快速的CNC处理和高压冷却液有助于以惊人的速度去除金属。但是，企业应该了解高速加工中的切削刀具吗？

  今天的金属去除率比以往任何时候都快。几年前被认为是高速加工，在今天就会被认为是最平常的。许多因素促使企业寻求越来越快的金属切削速度。其中包括性能更好，功能更强大的机床和CNC处理器，它们可以使机床以越来越高的速度和进给来达到精确切削的目标。

  商业方面的考虑也促使企业提高生产效率。由于需要在机床上增加工作量，因此车间一直在寻求改善金属切削工艺的方法。

尽管有关高速加工的许多讨论都集中在机床所扮演的角色上，但铣刀是其在高速加工中的合作伙伴。而且，这就是本文的重点。我们将研究车间需要了解的有关为其高速应用指定切削工具的知识。

  什么算作高速切削？

  高速加工一般是很难给出准确的定义，因为高速从来都是相对的。一个行业领域的快速发展似乎对另一个行业而言是有利的。

  加工速度是非常特定于应用的。将加工过程称为高速，可以将其当前性能与以前的性能进行比较。例如，高速可能意味着从高速钢刀具变为整体硬质合金，这使您可以提高机床的进给速度。由于硬质合金刀具在许多应用中可以比HSS更快地去除金属，因此使用硬质合金的车间比HSS的加工速度更快。但这是相对的，因为另一家使用金属陶瓷或陶瓷刀具的商店比硬质合金的切削速度更快。

  因此，我们不会为高速分配明确的值。可以说高速加工意味着您的操作习惯上更快地切削金属。

  一些基本知识：SFM和IPT

  很难定义高速加工，因此有一些测量值用于加工速度。这些可以比较不同的比率，并帮助车间确定其在加工速度连续性中的位置。

  为了量化一台机器实际切割金属的速度，需要将主轴的转速转换成更有用的数值。根据Kennametal的应用专家Dan Spanovich的说法，该数字表示为每分钟表面英尺（sfm）。

  同样，机床的进给速度通常以英寸每分钟（ipm）为单位。但是对于切削工具，它表示为每齿英寸（ipt）。根据工件材料的最佳sfm和ipt可以确定机床的rpm和ipm并进行编程。

  这两个测量值相互依赖，以确定可以保持工件的速度。例如，可以在约250 sfm的效率下有效地切割钛。那使用的芯片负载为0.005 ipt。但是，一些商店报告说，钛加工速度接近500 sfm，但是这样做可以减轻切屑负荷。

  根据切刀的材料，可以调整切屑负载和表面速度，从而为车间应用提供最佳组合。如果目标是去除重金属，则提高切屑负荷和sfm可使切削效率最大化。为了获得更好的光洁度，在保持sfm的同时减少切屑负载将提供良好的表面光洁度。

  没有确定最佳组合和结果的具体公式。需要进行一些试验才能找到针对特定应用的最佳进给和速度。

  实质差异

  切削工具材料具有使其可以在金属切削应用中使用的特定属性。由于应用范围千差万别，因此有许多切削材料组合可供选择。

  但是通常，仅使用两个性能标准来确定刀具的适用性。它们是韧性或抗断裂性（延展性）和热硬度（抗热性）。可以创建涂层，基材和基础材料的多种组合，以提供特定比例的韧性和热硬度，以适应各种应用。

  切削工具材料可分为五大类。材料的排列方式从最佳韧性到最佳热硬度：

  HSS，

  碳化钨（无涂层和涂层），

  金属陶瓷，

  陶瓷，

  钻石和立方氮化硼。

  从HSS开始，发展到金刚石和CBN涂层，可以从最佳韧性特性到最佳热硬度逐步构建氧化皮。高速钢承受重击，但热量消耗不大。陶瓷刀具和金刚石涂层刀具会发热，但容易断裂。

  碳化钨铣刀的工作范围通常为100至1200 sfm（HSS高达约100 sfm）。包括氮化硅在内的陶瓷将外壳推高至4,000 sfm。多晶金刚石和CBN涂层工具使sfm超过4,000。这些速率在0.003至0.030 ipt的切屑负载下。

  这些速率代表正确组合工件材料和刀具材料的最佳切削潜力。但是，在车间希望达到这些切削速度之前，还必须考虑其他因素。

  高速加工的夹具

  刚性夹具的重要性在高速加工应用中不能过分强调。尽管任何固定或夹紧装置的目标都是牢固地固定工件并允许后续零件的可重复定位，但是高速要求会放大工件固定装置中的任何缺陷。

  在高速加工应用中，夹具应将工件支撑在坚固的基座上，并具有足够的质量以帮助抑制刀具引起的振动。高速夹具不需要太复杂，而应遵循良好的车间惯例。

  例如，良好的虎钳只要牢固地支撑工件就足够了。建议使用主动挡块，以防止工件因刀具运动而扭转或移动。

  高速加工的切削工具

  重要的是正确选择切削工具，尤其是可旋转额定转速的可转位切削刀。并不是说得太过分，但是如果车间试图超过工装速度额定值，我们正在谈论潜在的严重甚至致命的事故。

  原因是简单的离心力。出于同样的原因，轮胎制造商对子午线有额定速度，工具制造商对切刀设置了“不超过” rpm。通过旋转物体产生的力与旋转速度成指数关系。该部队正试图将刀片从其座位上撕下来。切割机的任何零件以10,000、15,000或20,000 rpm的速度飞奔都会对生命和四肢造成危险。

  用于高转速的可转位刀片工具不同于用于传统转速的工具。对于高速可转位刀具，刀片以不同的方式固定在刀体上。Spanovich先生说，简单的固定螺丝夹不足以实现高旋转。刀片用一个销钉固定到刀具主体上，该销钉适合模制在刀片中的a子中。它沿垂直于旋转产生的离心力的方向锚固在刀具主体上。

  热冲击

  在较高的切削速度和进给速度下，与传统速度相比，冷却剂的需求可能更少。热是加工的副产品。通常，这是金属加工工人的敌人。但是，越来越多地使用热量来帮助切割过程。

  在理想的切削中，工件材料，机器进给，主轴转速和刀具均以最佳方式做出各自的贡献。当切割器产生切屑时，该动作产生的热量传递到切屑。当切屑破裂并离开切削区域时，热量随之带走。

  高速加工的一大优势是，在提高速度和进给速度时，切屑被切割和排空的速度如此之快，以至于很少或几乎没有热量传递给生坯。在传统的加工速度下，有一段时间热量会从切屑转移到未切割的金属，并产生加工硬化条件。这增加了产生芯片所需的力，该芯片产生更多的热量，并且持续不断。冷却液通过降低切割区的温度并冲走切屑来减轻循环时间。

  但是，在极高的转速下，工具旋转会将冷却剂从切削区域中甩出，因此，如果没有很高的压力或通过工具管道，冷却剂就永远不会到达切削区域。Spanovich先生说：“在某些情况下，截留的切屑可以保留在切屑中，从而可以用工具重新切屑。我们发现，喷砂处理对于在高速应用中排屑是非常有效的。”

  对于高速工具（尤其是陶瓷和较硬的切削刃）的用户，热冲击是另一个考虑因素。切削液中冷却剂的不规则分布会为这些刀具造成不稳定的加热区。设计为在高温下运行，刀具材料会在切削区域内经历连续的加热和冷却循环，这可能会因热冲击而导致过早失效。

  选择正确的刀尖

  刀具速度是在刀具的切削刃处产生热量的主要影响。保持高切屑负载或进给是散热的方式。正确的刀尖，结合正确的刀具前角，以加工出的材料，产生的切屑具有足够的密度，可以从切削区带走热量，因此可以避免加工硬化。

  切屑载荷是刀具每个切削刃的进给速度。对于可转位刀片工具，这是每个刀片的负载。在实体铣刀上，切屑负载针对每个齿进行额定。Spanovich先生说，良好的切屑负载工作范围通常在最小0.003 ipt至最大0.012 ipt之间。

  切削刃的攻角及其前角会影响切削刃的切屑载荷。前角从正到中性再到负。正前角为工件提供了更锋利的边缘。这也是一个较弱的优势。正前角工具往往会在切割过程中将工件拉向工件。它们还倾向于将切屑向上推并从切削区域移开。

  负前角刀具的前缘要坚固得多，并且倾向于沿刀具进给的方向推向工件。与正前角相比，这种几何形状的自由切削较少，因此要消耗更多的功率。

  通常，高速加工的几何形状反映了常规加工的几何形状。Spanovich先生说：“您知道将常规加工转移到更高速度应用的刀具几何形状。” “如果有高速发展的趋势，那就是朝着正的导程角工具发展。这种导程角效应可以通过提起切屑同时保持相同的切屑厚度来实现更大的ipt。这种更大的进给速度可以实现更高的加工速度。

  Spanovich先生说：“目标是形成足够厚的切屑。” “这个想法是将切屑用作散热器。更快的速度会产生更多的热量，因此将热量引入切屑在高速加工应用中变得至关重要。”

  工具和工件结合

  成功的高速加工取决于将工具和工件结合在一起的许多部件之间的静态和动态刚度。至关重要的是，刀具，刀夹和机床主轴之间的连接非常牢固。

  在主轴转速较高时，刀具平衡成为一个大问题。Spanovich先生说：“我们推荐用于端铣刀和钻头的光滑柄工具，该工具由液压或防卷夹头夹头夹持，以实现高速加工。” “在5,000 rpm或更高转速下，平衡成为一个问题。在这些速度下，带有固定螺钉的凹口柄可以使工具偏心移动足够多，从而引起振动，因此会产生颤动。” 对于20,000 rpm及更高的速度，建议自定义工具和刀架组合的平衡。

  V型法兰锥形连接是高速振动的潜在来源。直到最近，切削工具制造商使用的V型法兰锥度和量规都是按照ANSI / ASME B5.10标准制造的。肯纳金属公司的工程师兼ANSI / ASME B5标准委员会副主席David Lewis表示：“直到出现了高速应用，ANSI / ASME标准才能正常工作。”

  刀体与机床主轴之间的锥度配合可能会达到公差（根据ANSI / ASME B5.10），并且仍然会导致高速刀具的跳动和偏心率问题。Lewis先生和代表美国模具制造商的其他人建议使用欧洲ISO 1947 AT3标准代替ANSI / ASME B5.10。ISO标准的精度是ANSI / ASME的两倍，因此可以使主轴锥度和V型法兰工具之间的连接更好。为确保您购买的用于高速应用的工具符合新标准，请为您的刀柄和筒夹头指定ISO 1947 AT3或您的工具制造商的等效产品。对于机床主轴，请指定ISO 1947 AT2（较低的AT编号表示较好的配合）。刘易斯先生建议采用量规来检查车间中的主轴和刀具锥度。

  HSK

  关于HSK或等效工具的许多文章已被提及，可以替代机加工中的V型法兰连接。刘易斯先生说：“尽管设计概念有一些优势，但由于缺乏制造标准，部分原因阻碍了其广泛应用。”

  HSK或其他空心柄，短锥度刀柄之间的主要区别是刀具装入机床主轴的方式。HSK在短锥度和主轴端面之间同时配合。连接非常牢固。

  刘易斯先生说：“ HSK的问题是，没有一个理事机构为工具制造公司建立制造标准。ISO正在考虑德国的DIN标准，但到目前为止尚未获得批准。日本，其他欧洲国家和美国也对HSK提出了一些挑战，关于HSK是什么样的问题尚未确定。

  刘易斯先生说：“与此同时，希望在加工中心上进行高速加工的车间，比等待HSK标准模具配置更好的选择AT3或更好的V型法兰模具。” 可能需要一段时间才能达到HSK或相应的刀具，主轴和量规标准。

  为什么要提高速度？

  在车间中实施高速加工具有许多好处，有些显而易见，而有些则不然。显然，尽管交货时间较短，但更快地制造零件有助于满足客户对更快交货的需求。延长刀具寿命还可以带来很多好处。这看似自相矛盾，但由于高速切削力的降低，使用与应用相匹配的正确工具进行高速加工可减少刀具磨损。

  高速加工可以帮助车间制造出具有更好表面光洁度的更精确零件。通常，因为机床和工件设置必须非常刚性才能进行高速加工，所以结果是使工件更一致。

  朝着该方向移动的企业进行高速加工的一个不太明显的好处来自于实施它的练习。学习做成功的高速加工所必需的事情可以同时将企业的其他方面提升到同等的生产力水平。