距離構成鉆芯，鉆芯在鉆頭前端構成橫刃，橫刃處于鉆頭中心，具有很大的負前角，該處切削速度又為零，根本不能切削，全靠機床軸向向下的推力將中心這部分材料擠潰才加工出孔來，強度較小的材料還可以，強韌的難加工材料、淬硬材料就難了，這是其固有缺點之一。鉆孔時，鉆頭三面被工件材料包圍，切削刃一直在工作，連續作業，切削溫度持續提高，鉆頭易磨損，加工質量差，這是其固有缺點之二。為保持鉆頭一定的強度和剛性，鉆頭的螺旋槽不能做得太寬太深，這樣就影響了容屑、排屑，且切屑與加工表面直接接觸摩擦刮擦，孔的內壁加工質量不高，這是其缺點之三。而螺旋銑孔時，銑刀的中心已不是工件的中心，屬偏心加工，刀具的直徑不等于工件的直徑。孔比刀具大，散熱情況大大改善，銑孔和余擺線銑削一樣，只是刀具的部分圓弧參與切削，刀刃是斷續切削，不切削時，該部分刀刃被空冷，故生成切削熱大大減少。工件孔比刀具大，又是極利于排屑的。

螺旋銑孔至少需4 個參數:①立銑刀自轉轉速N1。②立銑刀的公轉轉速N2。③立銑刀偏離工件中心距離(偏心距)e。④沿孔軸線立銑刀的軸向進給速度F。

螺旋銑孔法可以顯著提高加工孔的質量，較順利地加工難加工材料和復合材料的孔，可達到較高的質量要求，減免后加工工序，從而縮短了加工周期。且一把刀可以加工比它粗的不同直徑的孔、復雜形狀的孔，縮短了研發專用刀具的時間和成本。可以少用、不用冷卻潤滑液，易于實現自動化。

通常除了特殊的立銑刀，一般螺旋銑孔都需要在工件上預先加工出一個較小的孔。下面舉兩個加工實例。

(1)在模具鋼SKD61 (47HRC)上螺旋銑孔，使用能加工淬火鋼的VC-2MB 球頭立銑刀(φ6mm)，工件上已有底孔φ5.8mm，要求加工孔徑為φ6.3H7，孔深21mm。取刀具轉速為2 650r/min，進給速度F=50mm/min，螺旋進給的距離等于0.02mm/r，可知半分鐘不到就加工完了。還達到了H7 的較高精度要求，表面粗糙度值達到Ra=0.19～0.25μm，圓度達到4.4～6.4μm。

(2)在模具鋼SKD11 (62HRC)型腔中用φ10mm 的球頭立銑刀螺旋加工φ15mm 孔，轉速為5 000r/min，每轉進給量0.3mm/r 順銑，壓縮空氣冷卻，高效順利地實現了加工。型腔的其他部位的形狀，為提高加工效率，也有可能用余擺線方法進行加工。

利用同樣原理尚可進行螺紋銑削。圖6 所示為用以色列Vargus 公司的硬質合金整體特殊螺紋立銑刀一次鉆孔并切出頂端倒角，如步驟②所示;還可以圓弧切入作行星運動切出退刀槽，如步驟④所示;尚可銑螺紋，如步驟⑤所示。其余各步驟為開始的定位①，刀具的圓弧切入、退讓，圓弧退出等。德國BASS 公司也有類似的刀具。

圖6 特殊結構立銑刀的多工序一次加工

(待續)