要實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)的金屬切除作業(yè)，必須全盤考慮整個加工過程。在許多情況下，與采用廉價刀具相比，采用高質(zhì)量銑刀，可選用更高的進(jìn)給量和切削速度，并可獲得更長的刀具壽命。由于加工時間減少，大大提高了生產(chǎn)率和成本效益。
我們可以采用多種不同的方法，來降低制造成本。由于直接減少刀具成本的方法，實施起來簡便而迅速，所以經(jīng)常有人做這方面的嘗試。據(jù)專業(yè)刊物報導(dǎo)，刀具成本僅占總制造成本4％左右，這是*的事實。因此可以推斷，采用高質(zhì)量刀具可節(jié)省更多的費用。因為高質(zhì)量的刀具允許采用zui大的進(jìn)給量，從而可獲得zui短的加工時間。實際上，降低成本要從金屬切除作業(yè)的整體來考慮。如果用戶希望經(jīng)濟(jì)地使用現(xiàn)今的刀具，就必須研究某些要素。首先是約束參數(shù)和刀具使用條件，還包括加工材料。這對于刀具的選擇和切削參數(shù)的確定極為重要?？梢钥吹?，在濕切削、干切削和硬材料切削中，加工可靠性是一個重要的因素。具有異常鋒利刀刃和合適幾何形狀的刀具，可減小切削力和摩擦生熱。 濕切削在冷卻潤滑液條件下用端銑刀進(jìn)行銑拐角切削和約束參數(shù)對不同涂層高速鋼刀具的耐用度有重大影響，見右圖。該圖描述了銑削奧氏體不銹鋼(材料牌號：1.4301)時，無涂層和tin、ticn、tialcn、tialn涂層端銑刀的耐用度。刀齒進(jìn)給量fz是變量。隨著進(jìn)給量的增大，涂層刀具的耐用度明顯變大。這是由于不銹鋼切削時的加工硬化所致。在刀齒進(jìn)給量小時，切屑在上次切削的加工硬化區(qū)內(nèi)形成，使應(yīng)力作用在刀具及其涂層上。這說明ticn、tialn和tialcn涂層具有有利的性能。隨著進(jìn)給量的增大，相對于金屬去除率的比切削力減小。在較低的應(yīng)力載荷下，tin、ticn、tialcn和tialn涂層不再顯示任何不同(表1，a)。從這些關(guān)系所表露的事實，可通過減少涂層的重復(fù)性而節(jié)省刀具費用。為此，瑞士alesa公司將標(biāo)準(zhǔn)刀具的涂層限定在tin、tialn和tialn-x幾種。其他涂層刀具也可按要求供應(yīng)。
表1 濕切削的切削用量 刀具 切削用量
材料 工序 銑刀類型 刀直徑
mm 齒數(shù) 刀片 刀片材料 每齒進(jìn)
給量fz
mm/z 切削速度
vc
m/min 切深
ap
mm 切寬
ab
mm
a din 1.4301
(x5grni1810) 銑角 端銑刀 10 4 60 13 2
b din 1.4301
(x5grni1810) 銑槽 alesa螺旋式90°
ao 20r 63 5 0.12 19.8 16 63
c ggv-40 粗銑 面銑刀
90°sd
12r 160 10 sdft
1204-
aefn 硬質(zhì)合金
mg-20
tiain
(單層) 0.15 130 2.0 130
d ggv-40 精銑 面銑刀
45°sd
12r td width=54>160 10 sdft
1204-
aefn 硬質(zhì)合金
mg-20
tiain
(單層) 0.05 130 1.0 130
在奧氏體不銹鋼上銑槽
機床之外，實踐中某些參數(shù)已基本上不必再選。在*個例子中，這些與切削寬度ae、深度ap和材料有關(guān)。盡管如此，該例還是說明了依據(jù)使用高速鋼刀頭的切削規(guī)范，可實現(xiàn)的切削性能。附加的措施確保了可靠的加工。該例還表明，涂層是非常合適的。為獲得*結(jié)果，奧氏體不銹鋼(材料牌號為1.4301)是在一臺穩(wěn)固的立式銑床上進(jìn)行切削的。該銑床主軸驅(qū)動電機功率為22kw，銑削時以較小壓力從外部供給冷卻潤滑液。 首先，必須保證可靠排屑。排屑是借助一套壓縮空氣噴射裝置直接完成的。允許的zui大切削速度vc和刀具進(jìn)給量，受限于由機床、工件、工件夾緊機構(gòu)和刀具組成的系統(tǒng)的剛度。甚至，稍稍增大切削速度就會觸發(fā)顯著的振動。結(jié)果，使刀刃在瞬間遭到破裂。采用槽銑刀時(左圖)，刀具持續(xù)時間可達(dá)40～60min(下圖)。由圖可知，從磨損的觀點看，tialn涂層刀具的效果*。至于工件的表面質(zhì)量，不同涂層間無任何差別。該試驗結(jié)果，在后來的實際加工中得到證實(表1，b)。
ggv-40鑄鐵制發(fā)動機缸體的加工雖然現(xiàn)有的ggv鑄鐵已經(jīng)問世多時。但因其始終如一的可再現(xiàn)特性，直到zui近才能加工。與灰鑄鐵(ggl)相比，它具有較高的強度和彈性模量；與球墨鑄鐵(ggg)相比，它更耐溫度波動和具有更好的澆鑄性能和阻尼性能。這些有利的性能的結(jié)合，使ggv鑄鐵特別適合用作制造發(fā)動機缸體的材料。但加工時由于刀具磨損嚴(yán)重，至今，切削加工仍是一個難題。在慣用的切削速度下，刀具耐用度比切削普通鑄鐵下降30％～50％。由于加工條件和切削參數(shù)由自動線給出，因而，提出了是否采用特殊刀具幾何形狀、細(xì)晶粒硬合金和特殊耐磨涂層組合的問題，以使耐用度得以提高。 試切是用45°sd12r面銑刀(表1，c、d)，在maho 800h型加工中心上進(jìn)行的。 表面粗糙度和表面質(zhì)量符合規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行了八次粗銑和兩道精銑后，刀具的磨損仍不明顯。與標(biāo)準(zhǔn)機夾刀片相比，這種銳刃涂層刀片切削得相當(dāng)好，且整個切削過程幾乎寂靜無聲。大流量冷卻液用于沖走切屑和穩(wěn)定系統(tǒng)的溫度。這說明硬質(zhì)合金在目前是合用的，它特別適用于冷卻輔助切削。 干切削干式切削免去了冷卻、潤滑和由冷卻液沖走切屑的主要功能。因而，這種切削方式不能用來吸收切削時產(chǎn)生的那部分熱量。盡管如此，所提供的合適的切削材料、涂層、刀具幾何形狀和工藝參數(shù)均經(jīng)過預(yù)選確定，干切削是可行的。出于健康方面的原因以及燃燒和爆炸的危險，無論如何，應(yīng)注意抽走因干切削所產(chǎn)生的微細(xì)屑末。 如今，已有適用于做刀具材料的硬質(zhì)合金。采用機夾刀片的刀具幾何形狀在刀具的選擇中起著重要的作用。刀具涂層也極為重要。它必須能實現(xiàn)兩個功能：其一，它在刀具與工件之間起一個熱壁壘的作用，從而減小作用于刀具基體上的熱應(yīng)力；同時，它起一種固體潤滑劑的作用，以減小摩擦和切屑的附著。理想的涂層應(yīng)能阻礙這類磨損，不致?lián)p壞刀具，且延續(xù)的時間要盡可能地長。目前，tialn涂層便是其中一種能滿足這些要求的高性能涂層。
銑削導(dǎo)柱由于所需切削力和發(fā)熱量有限，采用干切削加工導(dǎo)柱并不困難。不管長度如何，被加工工件都會產(chǎn)生少量變形。但由于所用的切削力異常地小，所造成的變形也很小。結(jié)果，加工時間明顯縮短。干切削時，必須切記，不管采用何種刀具涂層，加工過程中產(chǎn)生的熱量，總有一部分會傳到刀具上，并再經(jīng)刀具傳到刀具主軸，尤其是在工件特別長或延長加工時間的情況下。 導(dǎo)柱(用st52-3制成)上的槽，是采用45°sd12r面銑刀銑削的。銑刀上裝有sdft 1204 aefn機夾刀片(參見表2，a)。鑒于這些刀片刀刃的耐用度超過40min，因而，不用換刀，便可加工10個以上的工件。在此情況下，zui大金屬切除率達(dá)到315cm3/min。平面銑削是使用90°ap 16r面銑刀進(jìn)行的，銑刀上裝有apft 1604pdr刀片(參見表2，b)。 銑削多位夾具該工件由工具鋼(材料牌號：1.2312)制成，平面加工由銑削完成，槽部挖空且將角銑至90°?；谶@些情況，考慮采用干切削。這不僅可保證順利地排屑，而且能不太困難地實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的加工。壓縮空氣用于輔助排屑，尤其是在銑削槽部和角部時。采用這種方法可防止切屑回落到切削區(qū)。每個刀刃的耐用度為45～60min(參見表2，c～e)。 表2 干切削的切削用量 刀具 切削用量
材料 工序 面銑刀 刀具
直徑
mm 齒數(shù) 刀片 刀片材料 每齒進(jìn)
給fz 切削速度
vc
m/min 進(jìn)給量
vf
mm/min 切深
ap
mm 切寬
ab
mm
a st52-3 槽銑 alesa
45°sd
12r 50 4 sdft
1204
aefn 硬合金
mg-20
tiain(單層) 0.25 260 1400 2.0 50
b st52-3 平面銑 alesa
90°sd
16r 50 4 apft
1604
pdr 硬合金
mg-20
tiain(單層) 0.1 260 640 3.5 17
c 工具鋼
1.2312 平面銑 alesa
45°sd
12r 100 7 sdft
1204
aefn 硬合金
mg-20
tiain(單層) 0.084 150 280 5 75
d 工具鋼
1.2312 擴孔 alesa
45°sd
12r 50 4 sdft
1204
aefn 硬合金
mg-20
tiain(單層) 0.084 150 320 5×3 50
e 工具鋼1.2312 開槽銑 alesa
90°ap
16r 50 4 sdft
1604
pdr 硬合金
mg-20
tiain(單層) 0.06 140 214 15 1
銑削淬硬金屬與干切削一樣，使用幾何形狀確定的刀具加工淬硬零件，在金屬去除加工領(lǐng)域是一種突破性的工藝技術(shù)。它特別適用于大量生產(chǎn)。目前，硬化零件的加工程序通常的安排是，加工成形后便進(jìn)行熱處理，以磨削作為zui后工序。淬硬金屬切削的優(yōu)點在于，淘汰了金屬工件在未淬硬狀態(tài)下的成形加工。這是由“接近純粹形狀”的。淬硬零件的zui后成形，是用一種刀具直接完成的。因此，可明顯地縮短工件的傳送和切削時間。另一個優(yōu)點是可加工出具有很高表面質(zhì)量的工件。
這種技術(shù)的出現(xiàn)是基于：新的制造概念和機床設(shè)計；高溫硬質(zhì)切削材料的出現(xiàn)和涂層技術(shù)的發(fā)展，另外還包括低導(dǎo)熱性和高耐熱、耐化學(xué)性技術(shù)的發(fā)展。
只有在能量轉(zhuǎn)換點產(chǎn)生的高溫，使材料軟化，硬金屬的加工才是可行的。適用作切削材料的有cbn(立方氮化硼)、陶瓷和超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金。成功地進(jìn)行加工的先決條件，是正確地選擇切削速度、進(jìn)給量和切削深度等加工參數(shù)。由于作用于刀具上的應(yīng)力載荷相當(dāng)高，因而這些參數(shù)要小于切削未淬硬金屬的參數(shù)，特別是切削深度。這樣能達(dá)到的金屬去除率也相對較低。確保淬硬工件邊緣的金屬組織不會在切削過程中遭到破壞也是很重要的。這在刀具鋒利時進(jìn)行切削加工是能實現(xiàn)的，但隨著刀刃的磨損，邊緣區(qū)域可能會受影響。 銑削導(dǎo)軌
銑削導(dǎo)軌時，工件(參見左圖)局部表面淬硬至60～62hrc。對于曲面以及從淬硬材料與未淬硬材料的過渡區(qū)，采用間斷加工法。加工該工件型面的外輪廓相當(dāng)困難。加工是在驅(qū)動電機額定功率為10kw的加工中心上進(jìn)行的。
銑削時所用銑刀為90°ap16r面銑刀，其直徑為80mm，6齒，用裝有帶tialn涂層的硬質(zhì)合金apft 1604 pdr刀片，刀片前角為18°。所用切削速度200m/min，進(jìn)給量100mm/min，切削寬度48mm，分三個工步，每工步切深2.5mm，每齒進(jìn)給量為0.02mm。刀具可穩(wěn)定地加工50多個工件。具有標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀的刀具不能加工淬硬金屬。
充分合作
將來，為能經(jīng)濟(jì)地完成金屬去除工作，需要用戶與刀具、機床及涂層制造廠商密切合作。在制造環(huán)境方面，刀具制造廠商的作用將從單獨供貨商變?yōu)樵诤艽蟪潭壬瞎矒?dān)生產(chǎn)責(zé)任的協(xié)作者。他將不僅管理刀具后勤和與生產(chǎn)過程有關(guān)的服務(wù)，而且需要提供優(yōu)化加工參數(shù)的。用戶期待著新的技術(shù)，以保證其產(chǎn)品的質(zhì)量符合要求并能確保加工的可靠性。當(dāng)然，在每個決策階段，成本效益仍起著決定性的作用。