高效切削（HPC）技術(shù)問世至今，幾乎受到了制造業(yè)所有重要工業(yè)部門的青睞，并且隨著切削刀具和機(jī)床的不斷發(fā)展，已在很多企業(yè)得到了應(yīng)用。HPC粗加工追求最大的金屬切除率，并以此來降低制造成本。對(duì)于立銑刀來說，要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的通常做法是將適用的硬質(zhì)合金材料和涂層的性能與刀具切入的條件結(jié)合起來考慮，這也是目前應(yīng)用高速鋼銑刀進(jìn)行銑削加工的做法。
如何在老式機(jī)床上實(shí)現(xiàn)HPC加工
在銑削加工中，高的金屬切除率是通過大的徑向和軸向吃刀深度和高的進(jìn)給速度來實(shí)現(xiàn)的。與高速切削（HSC）相比，在HPC條件下刀具切削刃所承受的切削力要大得多，因?yàn)楦咚偾邢鞯奶攸c(diǎn)是切削截面較小，因而切削力也較小。因此，將連續(xù)切削刃的立銑刀用于HPC加工時(shí)，所產(chǎn)生的較大切削力就會(huì)妨礙刀具在老的和性能不穩(wěn)定的機(jī)床上使用，這種機(jī)床往往顯得功率不夠大。出于加工的需要，通常會(huì)提出如何在功率較小的老式機(jī)床上實(shí)現(xiàn)HPC銑削加工的問題。
在過去幾年里，許多刀具制造商采取了一種策略，就是針對(duì)各種不同的工件材料類別開發(fā)連續(xù)切削刃的硬質(zhì)合金粗加工立銑刀，尤其在加工高強(qiáng)度鋼時(shí)，連續(xù)切削刃刀具證明是可靠的。HPC加工時(shí)，較大的切削力會(huì)使苞米齒銑刀在很多情況下出現(xiàn)崩刃，從而降低刀具的耐用度。在加工某種強(qiáng)度略低于1000N/mm2的鋼材時(shí)，就出現(xiàn)了這種失效現(xiàn)象，究其原因是硬質(zhì)合金材料缺乏足夠的韌性。
隨著高韌性硬質(zhì)合金材料的開發(fā)，為開發(fā)可用于粗加工的苞米銑刀提供了可能，也推動(dòng)了苞米銑刀結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。新的苞米銑刀不僅加工效率高，而且可以用于功率相對(duì)較低的機(jī)床，例如，NX-FP型硬質(zhì)合金粗切苞米銑刀可顯著降低切削力，尤其適合加工低強(qiáng)度鋼。
苞米齒切削刃減小了切削力
對(duì)于一個(gè)給定幾何形狀的切削刃，切削力的大小滿足以下關(guān)系：切削力與切削寬度成正比，與切削厚度成指數(shù)關(guān)系。根據(jù)理論分析可知，圓弧齒的苞米銑刀（NF）的切削力可比連續(xù)切削刃的銑刀降低20%。由于切下眾多小塊切屑所作的功之和要小于切下一整塊切屑所作的功，所以這個(gè)理論值還只是一個(gè)下限值。
為了證實(shí)上述理論分析結(jié)論，對(duì)硬質(zhì)合金苞米銑刀和連續(xù)切削刃銑刀進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比（工件材料56NiCrMoV7，刀具直徑10mm，Vc=80m/min，fz=0.05mm，ap=5mm，ae=10mm）。得出的這兩種刀具切削力平均值的關(guān)系為：前者比后者低23.5%，與理論值十分接近。因此，為了充分利用機(jī)床主軸的功率，應(yīng)較用于HPC加工的粗銑刀設(shè)計(jì)成苞米齒。此外，由于整塊切屑被分為小塊切屑，有利于排屑，使切削過程更可靠。
刀具壽命也得到提高
開發(fā)HPC銑刀時(shí)，應(yīng)對(duì)刀具材料、涂層和刀具的宏觀、微觀幾何形狀三者進(jìn)行優(yōu)化組合。尤其是對(duì)于苞米齒銑刀，會(huì)由于機(jī)械負(fù)荷而在齒形的高點(diǎn)產(chǎn)生崩刃，因此更有必要根據(jù)有利于提高刀具壽命的原則對(duì)齒形幾何形狀、螺旋角、前角、后角等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
對(duì)于一把立銑刀，除了已經(jīng)提到的降低切削力以提高加工效率外，從使用的經(jīng)濟(jì)性考慮，還應(yīng)使刀具壽命盡可能長，即磨損盡可能慢。為此，在切削時(shí)切削刃應(yīng)只有正常磨損，如出現(xiàn)崩刃則說明刀刃有局部過載現(xiàn)象。造成局部過載的一個(gè)重要原因是切屑的截形，而切屑的截形又取決于苞米齒的幾何形狀、刀齒的螺旋方向、頭數(shù)、刀具的齒數(shù)以及每齒進(jìn)給量。下面對(duì)這些因素逐一加以說明。
兩種不同的切削截形的每齒進(jìn)給量相同，唯一的區(qū)別是苞米齒分布的螺旋方向不同。對(duì)于給定的齒形，苞米齒沿左旋螺旋線分布時(shí)，刀齒在切入工件時(shí)有較大的切屑厚度，然后逐漸減��；刀齒沿右旋螺旋線分布時(shí)，刀齒在切入工件時(shí)切屑厚度較薄，然后逐漸增厚。試驗(yàn)結(jié)果表明，前者優(yōu)于后者。為此，新開發(fā)的NX-FP硬質(zhì)合金粗切銑刀采用了單頭左旋的苞米齒分布方案。
設(shè)計(jì)齒形的另一個(gè)關(guān)鍵因素是齒形的深度，在單頭螺旋的情況下，齒形的深度應(yīng)遠(yuǎn)大于每齒進(jìn)給量，否則一旦某一個(gè)齒出現(xiàn)崩刃，緊跟著的刀齒就可能不再分切而產(chǎn)生整塊切屑。例如，用一把直徑12mm具有新齒形的苞米銑刀進(jìn)行切削試驗(yàn)時(shí)，如果選用0.11mm的每齒進(jìn)給量，則切屑不再被分切，因此對(duì)這把銑刀推薦的每齒進(jìn)給量應(yīng)小于該試驗(yàn)值。
螺旋角也是一個(gè)重要因素，也會(huì)影響刀齒的形狀。例如，45°螺旋角能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)的切削，這是因?yàn)檩^大的螺旋角使每個(gè)刀齒的切入成為側(cè)向漸切的過程，可顯著減小對(duì)刀齒的沖擊載荷，從而可以減少崩刃危險(xiǎn)，延長刀具壽命。
此外，徑向前角和端刃幾何參數(shù)也是需要考慮的另一些重要因素。在此，設(shè)計(jì)人員可借助于用連續(xù)切削刃銑刀（HX）高效加工高強(qiáng)度鋼時(shí)所積累的經(jīng)驗(yàn)，將NX-FP銑刀設(shè)計(jì)為負(fù)前角，前角可根據(jù)直徑大小在0～10°范圍內(nèi)選取。加強(qiáng)型的端齒幾何形狀也可用于新型粗銑刀，盡管不很適用；設(shè)計(jì)端齒時(shí)還應(yīng)考慮斜坡銑削和螺旋插補(bǔ)沉切的要求。
設(shè)計(jì)一把最佳的苞米齒銑刀還需要考慮許多重要因素，包括選用新開發(fā)的高強(qiáng)度硬質(zhì)合金材料和新型Cr基硬涂層。
高效加工強(qiáng)度低于800N/mm2的材料
對(duì)以上介紹的新型苞米齒粗切銑刀的性能進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究工作。首先進(jìn)行了刀具的金屬切除率和壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)證明，在加工強(qiáng)度低于800N/mm2的材料時(shí)加工效率提高最大。試驗(yàn)工作將粉末冶金高速鋼的高效粗切銑刀和現(xiàn)代連續(xù)切削刃的硬質(zhì)合金HPC粗切銑刀作為參照物。
在每種新刀具都采用最佳切削參數(shù)的條件下，其金屬切除率是不同的。雖然苞米銑刀采用較低的切削速度和較小的每齒進(jìn)給量，但由于切深量ap、ae較大，其金屬切除率顯著提高。
除已證明新型銑刀可提高加工效率以外，下面的例子還將證明新型銑刀具有較長的壽命。加工對(duì)象為中等強(qiáng)度（約1000N/mm2）的熱作模具鋼，徑向切深ae為6mm，軸向切深ap為18mm（1.5×D），每齒進(jìn)給量fz為0.05mm，切削速度Vc為90m/min。切削試驗(yàn)顯示，切削過程輕快平穩(wěn)，主軸功率消耗較低，主切削刃磨損較小。經(jīng)過88分鐘切削后，刀具后刀面的磨損情況表明這把刀還可繼續(xù)使用，此時(shí)的金屬切除量已高達(dá)4540cm3。
下一步的刀具壽命試驗(yàn)是對(duì)同一種材料進(jìn)行槽銑加工（銑刀直徑12mm，z=4，Vc=90m/min，fz=0.04mm，ap=12mm，ae=12mm，n=2390r/min，Vf=382mm/min），NX-FP銑刀的切削長度達(dá)29m，是進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)的連續(xù)切削刃銑刀的1.9倍。
加工低強(qiáng)度鋼時(shí)具有相當(dāng)大的節(jié)約潛力
過去幾年里，在提高高強(qiáng)度鋼的銑削效率方面已作出了很大努力，如高速切削、硬切削等。然而較少關(guān)注銑削低強(qiáng)度鋼的潛力以及應(yīng)用現(xiàn)代銑削刀具發(fā)掘這一潛力的可能性。
新型刀具所提供的降低加工成本的可能性因以下事實(shí)而顯得更有意義，即強(qiáng)度在1000N/mm2以下的低強(qiáng)度鋼的總使用量要明顯多于高強(qiáng)度鋼，尤其是借助本文介紹的粗銑刀具能夠提高老式機(jī)床的效率和實(shí)現(xiàn)加工的合理化。
