微型刀具實(shí)現(xiàn)高速加工

每個(gè)機(jī)加車間都希望改進(jìn)加工工藝從而提升生產(chǎn)效率，這無疑可以通過高速加工來實(shí)現(xiàn)。本文概述了使用微型刀具對有色金屬和塑料工件進(jìn)行超高速加工的方法和優(yōu)勢。

制造商一直在尋找縮短工件加工節(jié)拍的有效方法。此外，隨著制造業(yè)向小型化方向的不斷延伸，零部件的尺寸不斷減小，更新速度也在不斷加快。因此，微型刀具的應(yīng)用正變得越來越普遍。

微型刀具是指直徑小于或等于6.35mm（0.25英寸）的銑刀或鉆頭。這種刀具通常與高速主軸配合使用，可用于加工具有復(fù)雜輪廓和細(xì)節(jié)特征的零部件。高速加工沒有設(shè)定絕對的轉(zhuǎn)速閾值，一般認(rèn)為當(dāng)轉(zhuǎn)速高于或等于25,000 RPM時(shí)，就屬于高速加工的范疇了。

如前文所述，工件尺寸在不斷減小，更新速度也在不斷加快。因此，微型刀具的應(yīng)用越來越廣泛。然而，要讓微型刀具發(fā)揮最大的經(jīng)濟(jì)效益，制造商首先要有引進(jìn)其專用機(jī)床設(shè)備的魄力，還要有突破傳統(tǒng)加工工藝的決心。引入專用機(jī)床的原因在于，傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床其主軸轉(zhuǎn)速無法滿足小直徑刀具的加工要求。即使轉(zhuǎn)速滿足要求，刀具也承受不了傳統(tǒng)機(jī)床的常規(guī)切削力。

傳統(tǒng)機(jī)床的主軸通常為重型主軸，很難達(dá)到較高的轉(zhuǎn)速，其排屑槽也無法達(dá)到高效排屑的要求，因此微型刀具在傳統(tǒng)機(jī)床上很容易發(fā)生斷裂破壞。

應(yīng)用微型刀具實(shí)現(xiàn)高效切削的關(guān)鍵在于三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的加工要素，它們分別是：

高速加工技術(shù)：刀具的尺寸越小所要求的主軸轉(zhuǎn)速也越高，只有這樣才能保證加工質(zhì)量、避免刀具被破壞。高頻主軸的轉(zhuǎn)速高達(dá)60,000 RPM，是應(yīng)用微型刀具進(jìn)行銑削、鉆孔、攻絲、雕刻的理想選擇。高速加工技術(shù)具有轉(zhuǎn)速高、切深小、進(jìn)給速度快的特點(diǎn)。

在加工過程中，刀具不斷地一點(diǎn)點(diǎn)地從工件上切除材料會產(chǎn)生大量的熱量，其中40%來自于刀具和工件之間的摩擦生熱，20%來自于切屑的變形生熱。因此，切屑中承載了大約60％的熱量。高速加工技術(shù)的目標(biāo)就是要快速釋放切屑中的熱量，讓切削過程更順暢。好的加工質(zhì)量依賴于更快的刀具冷卻速度，更小的切削力，更低的震動。

高速加工下的切屑載荷可以降至很低的水平（小于0.005”）。這樣的低載荷量意味著刀具和工件之間的壓力也會很低。高速切削所產(chǎn)生的熱量更少，并且可以用于加工薄壁工件。綜上所述，高速加工的刀具冷卻速度更快，加工精度更高，切削力更小，質(zhì)量穩(wěn)定性更好。
 
微型刀具的設(shè)計(jì)優(yōu)化：簡單地將較大直徑的刀具按比例縮小成小直徑刀具的做法，是無法獲得令人滿意的進(jìn)給速率和加工質(zhì)量的。當(dāng)?shù)毒咧睆綔p小而主軸轉(zhuǎn)速增加時(shí)，刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也要作相應(yīng)的變化。傳統(tǒng)的嵌入式結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足微型刀具的應(yīng)用需要了。主要的矛盾點(diǎn)在于高轉(zhuǎn)速，而不在于小直徑。主軸轉(zhuǎn)速越高要求刀具的動平衡性能更好，排屑能力更強(qiáng)，這樣才能避免切屑燒結(jié)的發(fā)生。也就是說微型刀具的高效切削有賴于刀具的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，這種優(yōu)化就是為了解決高轉(zhuǎn)速的動平衡問題。如果微型刀具的幾何結(jié)構(gòu)適當(dāng)，主軸轉(zhuǎn)速夠高，冷卻液選擇合理，則完全可以省掉去毛刺和除油垢等二次加工步驟。

低粘度冷卻液：雖然高速加工產(chǎn)生的熱量減少了，但由于微型刀具高速旋轉(zhuǎn)也會產(chǎn)生熱量，冷卻液當(dāng)然不能缺席。使用過微型刀具高速加工技術(shù)的制造商都了解，傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床冷卻液是無法滿足要求的。微型刀具具有相對復(fù)雜的幾何形狀，并且以極高轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，這就要求冷卻液的粘度低于水。因?yàn)橹挥姓扯鹊偷睦鋮s液，才能在很高的轉(zhuǎn)速下，依然能到達(dá)刀具的刀刃上。傳統(tǒng)的機(jī)床冷卻液是乳基的，黏度高于水，因此對于微型刀具的高速切削是無效的。

在傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床上，找到一個(gè)可以將微型刀具固定在40-錐形主軸上的合適的裝夾裝置并不容易。這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)主軸大多是為大型刀具而設(shè)計(jì)的，如用于加工齒輪齒槽的76.2mm（3英寸）的飛刀。其扭矩和切削力都比較高，如果將微型刀具裝在上面加工致密材料，很容易被破壞掉，這種應(yīng)用方式的加工效率比較低且長期成本非常高。在這種情況下，機(jī)床操作員的唯一選擇是將主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速率調(diào)低。

在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)，目前有兩個(gè)研發(fā)方向。第一，可以選擇大功率電機(jī)和重型主軸來提供高切削力和扭矩。第二，可以使用低切削力，高速主軸來配合微型刀具實(shí)現(xiàn)輕型加工。當(dāng)然這兩個(gè)發(fā)展方向的機(jī)床功能都可以是多元化的，例如銑削、鉆削、錐度加工等。如果加工效率和質(zhì)量對您來說是同等重要的，并且要同時(shí)滿足大型工件和小型工件的加工需求，那么兩類機(jī)床的引進(jìn)都是必要的，需要將它們合理配置到您的廠房中。

僅考慮高速加工中心的話，微型刀具應(yīng)用的最佳解決方案就是要同時(shí)采用上述三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)（高速加工技術(shù)，微型刀具的幾何形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，低粘度冷卻液）。如果真的這樣做了，那么制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量提高的程度肯定會讓您感到驚艷。此外，微型刀具高速加工技術(shù)的應(yīng)用，可以完全省掉去毛刺和除油污等二次加工工序。

例子

這里舉兩個(gè)高速加工的應(yīng)用實(shí)例。第一個(gè)是在Datron機(jī)床上進(jìn)行的，工件材料為6061鋁，刀具為6.35mm（1/4英寸）的單刃銑刀，切深為3.175mm（1/8英寸），主軸轉(zhuǎn)速45，000RPM，乙醇冷卻，進(jìn)料速率為6.35m(250英寸)/ min。

第二個(gè)實(shí)例，仍然是在Datron機(jī)床上進(jìn)行，工件為厚度為3.175mm（1/8英寸）的6061鋁制薄板，刀具為低螺旋角的3.175mm（1/8英寸）雙刃高速銑刀（HSC +），主軸轉(zhuǎn)速50，000RPM，乙醇冷卻，進(jìn)料速率為5.08m(200英寸)/ min。
 
高速加工要遵循一定的經(jīng)驗(yàn)法則。首先，要避免主軸過熱，過熱會增加磨損、縮短主軸壽命。切深不能超過刀具直徑的一半，采用小的切深但高的進(jìn)給速率。最后，排屑速度也要跟著加快。

結(jié)論

總之，選擇合適的刀具完成合適加工任務(wù)。低轉(zhuǎn)速、高切削力的傳統(tǒng)機(jī)床無法達(dá)到微型刀具高速加工的生產(chǎn)效率。只有引進(jìn)新的專業(yè)機(jī)床設(shè)備，才能和這種高效的加工方式相匹配，當(dāng)然它的效果也是令人驚艷的，完全滿足復(fù)雜零件高效率、高質(zhì)量加工的需要。