大进给铣削加工策略
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尽管大进给铣削并不是一种万能的解决方案,但在实现高金属切除率、充分利用当今机床的全部加工能力和延长刀具寿命方面,它确实是一种非常不错的加工方法。

切削热的控制

对于模具制造商来说,高效而经济地加工零件是对其生产能力的永恒要求。在粗加工中,为了去除大量金属材料,过去车间遵循的传统常识是基于其金属切除率的大小来选择刀具,这将导致选用切除率尽可能最大的刀具来开始粗加工,然后工件尺寸逐渐减小,直至达到要求的形状和光洁度。粗铣加工通常采用球头立铣刀或纽扣铣刀。然而,这种加工方法可能会产生很大的应力,因此需要采用刚性极好的加工中心、牢固的夹具和具有良好韧性的切削刀具。
插铣已成为能快速去除金属材料的另一种深受欢迎的加工方法。插铣的切削力沿轴向传入主轴,而不是沿径向作用于刀具,径向切削力可能会造成刀具挠曲,从而降低加工精度和缩短刀具寿命。然而,插铣存在的一个问题是,刀具转位到每一个新位置,都要不断进入和退出凹腔。

大进给铣削基本原理

如今,随着更多加工车间具备了高速数控加工能力和掌握了复杂的CAM编程技术,大进给铣削(HFM)正成为在最短时间内去除尽可能多工件材料的一种可选方法。大进给铣削主要是为提高金属切除率,以提高生产率和缩短加工时间而开发的一种粗加工方法。大进给铣削采用较小的切削深度(通常不超过2mm),产生较薄的切屑,这些切屑能从切削刃上带走大量切削热。大进给铣削的每齿进给量通常可高达常规铣削的5倍。这种铣削方式可减少产生的切削热,从而延长刀具寿命,并提供更高的金属切除率——超过1,000cm3/每分钟,比传统铣削方式快1-2倍。

图1 用大进给铣刀(采用PCBN刀片)高效铣削模具型腔

图2 用大进给铣削方法对粗糙表面进行仿形铣削

图3 用大进给铣削方法进行螺旋插补加工
大进给铣削具有这些优点的原因是采用了小的安装角(45°或更小),从而使径向切削力最小化、轴向切削力最大化。与插铣类似,切削力沿轴向传入机床主轴,从而降低了振动的风险,使加工更为平稳。反过来,这又使得即便在大悬伸加工时,也可以采用更大的切削用量。而且,与插铣不同的是,大进给铣削时,刀具始终处于吃刀状态。
大进给铣削能缩短加工时间的另一个原因是可以减少工序数量。由于采用小切深的大进给粗铣加工能够加工出接近成品要求形状的近净外形,因此常常可以省略半精加工工序,从而简化数控编程。另外,大进给铣削加工不需要增加机床的转速。

大进给铣削入门

为了实现大进给铣削加工,用户需要对整个加工系统进行评估。首先,要求机床具有高速CNC加工控制功能、很高的主轴精度和防止主轴膨胀的热稳定性。其次,要求CAM软件程序能够处理刀具路径平滑策略——如转角圆整和采用螺旋切削路径。平滑的刀具路径通过小吃刀量加工,使刀具能平缓地对工件进行分层切削,而刀具的螺旋进给运动可以减小切削冲击、能源消耗和切削力。
此外,大进给铣削所用的切削刀片也至关重要。这些刀片的切削部位较厚、圆弧半径较大、几何结构强度较高。这就意味着,可以采用很高的切削速度,同时仍然能保证加工的可靠性与安全性。对于大部分大进给铣削而言,应首选三角形刀片而不是圆刀片,理由是其主切削力位于切削刃的底部。当然,在有些情况下也可以选用方形刀片,但必须采用较小的安装角。一般来说,在稳定的切削条件下用大功率机床进行大进给重载粗铣加工时,或在卧式铣床上加工时,需要采用方形刀片,这样可使排屑更为有效。但在立式铣床或功率较小、转速较高的机床上加工时,三角形刀片是一种安全的选择,并且它具有优异的排屑能力。

大进给铣削的应用

(1)端面铣削

大进给铣削方法非常适合端面铣削加工(尤其是大批量加工),它可以为后续加工或最终精加工奠定良好的基础。在大部分大进给铣削加工中,通常都能够达到非常高的尺寸精度,以至于只需再进行最终精加工即可。由于这种加工涉及的工件毛坯较大,因此使用最多的是大直径铣刀。这就意味着,需要使用刀体上带有刀夹、安装三角形刀片的刀具。大进给面铣也很适合加工大部分软材料。
大进给铣削方式可用于高效铣削型腔,特别适合模具加工(图1)。刀具的选择和其他切削参数的确定主要取决于被加工材料、被加工零件的尺寸和刚度。在对粗糙表面进行仿形铣削时,采用大进给铣削方法也非常实用(图2)。

(2)螺旋插补铣削

在螺旋插补铣削中,大进给铣削方法对于大直径孔的加工也是非常适宜的解决方案——它可以省略预加工或钻预孔(图3)。大进给铣刀可实现与工件壁截面的接触最小化。其优点是,与具有90°安装角的传统铣刀相比,大进给铣刀的加工过程更稳定。
大进给加工铣刀还可以用于插铣加工。它们特别适合加工难切削材料(如钛合金和其他轻质合金)。大进给铣削同样适合用于大悬伸加工。它可以减小振动风险,延长刀具寿命。但是,在刀具悬伸长度大于3倍直径的加工中,应避免使用方型刀片。不过,用大进给铣刀进行插铣加工依赖于正常的进给率与较大的切削深度相结合。
尽管大进给铣削并不是一种万能的解决方案,但在实现高金属切除率、充分利用当今机床的全部加工能力和延长刀具寿命方面,它确实是一种非常不错的加工方法。
本文作者:全虹枳(译) 张宪(校)
原载:《工具展望》2010年第3期
上载于:2013-7-30 17:03:12

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