瓦尔特：提高切削效率、降低加工成本

提高切削效率、降低加工成本是金属切削技术的长期发展目标。一般来说，提高切削效率、降低加工成本的方法主要有三种：提高切削速度、提高进给速度、提高切削深度。1.的高速切割。切削速度的提高反映了机械制造整体技术水平的进步，给机械制造业带来了巨大的经济效益。从切削的发展历史来看，通常是通过刀具材料的发展和改进来大大提高切削速度，从而达到提高切削效率、降低生产成本的目的。20世纪80年代以来，欧美刀具制造业经过大量的实验研究，对切削机理的认识有了新的突破。人们认为，当切削速度增加超过某一临界值(取决于材料)时，刀具磨损并不是按照泰勒曲线急剧增加，而是在未来某一区间内随着切削速度的增加而降低，经过一个低谷后又重新上升。虽然对这一现象没有一致的理论解释，但并不妨碍高速加工技术按照这一规律应用于谷底附近区域。目前，工业化国家的航空、汽车、动力机械、模具、轴承、机床等行业都根据这一理论发展了高速切削，显著提高了这些行业的产品质量，大大降低了加工成本，获得了市场竞争优势。的理论分析和实践证明，高速切削是一项系统工程。从技术上看，高速切削涉及高速主轴单元、快速进给和高加(减)速驱动系统、高性能快速数控系统、高刚性机床结构、快速数据处理和传输、动平衡控制、超硬刀具材料和涂层技术等。从管理的角度来看，高速切削涉及高速加工的概念和新的管理方法。作为系统的一部分，各个环节只有相互协调才能发挥应有的效益。例如，在加工模具曲面时，如果其他环节满足高速加工的要求，但其凸轮的数据处理只采用直线插补而不是圆弧插补或样条插补来模拟工件曲面的曲线，机床的进给系统总是处于不断加减速的过程中，达不到预定的进给速度，从而限制了切削效率的提高和生产成本的降低。同样，如果用普通结构的三棱立铣刀进行高速铣削，由于通常采用一齿过心的结构，其动平衡性能先天不足，达不到预定的转速，无法获得预期的加工效率。沃尔特公司是世界领先的金属加工工具公司之一，在与世界各地制造业尤其是德国汽车工业的合作中积累了大量的成功经验。沃尔特(无锡)有限公司很早就开始了高速加工在中国的实践。看到高速切削在中国发展迅速，作为国内企业的系统化工具合作伙伴，沃特(无锡)非常愿意与中国制造业分享高速切削的技术成果。在的高速切削中，我们首先要充分注意刀具的安全。铣削是目前高速切削使用的主要技术，铣刀(包括面铣刀、端铣刀和模铣刀)是主要的高速切削刀具。这种刀具在高速旋转时，各部分都要承受很大的离心力，因为其作用远远超过切削力(过大的离心力足以导致刀体断裂)，所以成为刀具的主要载荷。德国在20世纪90年代初开始研究高速铣刀的安全技术，并在机器制造商协会的支持下，组建了一个由大学研究所、刀具制造商、研究所和刀具使用者参加的工作组，从事高速铣刀安全技术的研究。经过近十年的工作，取得了一系列阶段性成果，德国国家标准

通过专用于高速铣刀的有限元计算方法，分别开发了刀体、刀柄、刀片和夹紧螺钉的计算模块，还可以模拟刀片在刀柄中的滑动和螺钉头在拧紧和工作载荷下的变形。计算表明，当转速达到某一临界转速时，螺杆达到临界应力，发生拉伸变形。在达到临界速度之前，螺杆先弯曲，实际长度变长，夹紧力减小，导致刀片位移。为了保证切削的安全性，德国标准规定刀具产品的位移至少要高于制造商的标称最大转速60%，整个刀具只有在高于制造商的标称最大转速至少100%时才能解体或断裂。在实际应用中，沃特公司在2000年的综合样本上列出了几乎所有不同直径下的铰孔、镗孔刀具和铣刀的最高转速，以保证在使用指定的原厂刀片和原厂配件的情况下铣削是非常安全的。但在德国达姆斯泰特大学的实验中，沃尔特标称最大转速8000r/min的铣刀只有在实际转速高达36700r/min时才解体，这充分说明沃尔特刀具本身具有足够的安全性。随着高速加工的应用越来越多，现在越来越多的欧美刀具制造商在刀具设计阶段就考虑高速加工的适应性。例如沃特公司的新型球头铣刀F2339，其刀片底部有两个空槽，可以与刀体上的凸部配合，卸载作用在夹紧螺杆上的离心力，从而可以采用相对较高的切削速度。高速铣削时，加工铝合金的面铣刀直径较大时转动惯量较大。因此，沃特采用高强度铝合金刀体加工大直径铝合金，大大降低了转动惯量，增加了刀具的安全性。2003年，沃尔特还推出了一种镗刀，可以在尺寸调整过程中自动平衡和适应。在高速加工中，除了刀具本身的安全外，刀具夹紧系统的安全和安装后的整体动平衡性能也必须充分重视。Walter推荐使用HSK空心短锥柄作为高速切削时刀具与机床的接口。刀柄与刀具的界面是液压和热膨胀，标准圆柱柄(无展平结构)是刀柄的主要形式。在非常高的速度下，除了刀具和夹紧系统本身的平衡是必要前提外，刀具在安装后还需要整体平衡。因此，用于加工铝合金的大尺寸铣刀必须能够进行平衡调整。一般来说，在高速切削条件下，盘形刀具至少要达到静平衡，而棒料刀具必须达到动平衡。由于中国企业很少同时引进高速机床和平衡装置

　　由于高转速带来高的金属切除率，因此，即使是加工铝合金也会对机床的功率提出很高要求。计算表明，用直径30mm的3齿玉米铣刀加工宽30mm、深度也为30mm的槽，如采用1100m/min的切削速度和0.1mm/z的进给量，功率可能达到57.6kW。因此，瓦尔特公司推荐用户采用的高速切削策略是：高的切削速度、中等的进给量和小的切削深度。对于大余量加工，建议采用分层切削。

　　2.高进给切削

　　按传统方式进行精加工时，由于对工件表面粗糙度有一定的要求，刀具的进给量较小。例如车削表面粗糙度要求为Ra0.4μm的圆柱表面，当刀尖圆角为0.8mm时，其进给量fz应不超过0.10mm/r。为了满足高效切削的要求，目前刀具制造业已开始向用户推荐高进给的Wiper刀片。Wiper车刀片一般是按设计的主偏角在副切削刃上制造出一个直线形的修光刃（也有用大直径圆弧作修光刃的）。在理论上，如果不考虑系统刚性和修光刃本身的微观缺陷，只要进给量不超过刀具修光刃的宽度，则工件的表面粗糙度仅受工件材料晶粒大小的影响（这个影响是微乎其微的）。在实践中，某汽车零部件制造企业使用瓦尔特的Wiper车刀片采用了0.3mm/r的进给量，比原有加工效率提高三倍多，而工件表面粗糙度仍达到Ra0.4μm。

　　与此同时，瓦尔特也致力于大进给铣刀的开发。今年，瓦尔特的大进给铣刀F2330已经问世。这种铣刀具有变化的主偏角（最小处为0°，外径处的主偏角约15°），切深一般不超过2mm，而最大进给量可以达到每齿3.5mm。以工作直径52mm的瓦尔特F2330铣刀为例，由于该铣刀具有3个刀齿，故刀具每转进给量最大可超过10mm。

　　3.大余量切削

　　国内一般将大余量切削称为重切削。在笔者看来，大余量切削虽然也是高效切削的一个方面，但总体上并不能称为新技术。过去国外只有几家刀具制造商生产采用立装刀片结构的重切削铣刀，近年来，包括瓦尔特公司在内的一些国外主要刀具制造商都可供应多种重切削铣刀。

　　笔者认为，值得注意的是用于模具深腔粗加工的大余量切削铣刀。通常在加工型腔时采用沿等高线切削的加工方法，即使采用爬坡法也属于斜向切削。由于采用这两种加工方法均存在一定的径向切削力，而在深腔加工中刀具悬伸较长，为了避免在径向切削力的周期性作用下产生振动，通常采用较低的切削用量，从而使得切削效率较低。瓦尔特公司近年推出的插入式铣刀F2230，采用完全的轴向进给，从而在铣刀上几乎没有轴向切削力，使切削用量和生产效率得以大幅度提高。2002年，湖南一公司粗加工材料为30CrMnTi的传动轮，过去采用国外某著名刀具公司的玉米铣刀进行分层切削，整个粗加工时间过长（耗时约90分钟），在加工到一半时还需更换刀片，因此仅粗加工时的刀片消耗就达约300元人民币。采用瓦尔特F2230铣刀后，加工效率大幅度提高，耗时减少到51分钟，一次装夹刀片后可以加工1.5～2个工件，工件粗加工时的刀片消耗降至约100元人民币。由于刀具费用、机床费用和换刀费用都显著减少，因此每年节省制造费用约9.8万元人民币，经济效益明显提高。

　　笔者认为：高效加工技术的发展和应用前景广阔。在上述三类高效切削方法中，大余量切削的发展余地相对有限，因为大的加工余量代表着较低的材料利用率和相对较低的经济效益，而且随着精密铸造、精密锻造等工艺的不断发展，大余量切削的应用场合会进一步减少。因此，研究的重点应集中在高速切削和高进给量切削技术方面，其中高速切削又是最值得重视的高效加工方式。在高速切削领域内还有许多工件材料的切削特性需要在不断的切削实践中被认知，而随着材料技术尤其是纳米技术的发展，刀具材料的切削性能也将得到不断提升。这些刀具技术的发展必将同机床制造技术、数据处理和传输技术、切削热控制技术等相关技术的进步形成良性互动，从而促进高效切削技术的不断发展。