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高效铣削刀具的研究与生产

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:18:58

意大利卡尔比塔有限公司(Carbital s.r.l)成立于1952年，是世界主要刀具生产制造商之一，在意大利、西班牙、法国、瑞士、德国等主要工业国家和地区都设有生产加工中心。卡尔比塔有限公司专业生产用于切削特殊金属、硬质合金等材料的一流刀具、刀片，产品被广泛地应用于航空航天、汽车制造、模具、透平机械等行业。

卡尔比塔铣刀与传统铣刀对比

卡尔比塔不断通过对工件材质、结构的研究来改进卡尔比塔刀具的结构、几何参数、刀具材料，从而达到提高切削效率的目的。以卡尔比塔较新推出的Silmax铣刀为例，该款铣刀用于专业加工航空航天业常用的不锈钢、镍基合金及钛合金。传统的铣刀在几何设计上通常是a=b，但是在Silmax铣刀中a≠b，l≠l₁, 这种新型的4刃几何设计，有效分散了切削力，减小了刀具在使用中的振动，从而提高了生产效率，并达到了延长刀具寿命、降低成本的目的。

传统的铣刀在加工不锈钢、镍基合金和钛合金时，通常其切深只能达到0.1mm，改进结构后的铣刀在加工上述材质时，切深可以达到1D 。以D10的铣刀为例，如果想要铣削掉10mm的材料，传统铣刀需要走刀10次才能完成加工，而这种Silmax铣刀只需走刀1次就可以了。

下

径向和轴向切深大大加大，从而提高生产效率；
前角和螺旋角角度的连续渐变有效减少了刀振；
采用这种几何设计，作用于切削刃的压力非常小，从而有效减少刀具磨损，延长刀具寿命；
新型的断屑槽设计使得排屑更加容易。


意大利卡尔比塔有限公司作为世界主要刀具生产制造商之一，通过对工件材质、结构的研究，不断改进其刀具的结构、几何参数和刀具材料，制造出了一系列切削效率很高的刀具。
李芸：2001年毕业于西安空军工程大学，2005年至今在意大利卡尔比塔有限公司上海代表处任首席代表．负责Carbital在中国的一切事宜。

下面介绍一下卡尔比塔圣诞树铣刀在转子轮槽高效加工方面的应用。在汽轮机制造行业，汽轮机转子轮槽的加工是一道复杂而重要的工序。大型汽轮机组的转子轮槽均为纵树形轮槽，其形位公差要求很高。通常的加工工艺为粗加工、半精加工、精加工等。

目前，国内汽轮机制造行业转子轮槽的粗加工和半精加工通常采用普通的螺旋锥度粗铣刀和普通的半精铣刀。在加工过程中，由于刀具与被加工零件表面的接触面积较大，产生了很大的磨擦力，从而也产生了很大的切削力和很高的切削热。切屑也较多，不能尽快排除，对刀具的切削效率和使用寿命产生很大影响。近年来，国家电力事业快速发展，汽轮机制造行业的生产任务量很大，保质保量地按时完成转子轮槽的加工成为了一项紧迫的任务，轮槽铣刀加工的高效性成了当务之急。卡尔比塔新型的轮槽粗铣刀的结构为等螺旋角波型刃结构，轮槽半精铣刀为波型刃结构。

轮槽铣刀的试验研究

对于转子轮槽的加工，我们针对轮槽铣刀的结构、几何参数、刀具材料和刀具表面强化处理、切削用量等方面进行了研究对比。

刀具结构的研究
曾对以下3种槽型进行过研究：
- 第一种为圆弧形：容易加工，但切削刃部两尖点热量集中，散热较慢，强度较差，易磨损。
- 第二种为梯形：切削刃部两尖点强度较好。但刀具在使用过程中槽底容易产生应力集中，使之崩刃。刃磨该槽时，砂轮两尖点容易脱粒，槽形不容易保证。
- 第三种为圆弧梯形：它具有梯形槽型刀尖强度较高的特点，又具有槽底圆弧易加工、不易产生应力集中的好处。

通过试验分析，我们选择了第三种圆弧梯形槽型，并应用于生产。

圆弧梯形槽型虽然效果较好，但还存在一定的问题。首先，刀具刃磨质量不稳定，加工效率低；其次，分屑槽刃部有拐点(即刃尖)，热量集中，易磨损。

波型刃轮槽粗铣刀的引进解决了上述槽型存在的缺陷。所谓波型刃其实也是分屑槽的一种，只是刃型有所不同，波型刃就是在数控刃磨机床上把铣刀的切削刃按类似正弦波曲线的形式刃磨出来，刃部曲线圆滑连接。每条切削刃上的波峰波谷相互互补，使加工出来的零件表面平整。它具有刃尖强度高、散热快、不易磨损、排屑顺畅、切削力小、耐用度高等特点。

在研究过程当中，我们对3组数据的轮槽粗铣刀波型刃的刃型进行了分析。

试验分析表明，波刃的尺寸、形状的选择对刀具的使用性能也有一定影响，如波形齿距太小，刀尖强度低，切削热会集中在刀尖上，刀具易磨损，刀具的使用寿命降低。波形齿距太大，切削刃与工件接触面积大，会产生很大的磨擦力、切削力和很高的切削热，对刀具的使用寿命也有很大影响。

轮槽粗铣刀波型刃的波形参数(mm)

波形参数

第一组

第二组

第三组

波形深度

0.26

0.36

0.46

波形齿距

1.4

1.56

1.7

波形半径

0.43

0.51

0.65

3种槽型对比

通过试验对比，第二组的数据即当波形深度为0.36mm，波形齿距为1.56mm ，波形半径为0.51mm时，刀具的耐用度最好，而且切削效果最佳。

波型刃轮槽粗铣刀是锥度铣刀，刀尖部位直径较小，不易刃磨波型刃，刃磨得不好会影响刀具强度。刃部第一个波形槽要在距刀尖2～3mm处磨出。

另外，引进的轮槽半精铣刀也选用了波型刃，从而减小了切削力，降低了切削热，使切屑面积变小，排屑顺畅，提高了刀具的切削效率和使用寿命。

几何参数的确定

几何参数选择得是否合理，会直接影响刀具的使用寿命。为了保证转子轮槽型线的准确性和完整性，轮槽精铣刀的前角和螺旋角均选择为0°, 轮槽半精铣刀的前角和螺旋角可在0°～5°之间选用。

目前，轮槽粗铣刀螺旋角有“等导程”和“等螺旋角”2种形式，采用这2种形式都是为了切削平稳、轻快，减小冲击，提高刀具耐用度。由于轮槽粗铣刀是锥度铣刀，前后直径相差悬殊，所以刀具的几何角度变化很大，给刀具的制造、修磨带来很大麻烦，刀具的使用寿命也将受到影响。

等导程铣刀在直径大的位置，螺旋角在40°左右，而在直径小的刀尖部分，螺旋角只有2°～3°。在刀尖部分，由于直径小，螺旋角小，必然要产生较大的切削力，很容易造成刀具损坏。

等螺旋角铣刀的螺旋角是不变的，它不随刀具直径的变化而变化。在直径小的刀尖部分，有稳定的螺旋角，就会减小切削力，切削轻快，从而保证了刀具的耐用度，而且制造、修磨都很容易。

经过分析对比，波型刃轮槽粗铣刀采用了等螺旋角形式。螺旋角选择为30°，前角为10°～12°，第一后角为12°，第二后角为25°，此时刀具的耐用度和切削效率最佳。

刀具材料和刀具表面强化处理分析

轮槽铣刀技术含量高，导致其制造困难，价格昂贵。为了提高刀具耐用度，延长刀具使用寿命，我们的轮槽铣刀采用了综合性能较好的一种特殊材质，并且全部采用表面强化处理技术。表面强化处理的方法很多，比如表面涂层、表面多元共渗、深冷处理等。目前我们采用的是表面涂层处理技术。

在实际应用中，我们对TiN、TiC和TiCN 3种涂层进行了对比，结果发现TiCN的涂层刀具应用效果较好。

切削用量的合理选择

切削用量是影响切削效率和刀具使用寿命的关键因素。在研究过程中选择了几组数据进行切削对比试验。现以2396-1005轮槽粗铣刀为例加以说明。

通过数据的对比试验表明，第三组数据即主轴转速为40Or/min，进给速度为45mm/min 时，刀具的耐用度和切削效果最理想。

刀具的正确合理使用

刀具使用得是否正确合理，是能否发挥其高效率切削特性的关键。使用得正确会取得良好的经济效果，否则将会造成刀具损坏甚至工件报废的后果。

除正确的刀具安装外，还要根据转子不同级别的轮槽宽窄来制定每把刀具的加工长度，使其在合理的加工长度范围内使用，一般情况下轮槽粗铣刀在加工3.5～4延长米后，轮槽半精铣刀加工4～4.5延长米后，轮槽精铣刀加工8～8.5延长米后，必须进行重新修磨，刀具超期超负荷使用会降低刀耳的估用寿命。

2396-1005轮槽粗铣刀切削用量
切削用量	第一组	第二组	第三组	第四组
主轴转速(r/min)	300	360	400	470
进给速度(mm/min)	22	30	45	45

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