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瓦尔特(无锡)有限公司 杨晓
高速切削的研究历史，可以追溯到二十世纪30年代由德国Carl Salomon博士首次提出的有关高速切削的概念。Salomon博士的研究突破了传统切削理论对切削热的认识，认为切削热只是在传统切削速度范围内是与切削速度成单调增函数关系。而当切削速度突破一定限度以后，切削温度不再随切削速度的增加而增加，反而会随切削速度的增加而降低，即与切削速度在较高速度的范围内成单调减函数。Salomon博士的研究因第二次世界大战而中断。50年代后期开始，高速切削的试验又开始进入各种试验研究，高速切削的机理开始被科学家们所认识。1979年开始由德国政府研究技术部资助、德国Darmstadt大学PTW研究所牵头、由大学研究机构、机床制造商、刀具制造商、用户等多方面共同组成的研究团队对高速铣削展开了系统的研究。除了高速切削机理外，研究团队同步研究解决高速铣削中机床、刀具、工艺参数等多方面的应用解决方案，使高速铣削在加工机理尚未得到完全共识的情况下首先在铝合金加工和硬材料加工等领域得到应用，解决模具、汽车、航空等领域的加工需求，从而取得了巨大的经济效益。
从目前的试验看，随着切削速度的逐步提高，切削时的变形规律发生一些改变。切屑中的剪切变形逐渐加剧，剪切区的滑移逐渐加强，即使是塑性材料的切屑形态，也会组建逐渐从带状切屑转变为锯齿状切屑，进而有可能进一步转变为单元状切屑。下
静不平衡：
静不平衡是只有一个不平衡质量且该不平衡质量位于两个支承的正中间，因此其在旋转中的离心力在两个支承上反力的大小和方向均相等。在切削加工中的短悬伸刀具(如盘类刀具)可近似地认为只是静不平衡。
偶不平衡：
有两个不平衡质量，分布在对称于支承中点的180°位置，因此其在旋转中的离心力在两个支承上反力的大小相等方向却相反，形成的是一个力偶。
动不平衡：
有两个或两个以上的不平衡质量，分布不符合以上的规律，其在旋转中的离心力在两个支承上反力的大小和方向都不一样。可以这样认为，动不平衡是静不平衡和偶不平衡的叠加，杆类刀具大部分都是此类不平衡。
有两个或两个以上的不平衡质量，分布不符合以上的规律，其在旋转中的离心力在两个支承上反力的大小和方向都不一样。可以这样认为，动不平衡是静不平衡和偶不平衡的叠加，杆类刀具大部分都是此类不平衡。
不平衡的消除有加重、去重和调整三类方法，刀具的出厂预平衡多采用钻孔去重的方法。即在经平衡机测量并计算得到的位置钻一个指定大小和深度的孔，以使刀具在该位置截面上得到静平衡，或者在两个位置上各钻一个孔以实现动平衡。可转位刀具由于更换刀片和配件后会产生新的微量不平衡，整体刀具在装入刀柄后也会在整体上形成某种微量不平衡，我们经常会使用调整法来去除不平衡量以达到平衡目的。调整法主要有三种方式：
平衡调整环：高速加工中安装整体刀具使用的刀柄主要采用这种方式，通常在刀柄上具有两个平衡调整环。通过分别旋转平衡调整环，可以产生一个合力和一个平衡力矩，从而实现动平衡。
平衡调整螺钉：盘类刀具可以采用这种方式。这种方法通常通过在一个(或两个)截面内对两个螺钉进行径向移动来改变该截面内的质心位置，从而达到平衡调整的目的。
平衡调整块：大尺寸的单刃刀具(如单刃镗刀)通常会设置一个平衡调整块。该调整块与单刃刀头处于同一截面，径向可以移动。通过该调整块的移动来达到平衡。
减少刀具不平衡的方法，除了上述平衡方法以外，减少刀具的重量也是一个有效的方法。瓦尔特用于铝合金高速切削的刀具。该刀具的刀体用高强度的铝合金制造。由于铝的密度仅为钢的34.6%，同样制造精度下的离心力也就大大减少了。以直径200mm的铣刀为例，相对于相同直径钢刀体铣刀，刀具的重量由9.8kg减少到3.7kg，允许使用的最高转速也从4200r/min提高到13200r/min。
带平衡调整螺钉的铝合金刀体铣刀
对于在高速切削条件下使用的刀具，盘类刀具由于轴向尺寸相对较小，一般可以只进行静平衡；而杆类刀具的悬伸较长，其质量轴线与旋转轴线之间可能存在的夹角就不能被忽略，因此必须进行动平衡。必须明确的是，只有在两个或两个以上截面中进行的平衡调整才可能是动平衡，而在一个截面内进行的平衡都应是静平衡。
就一般规律而言，中心对称的结构的更适合高速加工。不对称的三齿结构，三齿中仅一齿过中心，该刀具一般不合适作为高速切削刀具；中心对称的二齿结构，其两个刀齿均过中心，就比较合适高速切削。同样，带削平的圆柱刀柄由于削平去除了刀具一侧的部分材料，也造成了刀具的不平衡，对于高速切削也是不利的。加上其通常使用螺钉从侧面压紧，使刀柄上安装孔与刀具柄部的间隙在夹紧过程中变为不对称间隙，安装后的不平衡可能被加剧，更不合适用于高速切削。因此我们在高速切削的刀具选择过程中要充分考虑其结构的影响，避免刀具结构在原理上就不平衡。因为通常通过调整所能去除的不平衡量相当有限，而原理上的不平衡往往远远超出刀柄调整所能消除的不平衡的范围。
我们认为刀具供应者应对自己提供的刀具能否用于高速切削作出明示。现在，许多欧美刀具商已经在其样本等宣传资料上标明了表示适用于高速切削的符号“HSC”或适用于高速加工的符号“HSM”，因此，一般没有标注这类符号的就表示不适合高速切削。
三、安全性
由于高速切削通常会需要较高的转速，由此使刀具在巨大离心力作用下发生破碎、解体的可能性大大增加。左对于刀片式的刀具，生产商必须保证在1.6倍于较大使用转速(np＝1.6nmax)下试验，刀具的永久变形或零件的位移不超过0.05mm，而在2倍于较大使用转速(np=2nmax)下试验，刀具不发生爆碎；对于整体式刀具，则应在np=2nmax条件下试验而不发生弯曲或断裂。同时要求刀具生产商必须对可用于高速切削的刀具明示其较大使用转速。在此条件下使用刀具的安全性将得到充分的安全保证。当然，对于非高速切削刀具(即在左
粗加工时优先考虑刀具材料的韧性；
精加工时优先考虑刀具材料的硬度。
金刚石、立方氮化硼和陶瓷的技术由来已久，他们共同的特点是硬度高，脆性大，不能承受较大的冲击。
刀具材料性能示意
而近年来镀层技术的发展，使细颗粒硬质合金在保持其较高韧性的同时，提高了其抗高温和抗冲击载荷的能力，为高速切削应用更经济的刀具提供了技术保证。
如瓦尔特公司创建的Tiger·Tec技术(中文我们称之为“老虎刀片”)，采用了特殊的镀层技术使刀片的前后刀面分别呈现黑色和金色两种颜色，又通过改善前刀面表面氧化铝镀层和基础镀层之间的连接结构加强了镀层的强度，使氧化铝膜层的厚度得到了增强，刀片的抗高温性能大大提高。由于高速切削时切屑状态的单元化，老虎刀片从主要适合加工铸铁加工，扩展为不仅适合铸铁加工，也同样适合钢件的加工。
瓦尔特在1999年的欧洲机床展览会上推出的Quar·Tec系列产品中有一个被命名为WQM35的刀片材质，该材质使用了一个具有100层的镀层技术。这100层的镀层总厚度为6-8µm，单层的厚度大部分为20~50nm。由于镀层在高速切削，尤其是高速铣削下，在虽然数值不大但交变频率非常高的切削力和切削热的冲击下，极易将微小的缺口扩张形成裂纹，从而降低膜层与膜层、膜层与基体之间的结合力。因此，我们建议在粗加工时选择镀层的硬质合金(尤其是细颗粒硬质合金)，精加工是选择金刚石或立方氮化硼。
100镀层的WAP35
五、高速加工策略
高速加工可能导致高的金属切除率，因此在粗加工时必须检查其所需的扭距和功率是否超过了机床所能提供的扭距和功率。尤其在加工铝件时，由于其加工速度极高，其所需可能导致超出我们想象的的值。以32mm直径的玉米铣刀为例，如果以约1000m/min的线速度(相应的转速大约为10000r/min)进行铣槽，当切深为10mm时，其功率消耗大约是19kW，而当切深增加到30mm的话，功率消耗将增加到大约56kW。因此，我们的建议是：
在高速加工中尽可能增加切削时间在整个工作时间中的比例，减少非加工时间(如换刀、调整、空行程等)；
面铣和立铣加工：采用用小或中等尺寸的刀具和分层切削的加工策略；
在槽铣加工时，采用分层切削,小的切深, 中等进给。由于切削速度高，同样可以得到高的进给速度。
还有一些具体的加工注意事项：
球头铣刀使用时应注意其近中心处切削速度极小，接近于“零”，因此切削条件比较恶劣。因此有可能的话，应该是铣刀轴线与工件的法线方向由一个倾斜角。根据试验，当这个夹角为15°左右时，刀具的寿命将达到极大值。
刀具的悬伸对高速加工中的刀具寿命将产生一些影响。就有限的试验的结果看，当6mm的立铣刀悬伸从30mm增加到60mm时，刀具寿命可望增加到原来的140%到230%。
在仿形加工中，沿横截面轮廓的铣削方式(又称为等高铣)优于沿纵截面轮廓的铣削方式(又称爬坡铣)。因为等高铣的切削条件比较一致，切削平稳，工件表面的粗糙度情况也比较好，而爬坡铣的切削条件极不稳定，刀具接近中心处极易发生崩刃，工件表面的粗糙度情况也不理想。而在采用爬坡铣的情况下，实验表明，顺铣的刀具寿命优于逆铣，向上铣的刀具寿命要优于向下铣。
铣削内部型腔时切削力的变化
在铣削内部型腔时，当刀具进给到拐角处时，由于切削包角突然增大，其径向力会急剧增大，峰值会达到正常切削值的170%左右。因此，我们建议在拐角处实施所谓的“摆线切削”，这样就可以避免切削力的突然增大，从而实现平稳切削，延长刀具的寿命。
在冷却方面，我们应该加以特别注意。油雾冷却(又称准干切削)是比较理想的，喷气冷却、高压大流量内部冷却也可以接受，但应避免低压的、外部的冷却方式。
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