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OSG立铣刀切削性能试验研究 |
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作者：左建华 张志英 李殿超 张祥永 安玉平 |
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在古代，“刀”和“火”的发明和应用使人类登上历史舞台。在近代，金属切削刀具的进步，有力地促进了工业革命的进程，显著提高了人类的物质文明。在现代，高效率、高精度、高智能及低成本和符合环保要求，已成为金属切削加工的主题。在这些主题中，刀具的材料、结构、形状以及刀具与机床、工装和加工对象的匹配仍是重点研究范畴。
本文在简明介绍OSG立铣刀特点的基础上，通过分析FX系列立铣刀的试验数据，讨论硬质合金立铣刀的切削效率、切削寿命及最佳切削参数。探索高性能、低成本刀具的设计与应用技术。
1 OSG立铣刀的特点
OSG立铣刀主要有硬质合金材质、高速钢材质、超硬材质三大类。各类中根据不同用途、性能而派生出各种系列产品，以满足不同的需求和实现最佳性能价格比。
其中的FX系列立铣刀，是一整体硬质合金涂层刀具系列，内含50多个品种。它是针对不同用途而设计、制作的，以超细晶粒特殊高硬、强韧硬质合金材质为母体，经物理气相沉积法（PVD）涂覆TiAIN复合多层涂层（即FX涂层）的精密立铣刀系列，适合软钢到65HRC的淬硬钢的切削加工。
2 FXS球头立铣刀试验
该立铣刀是FX系列中的一个品种，主要针对模具及淬硬钢加工而设计。刀具形状以小切削量、高进给速度为指导思想，采用了小容屑槽、短刃形状，以尽可能提高刀具的刚性。
切削试验采用SKD61（50HRC）和SKD11（60HRC）两种材料，比较在不同切削速度下刀具的磨损情况，以探索刀具寿命优先时的最佳切削速度。试验采用R4（直径为8mm）的FXS球头立铣刀，在立式加工中心上进行干式切削，加工中刀具的伸出长度为35mm。在保持轴向切削深度为0.3mm、每刃进给量为0.05m/t等切削参数不变的情况下，分别采用50m/min、100m/min、200m/min、300m/min等4种不同的切削速度，获取刀具实际切削距离（切削长度）以及对应的刀刃后面磨损幅宽（后面磨损量）。
图1 切削SKD61（50HRC）时的刀具磨损变化
图2 切削SKD11（60HRC）时的刀具磨损变化
试验结果如图1、图2所示。可以看出，对于较软的工件材料（50HRC），同样的切削长度，切削速度低（50m/min）时，刀具的后面磨损量大，随着切削速度的提高，磨损量反而变小，切削速度上升到300m/min时，磨损量最小。对于较硬的工件材料（60HRC），切削速度在100m/min时，刀具后面磨损最小，而其他高于或低于该切削速度的三组试验，其磨损量均增大。因此，可以认为刀具与工件硬度有一个最佳匹配范围，对FXS球头立铣刀，切削淬硬钢（通常硬度在55～65HRC）时，选择100m/min的切削速度有较好的刀具寿命。
3 FX平头立铣刀试验
FX-MG-EHS是FX系列中针对钢质和不锈钢质难切削材料粗、精加工而设计的平头立铣刀。该立铣刀具有大螺旋角、刃口锋利和高刚性的特点。表1是采用该立铣刀切削SUS304不锈钢的试验结果。试验在每刃进给量及其他切削条件不变的情况下，确认不同的切削速度所具有的刀具使用寿命。表1 在不同切削速度下FX-MG-EHS切削SUS304时的使用寿命
 从试验结果可以看出，随着切削速度的增加，虽然刀具仍处于正常的切削加工能力范围内，但刀具的使用寿命迅速降低。因此，从刀具寿命优先的角度考虑，在没有特殊必要的情况下，不宜过分提高切削速度和进给速度。
4 刀具径向跳动与使用寿命试验
为了确定刀具径向跳动对刀具使用寿命的影响，采用FX系列的键槽立铣刀FX-MG-EDS（4），在不同的径向跳动状态下，对SKD61（40HRC）进行切削对比试验。试验以铣槽方式进行，以切削长度达到7m为止。试验中，切削速度：36m/min；每刃进给量：0.008m/t；轴向吃刀：2mm；径向吃刀：4mm；切削液：油性（UH75）。
其试验结果如表2所示。表2 径向跳动对刀具使用寿命的影响
 从表2可以看出，整体硬质合金立铣刀本身的精度及装夹后的回转精度，对刀具寿命有较大的影响，这种影响主要以刃口破损的形式出现。为保证刀具寿命，刀具的径向跳动至少应控制在0.018mm以下，装夹后刀具的径向跳动至少应控制在0.008mm以下，在高速加工时，对刀具的径向跳动量更应严格要求。
同时，为提高刀具的寿命，高性能的刀具应配合高精度的刀具系统，保证装夹后有较高的回转精度，才能使其性能得以充分发挥。另外，因为刀具伸出长度越大，其径向跳动量越大，刀具刚性越低，尽量缩短刀具伸出长度，也是提高刀具使用寿命的有效措施之一。
5 切削液与切削速度试验
FX系列刀具的使用寿命与切削速度和冷却介质的关系有图3所示的试验结果。可以看出，在较低的切削速度范围内，采用水溶液冷却，刀具寿命高于气流冷却。而在较高的切削速度范围，采用气流冷却，刀具寿命高于水溶液冷却。可以认为，这是因为在高速时气流更容易达到刀具的切削点，起到较好的冷却作用，从而提高了刀具的使用寿命。这也说明FX系列刀具不仅有利于高速切削，而且也有利于绿色切削和环境保护。该试验采用了15的FX-MG-EMS立铣刀，试验方法为在卧式加工中心上进行侧铣，工件材料为S50C，进给速度为0.05mm/t，轴向吃刀量为15.0mm，径向吃刀量为0.15mm。
图3 刀具寿命与切削速度和冷却介质的关系
6 结论
通过以上试验比较的结果，可以得出以下的结论：
刀具性能除切削能力外，还有一个刀具与工件的最佳匹配切削范围。用FXS球头立铣刀切削淬硬钢时，选择100m/min的切削速度可认为是刀具寿命优先的切削速度。
从刀具寿命优先的角度考虑，在没有特殊必要的情况下，不宜过分提高切削速度和进给速度。
立铣刀本身的精度及装夹后的回转精度，对刀具寿命有较大的影响。高性能硬质合金立铣刀，只有在高精度刀具系统的支持下才能充分发挥其性能。
FX系列刀具在较低的切削速度范围，采用水溶液冷却对刀具的寿命有利。而在较高的切削速度范围，采用气流冷却，对刀具的寿命有利。(end)
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(12/12/2004) |
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