减小径向吃刀量的高效铣削策略
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一种具有更高生产率的替代铣削策略是减小铣刀的径向吃刀量,同时提高进给率和切削速度,其结果是切削负荷更轻、速度更快、金属去除率更高,并且减小了作用于刀具和机床上的切削力。铣削工艺改进的结果表明,利用小吃刀量铣削技术,可以提高金属去除率,缩短加工周期和延长刀具寿命。
在铣削加工中,金属去除率的计算方法是:金属去除率(mm3/min)=径向切宽(mm)×轴向切深(mm)×进给率(mm/min)。机床技术、切削刀具和加工软件的进步使这些参数不断优化,从而最大限度地提高了铣削生产率。
最大限度地提高铣削金属去除率的传统方法是综合采用大小为刀具直径25%-50%的径向吃刀量(切削宽度或走刀步距)和轴向吃刀量(切削深度)。据Performance Tooling Solutions咨询公司总裁Craig Segerlin介绍,这种方法虽然能够获得可以接受的金属去除率,但也可能会产生很大且不均衡的径向切削力,从而造成不可预知的刀具磨损,以及作用于机床主轴和其他零部件的机械应力。
一种具有更高生产率的替代铣削策略是减小铣刀的径向吃刀量,同时提高进给率和切削速度,其结果是切削负荷更轻、速度更快、金属去除率更高,并且减小了作用于刀具和机床上的切削力。虽然切削速度有所提高,但由于切削刃与工件的接触时间缩短,刀具有更多时间处于空冷状态,因此产生的切削热反而有所减少。
不过,减小径向吃刀量也会减小铣削时产生的切屑厚度,而切屑过度变薄可能会造成一些问题。当切屑负荷过小时,铣刀刀齿或立铣刀的刃沟会磨擦(而不是剪切)工件,从而产生更多切削热,导致刀具寿命缩短。太薄的切屑还会丧失吸热能力,无法将有害的切削热从刀具和工件上带走。
为了在减小径向吃刀量后仍然能获得足够的切屑厚度,就需要加大铣刀切削刃的切屑负荷。Segerlin举了一个例子:当一把直径12.7mm的铣刀采用6.35mm的径向切宽时,铣刀的吃刀量是刀具直径的50%,切削弧为90°。假设该刀具采用0.05mm的切屑负荷,在刀具吃刀量为50%时,切屑厚度也是0.05mm。如果将径向切宽减小到0.254mm(6.35mm的1/25),切削弧就变为3.6°(90°的1/25)。为了在径向切宽为0.254mm时保持0.05mm的切屑厚度,切屑负荷可能需要增加3.5倍,达到0.178mm。
这一目标可以通过增大进给率来实现(进给率[mm/min]=每齿切屑负荷[mm]×齿数×转速[r/min])。由于切削速度也是决定切屑负荷的因素之一,因此也可以提高切削速度。Segerlin指出,将径向切宽减小到刀具直径的5%-10%,可使切削速度提高2-3倍,进给率增大5-7倍,并使切屑负荷增大3-5倍。
减小径向吃刀量也可以大幅减小作用于刀具上的横向载荷,从而可以用立铣刀的整个切削刃(轴向切深)进行切削。由于金属去除率等于径向切宽、轴向切深和进给率的乘积,因此,增大切深量会直接提高金属去除率。Segerlin将这种加工方法称为“高效率加工(HEPM)”。

图1 小径向吃刀量铣削加工(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图2 Feeler加工中心采用了径向刚性更好的双面接触主轴(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

机床因素

Segerlin介绍说,在某些情况下(取决于工件材料),采用小径向吃刀量铣削策略能在功率较小的机床上获得可与更大功率机床相媲美的加工效果。虽然一台典型的50锥度机床可能拥有比40锥度机床更大的功率,但40锥度机床可能具有更高的主轴转速,因此更符合这种铣削策略轻载、高速的加工特点。
Methods机床公司加工技术经理Michael Minton表示,“采用较小的径向切宽、较高的主轴转速和进给率,为寻找一种与传统的大切宽重载铣削方式截然相反的替代加工策略提供了一个机会。” 他认为,这种铣削方式减小了机床承受的加工载荷,可以在轻型机床上获得更高的生产率。
不过,他也指出,这种加工策略的存在不应该成为机床采购决策的唯一影响因素。他说,“我的理念是,应该根据加工需要购买合适的机床。每种加工都各不相同,购买机床时,应考虑其结构特点是否有利于完成其特定的加工任务。例如,双面接触主轴可同时在锥面和端面上对刀具定位,因此具有更好的径向刚度。”在钻削加工中,径向刚度可能并不十分重要,但在会产生横向载荷的加工中(如铣削加工),径向刚度则至关紧要。Minton说,Method公司商品化的Feeler加工中心已将双面接触主轴作为标准配置(图2)。
Minton指出,采用新的加工策略还需要机床用户解放思想。他说,“有些习惯于创新思维的用户敢于打破条条框框,但也有许多用户只想按照传统加工方式亦步亦趋。”他列举了一个加工实例。“我们以前是用钴高速钢立铣刀以很小的加工参数——大约115r/min的主轴转速和25mm/min的切削速度——铣削镍基合金。我们试图采用一些不同的加工方法:用更短的时间和更低的成本完成同样的加工任务。我们可以采用1m/min或更高的切削速度,通过8次走刀乃至16次走刀来完成对镍基合金的铣削,同时大大减小对主轴和刀具的磨损,以及作用于工件的加工应力。销售这种加工技术的最好方式是向用户展示如何将它应用于其最终产品的加工。”
牧野机床公司立式加工中心产品经理Bill Howard表示,“由于小吃刀量铣削策略基本上就是减小吃刀量和提高切削速度,因此该方法可能对机床功率和切削扭矩要求较低。但仍然要求机床具有足够的刚性和精度。”
为了保证良好的加工表面光洁度,每一次走刀都必须与上一次走刀精确匹配。在每次走刀结束时,需要考虑同样的因素。Howard说,“如果你所用的机床刚性很差,就可能会发生过切,切削的终点就会偏离预定位置。这就像在弯曲的赛道上驾驶赛车一样,如果转弯过多,你就需要不断在通过弯道时努力控制赛车速度。”
在谈到高速、高精度加工机床时,Howard介绍了该公司的F系列立式加工中心。该机床的特点之一是采用了螺距为8mm的滚珠丝杠(而不是更常见的16mm螺距滚珠丝杠)。这种小螺距丝杠每转一圈的轴向直线位移量为8mm。小螺距滚珠丝杠与数字伺服技术相结合,使微小的轴向位移可进一步细分为更小的位移增量,并“帮助赛车以更高的速度转弯”。
与机床机械部件配对的运动控制系统采用牧野公司为三维复杂廓形的大进给、高精度加工而设计的超级几何智能(SGI.4)控制系统。SGI.4系统可以预测各轴运动的变化、伺服滞后或刀轨快速变化的跟随误差,并提前予以补偿,从而最大限度地提高刀轨精度。这种3D误差补偿使该机床即使在进给率比传统机床高5倍乃至更多的情况下,也能可靠地跟踪加工模具廓形和复杂几何形状的刀具路径。

图3 小径向吃刀量铣削可提高金属去除率和减小切削力(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图4 英格索尔的SP6H/SP6N S-Max面铣刀(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

大进给铣刀

为了充分发挥高效铣削策略的优势,刀具制造商已开发出了各种类型的大进给铣刀。英格索尔(Ingersoll)刀具公司的模具加工产品经理Bill Fiorenza表示,采用大进给铣刀的目的是提高进给率和采用较小的切深,利用切屑减薄效应,并促使切削力向上传入主轴中心。一般而言,此类刀具能产生均匀一致的切屑负荷,并最大限度地减小颤振,起到保护切削刃和延长刀具寿命的作用。Fiorenza说,“虽然各种大进给铣刀的几何形状各不相同,但大体来说,大进给铣刀通常都是具有大前置角的直刃铣刀,或采用倒圆三角形。”
关于大前置角,英格索尔公司开发的SP6H/SP6N S-Max面铣刀(图4)采用倾斜的刀片,形成与水平面几乎成80°的大前置角。随着前置角的增大,切屑分布在更长的切削刃长度上,导致切屑厚度变薄。为了获得足够的切屑厚度,就必须提高进给率。为了克服S-Max铣刀的大前置角引起的切屑减薄,就需要将其进给率提高到0°前置角铣刀进给率的5倍。
MAXline产品经理Tom Noble认为,采用大前置角的好处是可以提高金属去除率。例如,用0°前置角铣刀铣削P-20模具钢时,采用的切深为3.8-5mm,切屑负荷为0.25-0.3mm。如果改用前置角为80°的铣刀,“切深将会减小到1.5-1.8mm,但你可能会采用每齿1.5mm的进给率,即0°前置角铣刀进给率的5倍。这样,其金属去除率将是采用0°前置角铣刀的4-6倍。” Noble强调,为了减小横向载荷,对于长径比大于3的细长型铣刀,进给率的提高幅度不宜太大。
Fiorenza指出,大进给铣削策略也可以用于传统的纽扣铣刀,这种刀具的切屑负荷分布在更长的圆形切削刃上,因此切深更小(在0.50-1.25mm范围内),切屑更薄。一般来说,只要采用较小的切深量,就可以将纽扣铣刀用于大进给铣削。不过,大进给铣刀的切削性能通常优于纽扣铣刀,因为它们通常具有较小的刀尖圆弧半径和径向吃刀量。圆刀片有一个使事情复杂化的因素:相对于某一切深量的切屑负荷在不断变化。
为了计算出纽扣铣刀切削时应该采用多大的径向吃刀量,Fiorenza建议用刀具直径尺寸减去刀片的内切圆尺寸,然后再乘以60%或65%。例如,纽扣铣刀的直径为100mm、刀片内切圆尺寸为12.5mm,二者相减等于87.5mm,再乘以60%,即可计算出径向吃刀量应为52.5mm。Fiorenza表示,该计算公式通常非常适用。他补充说,不推荐采用中心线切削方式(即吃刀量正好等于刀具直径的1/2),因为这样会使切削刃突然切入(而不是逐渐切入)工件材料,容易造成较大的冲击。而本例采用的逐渐切入方式通常更为合理,并有助于实现更高的进给率。

编程解决方案

伊斯卡公司行业项目专家Tom Raun指出,随着切削速度和进给率的提高,为了充分发挥小吃刀量铣削策略的优势,刀具、机床、控制程序和安装等要素缺一不可。在以大径向吃刀量切削时,对提高生产率的限制主要体现在刀具上,加工车间需要考虑如何才能在刀具的承受极限内尽可能提高进给率。而采用小径向走刀步距与高切速、大进给相结合的铣削策略时,限制生产率提高的主要因素从刀具转换为机床——它的速度能有多快?
Raun说,“在最初的小吃刀量铣削策略中,关注重点是克服切屑减薄,很容易确定使平均切屑厚度恢复到刀具能正常切削的水平所需的进给率,但实际上并未考虑同时提高切削速度。”而现在,加工车间处于“未知领域”,因为具有高速主轴的机床允许在提高进给率的同时也提高切削速度,而机床性能的上限并不清楚。
因此,伊斯卡公司研究了如何将小吃刀量铣削策略标准化。 Raun表示,“我们将径向吃刀量锁定为刀具直径5%-10%之间的某个值,并将其作为基准,来确定对于某种给定的工件材料,可将切削速度提高多少。在许多情况下,这是由机床允许的最高切削速度来决定的。我们有时会遇到购买的机床不具备高速切削功能的情况,由于这些机床不能平稳而快速地实现所需的刀具运动,因而无法采用小径向切宽、全轴向切深的铣削方法。”
Raun说,“在小吃刀量铣削策略的研发过程中,我们不断积累相关的知识和数据,直到我们认为自己有了很好的基准信息,可以将其纳入编程系统之中。”然后,伊斯卡公司与Mastercam CAM软件开发商CNC软件公司(CNC Software Inc.)联手开发加工程序。Mastercam软件中包含了为采用小径向切宽、大轴向切深铣削法而设计的多种刀轨。这些动态铣削(DM)刀轨能始终保持对铣刀吃刀量的控制。当Mastercam的用户选择一个动态刀轨(DT)时,可以通过在“Iscar HEM”刀轨中激活某项功能,改进小径向吃刀量加工的刀具路径。为此,可从Mastercam X5软件提供的伊斯卡专项刀具库中选择刀具。选中某种刀具后,程序员输入初始速度和进给参数(传统铣槽参数),Mastercam软件就会根据伊斯卡研发部门提供的存储数据推荐切削速度和进给率。Raun说,“在刀轨对话框中有一个滑动条,可以兼顾径向切屑减薄和提高切削速度的所有计算结果。”
Mastercam的国际销售/战略伙伴关系主管Steve Bertrand说,“这种方法准确可靠,可以确保刀具的正确使用,用户可以充分利用自己的机床、刀具和软件,从中获得最大收益。”

图5 采用可变导程刀槽的伊斯卡防颤振立铣刀(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
Raun表示,伊斯卡研发工作的重点是为最常用的P类和M类(钢和不锈钢)ISO工件材料的铣削加工提供技术支持。目前仍在继续开发用于难加工材料(如航空航天材料)的小吃刀量铣削技术。他指出,伊斯卡已将该技术的应用重点集中在两种系列刀具上。一种是该公司开发的防颤振(CF)立铣刀(图5)。该铣刀采用可变导程刀槽,可在高速切削时有效抑制颤振。另一种是将不同刀具设计技术集于一身的新型“全合一”铣刀。该刀具采用了适合大进给切削的刀尖几何形状,有利于铣刀平稳进入切削;同时采用了可变导程刀槽,以抑制颤振。这种刀槽上还分布有一系列锯齿状结构,用于分断长切屑。这些技术结合在一起,促进了平稳、高效的高速铣削,同时还能控制刀具的磨损。
简便易行是用户接受新的加工策略(如小吃刀量铣削)的关键。Raun说,“一些编程难度大的加工方法将难以持久。如果没有像动态铣削这样的CAM软件,小吃刀量铣削就很难实现,因为你无法对各种复杂的刀轨进行高效编程。”

应用实例

位于美国密歇根州的BTM公司主要制造用于铆接金属薄壁件的Tog-L-Lok系统。除了生产自己的产品外,该公司还承接合同加工业务。其中一项军工任务是切削加工材料为17-4 PH不锈钢的封闭端盖。该零件为方形,有两种尺寸,分别为175mm×175mm和175mm×225mm,厚度分别为47mm和66mm。客户提供的工件毛坯是直径分别为225mm和250mm的圆形棒料,因此BTM必须将其铣削成方形。
BTM在Mazak Ultra 650卧式加工中心上铣削该零件。最初是用直径75mm的刀片式面铣刀(装有7个刀片)进行加工,切削参数为:表面切削速度84m/min,进给率380mm/min,径向切宽45mm,轴向切深5mm。以这些参数加工时,面铣刀的金属去除率为135mm3/min,在加工308分钟后需要更换刀片时,切除的材料重量为41,630mm3。加工一个端盖需要走刀14次,耗时22分钟。
Performance Tooling Solutions公司的Segerlin建议用直径19mm的伊斯卡整体硬质合金立铣刀取代原来所用的面铣刀。立铣刀的切削参数为:表面切削速度180m/min,进给率3,300mm/min,径向切深1.25mm,轴向切深44.5mm。立铣刀的金属去除率为294mm3/min,在加工336分钟后需要换刀时,切除的材料重量为98,755mm3。加工一个端盖需要走刀42次,但每个零件的切削时间仅为8分钟。
铣削工艺改进的结果表明,利用小吃刀量铣削技术,可以提高金属去除率,缩短加工周期和延长刀具寿命。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2012年第6期
上载于:2014-8-4 15:24:30

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