智慧銑削鋁及鋁合金策略

Gaby Zehavi，Andrei Petrilin

伊斯卡刀具國際貿易（上海）有限公司 上海 201108

1 序言

銑削鋁及鋁合金（以下簡稱銑鋁）看上去是一個非常容易的加工過程，不直接參與銑鋁加工的人們可能會持此錯誤觀點。他們認為，采用經動平衡的、鋒利的且拋光處理的刀具，并以最大轉速旋轉，設置中等進給速度，就可以像切黃油那樣輕松地切削鋁材。

2 鋁加工特性

相比于鋼的加工，加工鋁及鋁合金（以下簡稱鋁）所需的切削力更小，因此銑刀切削刃承受的機械負荷相對較低。鋁的導熱系數高，因而鋁加工過程生成的切屑會傳導出大量的切削熱，其結果是顯著降低作用于切削刃的熱載荷。源于以上屬性，銑鋁具有超高切削速度及進給的特征。然而，這并不能確保銑鋁加工就會非常輕松。

鋁的材料特性會導致切削過程易產生積屑瘤（BUE）。這一現象增加了作用于切削刃的機械載荷，使得高效排屑難以達成，破壞了旋轉刀具的動平衡，導致整個加工過程變得低效。

采用錯誤的刀具也會影響切屑的排出。如果刀具的排屑槽容屑空間不足，銑鋁過程生成的長切屑就會堵塞刀具。為克服這一障礙，需使用齒數更少的刀具或降低切削參數，但這種行為會對生產率帶來消極的影響。

從可加工性的角度來看，鋁并不是一種分布均衡的材料。合金元素（尤其是硅）、材料類型（鍛造、鑄造）和材料處理方法都會影響切削性能。工件形狀、工裝條件以及加工需求（精度和表面粗糙度等）等因素增大了其自身的加工局限性，但同時這些因素也是選擇加工策略及刀具時必要的考慮因素。因此，在許多案例中鋁加工特別是銑鋁加工，往往并不是看上去那么簡單。

3 加工刀具

刀具制造企業在開發刀具時需要考慮銑鋁刀具的特定特點。銑鋁刀具開發成功的關鍵是對切削部分的幾何形狀、刀具材料及刃口處理方式做出正確的組合，此外還需對切削液供應做出優化。

銑鋁主要應用在大型飛機部件如機翼部件、機艙門、機艙窗框等的加工中。通常而言，這類工件由整塊材料制成，毛坯往往重達數噸，為得到最終所需形狀的零部件，必須去除的材料質量常達毛坯質量的80%～85%。此外，全球汽車行業也是鋁的一大消費領域，已引入大量硬鑄鋁材料用于汽車零部件的生產制造。雖然這一舉措提高了這類零部件的耐蝕性，但同時也給加工中所使用的刀具帶來了更易磨損的負面影響。

伊斯卡是一家全系列刀具產品供應商，已專門為鋁的高效加工而設計開發出全套可轉位銑刀。這些高品質刀具的每一系列都具有整體式或輕量化刀體設計、獨特的硬質合金刀片夾持機構原理、帶調整結構的刀夾、各種磨制及拋光的帶不等刀尖圓角半徑的刀具，以及在鋁加工中非常普及的帶多晶金剛石（PCD）刀尖的刀片，絕大多數刀具帶有貫穿刀體的內冷卻通孔。伊斯卡HELIALU可轉位銑刀系列能實現鋁的高效高速加工（HSM），確保強大的金屬去除率（MRR），獲得高精度及出色的表面質量，可滿足所有鋁部件制造加工的全部品質需求。

金屬加工工業中無論是制造大型鋁部件還是制造小型鋁部件，都需要尺寸更適中的銑刀，這些刀具的尺寸不適用于裝夾可轉位刀片，而整體硬質合金刀具則有著明顯的優勢。此外，整體硬質合金立銑刀的高精度使得其在大型零部件的精密加工中是無可比擬的。因此，伊斯卡大力參與先進整體硬質合金銑鋁刀具的設計及開發。最近增添的革新產品進一步豐富了刀具的產品范圍，再一次提升了為全球工業領域用戶帶來的價值。

伊斯卡ECR-B3-R-C系列整體硬質合金立銑刀帶3個齒，可用于在高金屬去除率下的粗銑加工。技術創新的立銑刀帶有鋸齒狀切削刃，銑鋁加工時（見圖1）能將寬的切屑撕裂為易于排出的窄小切屑，同時還可提高抗振性能。切削液流經內冷卻通孔直達每一切削刃，使得切削液不間斷地輸送至切削區域。這些獨特的設計，結合拋光槽，顯著提高了排屑能力，大幅提高了生產率。此外，刀具還進行了縮頸設計，將有助于在大懸伸加工中提高切削的穩定性。為什么ECR-B3-R-C系列整體硬質合金立銑刀僅有3個齒，而沒有提供更多齒數？這是因為在銑鋁加工過程中，最重視良好的抗振性能。各種研究及金屬加工實踐表明，三齒結構是90°主偏角的整體硬質合金銑鋁立銑刀的最優設計。在高效銑削中，這種結構確保了容屑槽體積足夠，這也是保證切屑流動所必需的，同時并不增大刀振。此外，銑鋁立銑刀的主流齒型都是基于此，伊斯卡ECR-B3-R-C系列立銑刀產品也不例外。

圖1 整體硬質合金立銑刀銑鋁加工中

然而伊斯卡并不滿足于現狀，不斷提高銑刀生產率的愿景促使伊斯卡開發出技術創新的四齒立銑刀——CHATTERFREE ECA-H4立銑刀系列，比三齒銑刀額外多出一個齒，不管是用于粗銑加工還是精銑加工，都有助于提高金屬去除率（MRR）。盡管是四齒結構，但這個系列的立銑刀集不等螺旋角及不等齒距于一體，仍然具有令人印象深刻的抗振性能。此外，伊斯卡的刀具設計師們還成功地開發出芯部直徑及排屑槽截面面積與現有同等直徑三齒立銑刀ECA-H3相近的四齒銑刀。

為了滿足模具工業及航空航天領域三維曲面精密加工用小直徑銑刀的需求，伊斯卡最新推出了整體硬質合金球頭立銑刀EBA-B2，帶有拋光排屑槽，直徑為1～6mm，專為苛刻而精密的需求而設計。該新系列銑刀還拓展開發了8～25mm直徑的變形金剛可換頭式立銑刀頭MM EBA，如圖2所示。

圖2 整體硬質合金球頭銑刀及變形金剛立銑刀頭

變形金剛立銑刀系列組合刀具，包括不同配置及各種可換式銑刀頭，是銑鋁加工的理想刀具，尤其是在需刀具大懸伸的應用中。大懸伸整體硬質合金立銑刀由整體長度值相當大的高成本硬質合金棒料制成。盡管僅由立銑刀的刀頭部分直接參與切削，但在刀具磨損或突然折損后丟棄的卻是整個昂貴的棒料。而在這樣的應用中采用變形金剛立銑刀的用戶僅需更換切削刀頭，相比之下，優勢顯而易見。

4 結束語

綜上所述，公平公正地說，在睿智加工的前提下，銑鋁是容易的。應用智慧、高效的加工策略，正確使用伊斯卡精選的銑刀，就能輕松得到成功的銑鋁加工結果。