提高切削速度是金屬切......



提高切削速度是金屬切削技術長期追求的目標，也是切削加工提高效率、降低成本的主要措施。機械加工的歷史證明，切削速度的提高為機械

制造業帶來了巨大的技術經濟效益，切削速度的提高還反映著機械制造整體技術水平的進步。從八十年代中期開始，制造技術進入了一個全面

發展的新時期，其特點是以提高切削速度和進給速度為目標，主要內容包括高速主軸單元、快速進給和高加（減）速度的驅動系統、高性能的

快速CNC控制系統、高剛性的機床結構、超硬刀具材料和涂層工藝技術等。制造技術的全面進展正在把切削技術推向高速切削（HSC）的新階段

。與五六十年代推廣硬質合金刀具時的所謂高速切削相比，這一輪的高速切削不僅切削速度有成倍的提高，而且可配合采用高的進給速度和小

的切削深度，在實現高生產率的同時使切削力減小，從而還提高了加工質量。目前，高速切削已經在航空工業、模具工業和轎車工業受到重視

，正在向更廣的應用領域拓展。
高速切削的核心是高的切削速度，由于刀具材料、工件材料和加工工藝的多樣性，對高速切削不可能用一個確定的速度指標來定義。對于

銑刀等回轉刀具，通常以刀具或主軸的轉速作為衡量標準，根據不同的刀具直徑，現階段一般把轉速10000～20000r /min以上視為高速切削。

因為在這個轉速范圍以上，對刀具材料、結構、裝夾以及機床的主軸、結構、進給驅動和CNC系統都提出了特殊的要求，需要開發新的技術，

其中銑刀結構的安全性就是發展高速切削所必須解決的一個技術問題。
銑削是目前高速切削應用的主要工藝，銑刀是主要的高速切削刀具，包括面銑刀、立銑刀和模具銑刀。這類刀具在高速旋轉時各部分都要
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承受很大的離心力，其作用遠遠超過切削力的作用，成為刀具的主要載荷，離心力過大足以導致刀體破碎。圖1所示為一把德國Walter公司的

面銑刀在36700r /min時爆碎后的狀態。圖2為一把直徑12mm的帶柄銑刀在轉速達到36000r /min時彎曲、斷裂的情形。這種破損一旦發生，操

作者往往來不及采取制止措施或躲避，刀體爆飛的碎塊或甩出的零件會對操作者造成重大傷害，使機床設備、加工工件嚴重損壞，帶來很大的

直接經濟損失，甚至造成停工停產，影響產品的交貨，并引起刀具制造商與用戶之間的法律糾紛。因此，研究高速銑刀的安全性技術，防止這

種由離心力引起的工具損壞，是進一步發展和應用高速切削的必要前提，具有重要的現實意義。
德國在九十年代初就開始了對高速銑刀安全性技術的研究，在機器制造商協會（VDMA）的支持下，以達姆斯塔特（Darmstadt）大學制造

技術與機床研究所為核心，組成了由刀具制造廠、研究所和用戶參加的工作組，從事高速銑刀安全性技術的研究。經過近十年的工作，取得了

一系列階段性成果，推動了世界范圍內高速切削技術的發展。下面介紹他們的主要研究成果。
首先，試驗證明普通銑刀的結構和強度不能適應高速切削的要求，因為普通銑刀并非為高速切削而設計，沒有經過一定的強度計算和安全

檢驗。用這類刀具加工鋁合金時，還沒有達到被加工材料最佳切削速度的一半，刀體或刀片的夾緊系統就失效了。工作組首先就“高速旋轉銑

刀設計和試驗指導意見”進行了研究，在此基礎上，于1994年起草了《高速旋轉銑刀的安全性要求》DIN標準，從法律角度規范制造商和用戶

在設計、制造和使用高速銑刀時的行為和責任，在技術上提出了高速銑刀設計、制造和使用的指導意見，規定了統一的安全性檢驗方法，以提

高刀具制造商和用戶的安全意識，保證高速銑削的安全。標準草案規定了它的適用范圍，即高速切削的速度界限，超過這一界限，離心力成為

銑刀的主要載荷，則必須采用安全技術。如圖3所示，曲（折）線以上的區域為標準規定的銑刀必須經過安全檢驗的高速切削范圍：對于直徑

d1≤32mm的單件刀具（整體刀具或焊接刀具），高速切削范圍為切削速度≥1000m/min，即線段AB以上的區域；對于直徑d1＞32mm的裝配式機

夾刀具，高速切削范圍為線段BC以上的區域。標準規定的安全性檢測包括形式檢驗和樣品刀具的離心力試驗。形式檢驗的內容包括對設計圖紙

、計算資料、尺寸、裝配狀態和外觀的檢查。樣品刀具的離心力試驗分兩種情況：對于機夾式刀具，在1．6倍于最大使用轉速（np＝1．6nmax

）下試驗，刀具的永久變形或零件的位移不超過0．05mm，或者在2倍于最大使用轉速（np＝2nmax）下試驗，刀具不發生爆碎；對于整體式刀

具則必須在np＝2nmax條件下試驗而不發生彎曲或斷裂。標準要求制造商應把刀具的最大使用轉速（nmax）和有關特征參數、商標清晰地、永

久性地標示在刀具上，并隨刀具向用戶提供必要的證明文件和安全使用說明。標準還提供了高速銑刀設計的指導意見。在標準規定的安全性技

術的指導和監督下，目前德國生產的高速銑刀已經達到很高的安全性。圖4是由離心力破壞試驗所得數據的一個例子，直徑80mm和200mm的銑刀

分別約在35000r/min和25000r/min時爆碎，考慮安全系數2，則允許的最大使用速度可分別達到4000m/min和7800m/min。Mapal公司的PCD高速
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銑刀系列在考慮了安全系數4以后，所推薦的允許最大切削速度分別為6700m/min（銑刀直徑80mm）和8400m/min（銑刀直徑200mm）。為了滿足

刀具樣品離心力試驗的需要，達姆斯塔特大學引入了一臺試驗裝置，最高轉速可達210000r/min，試驗范圍為：刀具長度250mm，刀具直徑

200mm，刀具重量10kg，并制定了標準的試驗程序。這個標準草案后來作為德國DIN標準建議提交給歐洲標準化委員會，并于1995年被采納，同

期也作為ISO的國際標準建議征詢會員國的意見，表明高速銑刀的安全性在國際上取得了廣泛的共識。
為了加快高速銑刀的開發過程，工作組還就高速銑刀的強度計算進行了研究。指出防止離心力造成的破壞關鍵在于刀體的強度是否足夠，

機夾刀的零件夾緊是否可靠。當把離心力作為主要載荷計算刀體強度時，由于刀體形狀的復雜性，用經典力學理論計算得出的結果有很大的誤

差，不能滿足安全性設計的要求。為此，達姆斯塔特大學與斯馬爾卡登（Schmalkalden）制造技術開發公司合作開發了專門用于高速銑刀的有