高速铣削

铣削类型

高速铣削‌是一种利用高的主轴转速和高的进给速度来达到高的金属切除率，并获得良好的加工精度和质量的铣削方法‌。

高速铣削简介

普通铣削加工采用低的进给速度和大的切削参数，而高速铣削加工则采用高的进给速度和小的切削参数，高速铣削加工相对于普通铣削加工具有如下特点：

（1）高效高速铣削的主轴转速一般为15000r/min～40000r/min，最高可达100000r/min。在切削钢时，其切度削速约为400m/min，比传统的铣削加工高5～10倍；在加工模具型腔时与传统的加工方法(传统铣削、电火花成形加工等)相比其效率提高4～5倍。

（2）高精度高速铣削加工精度一般为10μm，有的精度还要高。

（3）高的表面质量由于高速铣削时工件温升小（约为3°C），故表面没有变质层及微裂纹，热变形也小。最好的表面粗糙度Ra小于1μm，减少了后续磨削及抛光工作量。

（4）可加工高硬材料可铣削50～54HRC的钢材，铣削的最高硬度可达60HRC。

鉴于高速加工具备上述优点，所以高速加工在模具制造中正得到广泛应用，并逐步替代部分磨削加工和电加工。但是，高速铣削在加工过程中应满足无干涉、无碰撞、光滑、切削负荷平滑等条件。而这些条件造成高速切削在对刀具材料、刀具结构、刀具装夹以及机床的主轴、机床结构、进给驱动和CNC系统上提出了特殊的要求；并且主轴在加工过程中易磨损且成本高（目前）。

使用规程

（1）减轻刀具质量，减少刀具构件数，简化刀具结构

由试验求得的相同直径的不同刀具的破裂极限与刀体质量、刀具构件数和构件接触面数之间的关系，经比较发现，刀具质量越轻，构件数量和构件接触面越少，刀具破裂的极限转速越高。研究发现，用钛合金作为刀体材料减轻了构件的质量，可提高刀具的破裂极限和极限转速。但由于钛合金对切口的敏感性，不适宜制造刀体，因此有的高速铣刀已采用高强度铝合金来制造刀体。

在刀体结构上，应注意避免和减小应力集中，刀体上的槽（包括刀座槽、容屑槽、键槽）会引起应力集中，降低刀体的强度，因此应尽量避免通槽和槽底带尖角。同时，刀体的结构应对称于回转轴，使重心通过铣刀的轴线。

刀片和刀座的夹紧、调整结构应尽可能消除游隙，并且要求重复定位性好。目前，高速铣刀已广泛采用HSK刀柄与机床主轴连接，较大程度地提高了刀具系统的刚度和重复定位精度，有利于刀具破裂极限转速的提高。此外，机夹式高速铣刀的直径显露出直径变小、刀齿数减少的发展趋势，也有利于刀具强度和刚度的提高。

（2）改进刀具的夹紧方式

模拟计算和破裂试验研究表明，高速铣刀刀片的夹紧方法不允许采用通常的摩擦力夹紧，要用带中心孔的刀片、螺钉夹紧方式，或用特殊设计的刀具结构以防止刀片甩飞。刀座、刀片的夹紧力方向最好与离心力方向一致，同时要控制好螺钉的预紧力，防止螺钉因过载而提前受损。对于小直径的带柄铣刀，可采用液压夹头或热胀冷缩夹头实现夹紧的高精度和高刚度。

（3）提高刀具的动平衡性

提高刀具的动平衡性对提高高速铣刀的安全性有很大的帮助。因为刀具的不平衡量会对主轴系统产生一个附加的径向载荷，其大小与转速的平方成正比。

设旋转体质量为m，质心与旋转体中心的偏心量为e，则由不平衡量引起的惯性离心力F为：

F=emω2=U（n/9549）2

式中：U为刀具系统不平衡量（g·mm），e为刀具系统质心偏心量（mm），m为刀具系统质量（kg），n为刀具系统转速（r/min），ω为刀具系统角速度（rad/s）。

由上式可见，提高刀具的动平衡性可显著减小离心力，提高高速刀具的安全性。因此，按照标准草案要求，用于高速切削的铣刀必须经过动平衡测试，并应达到ISO1940－1规定的G4.0平衡质量等级以上要求。

计算分析

随着高速切削技术的发展，高速铣削工艺的应用日益广泛，越来越受到制造业的企业和科研工作者的关注。信息产业部某研究所自1999年7月从瑞士 MIKRON公司购进第一台HSM-700型高速立式铣削中心后，2001年10月又购进三台HSM-700型高速铣床用于生产。笔者通过对这批先进高速铣床的加工效率进行深入、细致的调查研究，对比了不同铣床的加工效率，推导了高速铣削加工效率的计算公式。

加工效率的计算

按照传统切削理论，切削加工效率ZW(cm3/min)可通过下列公式计算： ZW=v·f·ap (1)

式中v---切削速度；f---进给量；ap---切削深度

根据分析与研究，我们认为式(1)不适用于高速铣削加工效率的计算，原因主要有两点：

（1）高速铣床的主轴转速相当高(如HSM-700型高速铣床最高转速达42000r/min,，加工平面时转速也在35000r/min,以上)，如此高的转速使刀具并非每一转都在切削金属；

（2）在实际加工中，设定的转速和进给量只是最大转速和最大进给量，实际的刀具转速和进给量时刻都在变化(HSM-700机床的自测功能可以显示整个切削过程中的变化情况)，切削过程中的实际转速和进给量总是从较低值迅速达到较高值又很快降到较低值，如此反复变化，这是铣削过程的客观反映，而不像车削过程中可以保持转速和进给量恒定不变。

因此，我们提出用单位时间内的金属去除量Z(cm3/min)表示加工效率，即

(2)

式中W---切削过程总的金属去除量(cm3)

t---切削时间( ＜ 0,)

式(2)更符合高速铣削的实际情况，用式(2)很容易实现对高速铣削加工效率的计算，同时也便于不同铣床加工效率的比较。

例如，原来在普通铣床上加工图1所示零件，为了缩短生产周期，一部分零件现采用高速铣床加工。这样，可通过该零件的加工来比较两种加工设备的加工效率。由于该零件的表面质量要求不高，高速铣削和普通铣削均能达到要求。事实上，高速铣削加工出的零件表面粗糙度要比普通铣削加工低1~2个等级。

图1 零件示意图

用单位时间内的金属去除量Z=W/t(cm3/min) 表示加工效率。试验中取铣削加工过程中的几个时间段，记录加工时间，测量在各个时间段零件加工前后的体积差，通过式(2)计算得到Z值。通过多次测量计算取Z的平均值，该平均值即可视为较准确的Z值。对于图1所示零件的高速铣削过程，由式(2)算得的Z值为

按照传统切削理论即按式(1)计算得

比较Z高速和ZW，显然ZW与该零件实际的高速铣削加工效率相差很大。

比较

某研究所目前用于生产的铣床除HSM-700型高速铣床外，还有国产的立式铣床和进口的铣削中心。国产铣床是二十世纪九十年代初购进的北京第一机床厂生产的XK5040-1型立式升降台铣床(以下简称国产普通铣床)，目前主要用于零件粗加工及少量铸铁件和钢件的加工；进口铣削中心是美国产VF- 0 HAAS型铣削中心(以下简称进口普通铣床)，可用于粗加工和精加工。

对于图1所示零件，在国产普通铣床上加工的切削效率为在进口普通铣床上加工的切削效率为

将Z高速分别与Z国普和Z进普进行比较，有

由上述计算和比较可以看出，在高速铣床上加工该零件的金属去除率相当高，与国产普通铣床相比其优势更为明显(据操作工人反映，甚至出现过高速铣床加工效率比国产普通铣床快10倍以上的情况)。当然，对于不同材质、不同形状和不同加工要求的零件，不同铣床的加工效率并不相同。对于加工面积较大的大型零件或形状特别复杂的零件，高速铣床具有更为显著的加工效率优势。高速铣床的效率优势主要体现为高的刀具转速n和高的进给速度Vf。在实际加工中，进给速度 Vf 对加工效率的影响往往更大。

效率比较

比较加工效率必须带有一定的约束条件，应结合企业的实际情况，考虑加工效率与生产成本的关系。用式(2)求得的加工效率Z除以加工成本C来表示考虑了成本因素的加工效率E(cm3/min·万元)，即式(3)中，为计算简便，设加工成本C 主要为制造费用(包括设备成本、设备维护费用、刀具损耗费用等)，并假设高速铣床、国产普通铣床、进口普通铣床的日常维护费用相等。为了能客观地反映实际加工效率，对2001年1月到2002年5月这一较长时间段内的机床使用情况进行比较：

瑞士MICRON HSM-700型高速铣床每台价值人民币C0高速=200万元；由于机床零部件价格昂贵，用于机床非日常维护的费用(包括故障检修、更换零部件等)为C2高速=9.5万元；在高速铣床上使用的刀具均为进口铣刀，价格较为昂贵，再加上缺少针对不同刀具和零件材料的切削用量规范，使得高速铣刀的使用成本较高，因此，从去年初至今，高速铣刀损耗费用为C3高速=14,548.13元。

美国产VF-0 HAAS型铣削中心是1998年进口的普通铣削中心，当时价值人民币C0进普=80万元；机床使用性能较好，除日常维护外，至今没有出现需要维修的故障，C2进普=0.45万元；与高速铣床一样，所使用的刀具均为进口铣刀，除正常的刀具磨损外，很少出现刀具非正常损耗，铣刀损耗费用为 C3进普=2,195.26元。

1992年从北京第一机床厂购进的XK5040-1型立式升降台铣床，当时价值人民币C0国普=60万元；目前主要用于零件粗加工，虽然精度不高，但性能还比较稳定，除日常维护外，未出现大故障。2000年对其操作系统进行了改造(换装了西门子操作系统)，改造和检修的费用为C2国普=6.45万元；在此机床上既使用进口刀具也使用国产刀具，铣刀损耗费用为C3国普=1,377.62元。

设机床的使用年限为20年，按照直线折旧法，机床每年折旧5%，则到2002年，三种铣床的当前成本分别为：

由式(3)可求得考虑成本时三种不同铣床的加工效率分别为 E高速= Z高速 =0.1291cm3/min·万元

由计算结果可以看出，考虑成本因素后，高速铣削不再具有显著的效率优势(与进口普通铣削中心的加工效率接近)。这一比较结果说明，目前高速铣削的使用成本还比较高(其设备成本、维护费用和刀具损耗费用都比普通机床高出很多)。

尽管目前采用高速铣削还达不到经济的切削效率，但并不说明高速铣削不具优势。首先，上文对铣削效率经济性的分析仅考虑了生产成本，并没有考虑时间效益。在技术飞速发展的今天，时间往往是更重要的经济因素。高速铣削加工在缩短加工工时方面的优势是很明显的。其次，上文所作加工效率比较是在高速铣床和普通铣床均能加工同一种零件的前提下进行的，事实上许多不适合(或不能)在普通铣床上加工的零件(如薄壁零件或对加工表面质量要求较高的零件)只能用高速铣床加工。第三，高速铣削技术作为一种新的加工技术在我国正经历不断发展的过程，为了获得高速铣削的经济加工效率，必须深入研究高速铣削机理，加快进行高速铣削工艺的科研开发，同时加强生产管理，提高操作者素质。相信随着对高速铣削技术研究的不断深入，加工的经济性等问题将得到很好解决。

结论

(1) 生产实践表明，高速铣床加工零件覆盖面广，特别适用于加工面积较大、形状复杂的精密零部件。零件加工精度高，废品率低。

(2) 传统的切削加工效率公式不适用于高速铣削，用单位时间内的金属去除量来表述高速铣削的加工效率更为准确。

(3) 单从机床的切削效率来看，高速铣床要高出普通铣床好几倍，但目前高速铣床的使用成本较高。在选择工艺方案时，可以考虑用普通铣床进行粗加工，用高速铣床进行半精加工和精加工。

(4) 只有深入开展高速铣削技术的科研开发，才能充分发挥高速铣床的加工效率优势。

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