高速銑削加工應用及技術研究

張 佳

（中國電子科技集團公司第十二研究所， 北京 100015）

引言

高速銑削是材料加工領域的重要技術形式，生產期間應用超硬材料刀具，以較快的速度對材料作切削處理，從而得到合適尺寸、合適形態的優質加工產品。較之于傳統銑削加工，高速銑削的精度、效率均更高，是零件銑削加工領域的前沿技術。高速銑削是材料切削加工的重要技術形式，常被應用于汽車、航空等領域的零部件加工中，合理應用該技術，可有效完成復雜曲面等特殊形態的加工作業[1]。簡而言之，高速銑削是一項優質的加工技術，因此需對其加強研究，并形成準確的認識，從而精準把握技術要點。

1 高速銑削加工技術概述

零件高速銑削過程包含兩個主要階段：一是粗加工，主要在于去除多余的材料，經此環節處理后可確保精加工余量具有均勻性，為后續開展精加工作業奠定良好基礎；二是精加工，即針對零件表面做精細化的加工，此階段除了需滿足零件的加工要求外，還需兼具刀具耐久性、加工效率等層面的要求。

較之于常規的加工方法，高速銑削的切削溫度較低、工件的完整性較好（無明顯的變形、受損），也正是基于此特點，通常無須進行半精加工作業。在粗加工期間，采用大直徑的刀具，經過處理后，使工件局部有較大的余量，且隨著粗加工作業的持續開展，待其進入尾聲時，輔以余量銑削法，借助小直徑的刀具對大余量拐角、凹槽等部位進行精細處理，使銑削余量具有均勻性，以便后續高效地進行精加工作業。

2 高速銑削刀具的選擇思路

選擇刀具時，其材料性質、涂層類型及厚度、刀具結構均是重點考慮對象，某項細分要素均會對銑削性能帶來影響。此外，在刀具選型時，諸如運行穩定性、耐久性、加工質量及效率等也需予以充分考慮。

2.1 刀具材料的選擇

硬度、耐磨性、韌性、耐熱性、高溫力學性能等方面的性能表現均是刀具材料選擇中需要著重考慮的內容[2]。不僅如此，還需緊扣被加工材料的特性、結構尺寸、零件加工質量要求、效率及經濟效益要求等內容，經過系統性的分析，作出合理的選擇。

隨著技術的發展，高速銑削的刀具類型趨于多樣化，各自均有其獨特之處，需根據實際情況作合理的選擇。

現階段，硬質合金材料刀具在高速銑削領域取得廣泛的應用，而高速鋼刀具具有高強度和刃口鋒利的特點，得益于此優勢，其逐步成為復雜形狀加工領域的重要工具。對于超細晶粒硬質合金刀具，由于其強度、硬度、韌性均較為良好，在高速銑削中也取得廣泛的應用，且尤為常見的是在鋁合金和鈦合金加工領域的應用。硬質合金涂層刀具的耐磨性能突出，也是高速銑削中刀具選材時的優先考慮對象。立方氮化硼刀具的熱硬性和硬度性能均突出，能夠作為高硬鑄鐵、耐熱合金等材料加工時的重要刀具。此外，現階段聚晶金剛石刀具也有廣泛的應用，得益于此類刀具高硬度、高耐磨性等多重優勢，常在有色金屬及其合金的加工中見其“身影”，實際加工效果突出。

2.2 刀具結構的選擇

刀具是高速銑削加工中的重要工具，隨著結構和幾何參數的改變，加工出的產品在質量方面存在差異，因此合理選擇刀具至關重要。由于零件的剛性差，在挑選刀具時，需要考慮其在減小銑削力、提高熱穩定性、保證加工精度等方面的優勢，以此來全方位保證加工質量。在粗加工環節，為以較快的速度完成相應的加工動作，宜采用直徑略大的銑刀；而對于大尺寸工件的粗銑，優先考慮的是鑲片刀具，原因在于其運行效率高、成本很低。對于常規腹板的加工，所用刀具需具有螺旋角小、刀尖圓弧半徑大、刀具刃數少的特點；對于薄筋側壁的加工，較為合適的是螺旋角偏大、刃數較少的刀具；在對高硬度材料的曲面精加工時，作業難度較大，為保證加工的精細化水平，宜采用整體式的小直徑刀具。不僅如此，在滿足正常加工的前提下，還需要在許可范圍內適度減小刀具的伸出長度，此舉目的在于避免刀具偏斜問題，使刀具在運行過程中有足夠的穩定性。

3 銑削參數的選擇

高速銑削時，銑削參數將在很大程度上決定銑削力和銑削熱，而不同的切削力所對應的夾緊力也存在差異[3]，由此可見，合理設定銑削參數至關重要。因此，在進行銑削參數選擇時，需要著重考慮的是刀具材料的性質、機床的運行能力、工件加工精度要求等。通過銑削參數的合理配置，從而達到高效銑削、高精度銑削的效果。

高速銑削加工過程中，較為關鍵的參數包含銑削速度、主軸轉速、進給速度、銑削深度、銑削寬度。各項銑削參數并非獨立，彼此間具有某些特定的關聯，在設定參數時需作充分的考慮，例如：

式中：n 為主軸轉速，r/min；v 為銑削速度，m/min；D為刀具直徑，mm。

式中：vf為進給速度，m/min；z 為銑刀的刃數；f 為每刃進給量，mm。

式中：η 為材料去除率，mm3/min；ap為銑削深度，mm；ae為銑削寬度，mm。

銑削參數的確定是一項系統性的工作，應按照流程有序推進。首先，以刀具和工件的材料特性、機床性能為主要參考點，設定具有可行性的銑削速度，在明確該項參數的具體取值后，根據式（1）展開計算，求得主軸轉速，而后結合式（2），經過計算后確定合適的進給速度。在循序漸進之下，最終得到合適的高速銑削作業參數。不同銑削硬度刀具的切削速度參數如表1 所示。

根據表1 可知，隨著刀具材料的改變，其具備的切削速度有所差異，總體上呈現刀具硬度越高、速度越快的特點；從工件材料特性的角度來看，隨著硬度的增加，銑削難度有所加大，銑削速度有降低的變化趨勢。即便刀具的類型和工件的材料特性均一致，在粗加工、精加工環節的銑削速度也存在差異，相比之下精加工環節的銑削速度略高。

表1 不同銑削硬度刀具的切削速度（以洛氏硬度（HRC）為40 鋼料為例）

較之于普通銑削方法，高速銑削時參數組合狀態更加良好，例如高速銑削、中等速度進給、大速度徑向切深，即全程具有“少切快跑”的高精度、高效率特點。

粗加工時，每刃進給量較大，通常可達到0.15～0.30 mm，此時切削效率較高。精加工時，適當減小每刃的進給量，以0.05～0.15 mm 較為合適，銑削的搭配方案為“高轉速、小切深、小直徑刀具”，此時有利于保證基床運行的穩定性，以免出現工具所受銑削力過大以及夾緊力過大的情況。

各類材料的軸向切深口不盡相同，以鋁合金、紫銅等有色金屬為例，軸向切深口通常為刀具直徑的10%～20%；對于洛氏硬度（HRC）為30 的鋼料，適當減小軸向切深口的尺寸，取刀具直徑的7%～8%；在洛氏硬度（HRC）為40-60 的硬材料加工中，較為合適的尺寸為取刀具直徑的2%～5%。此外，徑向切深也需得到有效的控制；對于鋁合金類的輕合金材料，取銑刀直徑的50%～80%；若材料的加工性能略差，為保證材料成型效果，適當減小徑向切深，此時取銑刀直徑的25%～40%。

在零件立銑精加工環節，允許適當加大側壁和腹板的加工余量（相比于常規的加工工藝而言），以保證成型的零件具有足夠的剛度。對于側壁的加工，為避免變形問題，需要控制徑向銑削力，避免過大，此時宜采用“小軸向切深+大徑向切寬”的作業模式；對于腹板的加工，為避免變形問題，需避免軸向銑削力過大，此時宜采用“大軸向切深+小徑向切寬”的作業模式。

4 結語

在零件加工技術領域，高速銑削加工技術頗具代表性，其具有加工精度高、效率高、質量可靠等優勢，是主流的技術。通過具體研究分析高速銑削加工技術中的一些關鍵作業要點，使得高速銑削技術更好地應用于零件加工過程中，同時希望給同仁提供一定的技術參考。