可提高重载粗铣加工安全性的切向铣削
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在重载平面铣削和粗铣凹凸不平的毛坯表面时,对刀具突然失效的担忧可能会妨碍金属去除率的提高。表层氧化皮、凹凸不平的粗糙表面、切入时的冲击载荷都可能使刀具切削刃突然破损,从而导致刀具失效、加工意外中断和废品率上升。在小批量粗铣加工中,同样也存在这些风险。切向铣刀更高的结构强度和更自由的切削几何形状使其可以成为范围更广泛的粗铣加工解决方案。
在重载平面铣削和粗铣凹凸不平的毛坯表面时,对刀具突然失效的担忧可能会妨碍金属去除率的提高。表层氧化皮、凹凸不平的粗糙表面、切入时的冲击载荷都可能使刀具切削刃突然破损,从而导致刀具失效、加工意外中断和废品率上升。在小批量粗铣加工中,同样也存在这些风险。因此在此类加工中,生产工程师被迫降低切削速度和进给率的情况并不鲜见——他们只是希望避免刀具突然失效以及由此造成的连带损害。一种十分常见的说法是:“如果我能真正相信刀具不会破损,我会采用快得多的加工速度。”
这一难题并非无法解决。例如,美国铸件生产商Dura-Bar公司通过改变铣削工艺,消除了其连铸生产中最后一道工序——粗铣重达两吨的铸坯——的加工瓶颈,使生产率提高了60%(足以取消一个生产班次),并使刀具寿命延长了一倍。同样,建筑设备制造商Terex公司在粗铣大型铸件端面时,使进给率提高了一倍,刀具寿命延长了5倍。
在这些不同的加工案例中,一个共同的解决方案是将常规铣削转换为切向铣削(TM),从而大大提高了刀具的强度和重载切削的安全性——即使在使用多年的老式机床上也是如此。
为什么切向铣削非常适合重载粗铣加工呢?英格索尔(Ingersoll)刀具公司在20世纪60年代率先提出了切向铣削的概念。该公司产品经理Tom Noble解释说,“刀片的安装平行于——而不是垂直于——铣刀节圆的切线方向,这样至少在三个方面有利于延长刀具寿命。首先,切向铣刀可用刀片强度最高的截面来承受主切削力;其次,切向铣刀片所需的刀座深度较浅,可以减少加工刀座时去除的金属材料,从而增强刀体强度;第三,刀片切向分布时,在相同的铣刀节圆长度上可以布置更多的刀片,从而可使切屑负荷(切削力)更均匀地分布在更多切削刃上,使切削更平稳、流畅。例如,英格索尔开发的2″S-MAX切向铣刀上可布置7枚刀片,而圆周长度相同的传统铣刀上只能布置4枚刀片。”
小型零部件的粗铣加工同样可以采用切向铣削。例如,刹车制造商Akebono Brake公司在还没有一块筹码大的面积上成功实现了看似十分困难的切向粗铣加工。由于铣削是这家制造商对大批量刹车零件同步进行加工的一部分,因此其主要收益是减少了生产线的停工次数,并延长了刀具寿命。传送模和级进模生产商Riviera工具公司采用切向铣削后,再也不必担心刀具破损和加工安全性,从而大幅提高了大型模具毛坯和小尺寸沟槽的加工能力。
最初,切向铣削主要用于在大功率机床上以大切深走刀方式对大型平板工件和铸件进行表面粗铣加工。每次走刀的切深量约为2.5-5mm,切宽量达250-300mm的情况也很常见。当时,最小规格的切向铣刀直径约为100mm,且唯一可用的切向铣刀片是零前角方刀片(安装在零前角刀座中)。这种刀具几何形状使切向铣削只能严格局限于平面铣削,而无法用于斜坡铣。
如今,切向铣削也能在小尺寸加工中大显身手。Akebono Brake公司在一个制动钳的软管安装面积上实现了材料切除量仅为0.01立方英寸的粗铣加工,使其成为第一个使用最小规格切向铣刀(2″S-MAX铣刀)实现小尺寸粗铣的制造商。这种铣刀片采用双正角几何形状、螺旋切削刃和PVD涂层,刀片分布方式更容易实现劈裂切削效应,刀具寿命比以前使用的常规铣刀提高了18倍。事实上,第一组切向铣刀片的使用寿命长达4个月,而以前使用的常规铣刀片平均寿命仅为6天。Akebono公司对此结果非常满意,很快就将这种切向铣刀推广应用于其他4种小尺寸粗铣加工,预计光是购买铣刀片的成本,每年就能为企业节省1.1万美元。目前,该公司正积极推动小面积粗铣加工的切向铣削法(包括轻载斜坡铣)在其全球加工业务中的标准化应用。
不过,大多数切向铣削仍被应用于消除大型毛坯重载粗铣的加工瓶颈——由于对刀具安全性的担忧,此类加工的生产效率往往十分低下。
铸件生产商Dura-Bar公司原先是用配备了径向安装零前角刀片的12″传统面铣刀来粗铣铸坯,加工目的是为了改善铸坯的平面度、平行度和直线度。铸坯的宽度范围为115-525mm,长度范围为1,800-2,590mm。毛坯切除量范围为6.35-19mm,始终处于铸铁表面硬皮层中。粗铣加工可能需要走刀3-7次,这就意味着需要多次切入工件,而每次切入时都不得不降低进给速度。
革新工艺的想法始于英格索尔刀具公司的Mike Crabtree在工厂的一次常规加工中注意到,每次走刀开始时都必须减速。正好当时Ingersoll S-MAX切向铣刀产品线中新增加了45°主偏角切向铣刀,因此他建议用新的刀具进行切削试验。Crabtree说,“我认为,切向铣削与45°主偏角相结合,将使铣刀能全速切入工件。切向铣削可以提高刀具强度,而45°主偏角可以减小刀具切入时的冲击载荷。”
切削试验验证了他的理论。接下来的任务就是优化切削参数。Dura-Bar公司以前采用的切削参数是:主轴转速220r/min,进给率254mm/min,切深7.5mm。现在将进给率增大到430mm/min,主轴转速则减小到170r/min,而每次走刀切入工件时再也不必减速,刀片寿命也延长了一倍以上。在两年多的时间里,没有发生过一次刀具破损的情况。
建筑设备制造商Terex公司面临的主要挑战是在管状铸件的两个端面铣削18mm的余量。这种用于制造重型建筑起重机传动箱的铸件体积庞大,需要直立在一台“精度不高”的老式机床上进行加工。以前这种加工需要花费3.5小时,且铣削时刀片极易破损,每次都会造成加工被迫中断。使事情变得更糟的是,加工区经常弥漫着由切削液产生的油雾。改用切向铣刀后,加工方式变为干切削,油雾不复存在。加工时间缩短为45分钟,刀具寿命也延长了5倍。用8″切向铣刀加工时,进给速度由以前的380mm/min提高到760mm/min,600r/min的主轴转速和2.5mm的切深则保持不变。工艺安全性显著提高,刀具再也不会突然破损或产生裂纹,而是正常地逐渐磨损。
在此项加工成功的基础上,Terex公司也将切向铣削作为所有重型平面粗铣加工的标准工艺。该公司加工经理Jim Rice指出,“加工速度和刀具寿命的提高非常稳定可靠,这种可靠性足以使我们搁置原来的大规模设备投资计划。这是一种可以影响企业预算计划的工艺改进。”
Riviera工具公司主要生产用于制造汽车和卡车车身的大型冲模。他们将切向铣削应用于小尺度加工也获得了令人满意的结果。在过去一年中,该公司改用切向铣削对模具进行平面粗铣和精铣,使生产率平均提高了40%以上,每副模板的平面铣削加工时间缩短了大约20小时,刀具寿命延长了30%,同时机床功耗水平也明显下降,由原来达到机床额定功率的95%以上降低到80%左右(功耗降低也有助于延长机床服役寿命)。据估计,该公司通过将切向铣削作为所有平面粗铣和精铣加工的标准工艺,一年中节省的加工成本超过10万美元。该公司还修改了工艺,采用目前规格尺寸最小的1″S-MAX切向铣刀来完成大部分小尺寸切槽加工,同样收到了加工效率提高、刀具寿命延长、机床功耗降低的效果。现在,该公司已配备了直径范围25-305mm的成套S-MAX切向铣刀。
自从切向铣削技术于20世纪60年代问世以来,英格索尔公司一直在不断扩大其切向铣刀产品线——提供直径尺寸更小、切削性能更好、适用于更多非直线刀具路径的刀片几何形状。如今,Ingersoll MAX切向铣刀已有20多个标准类型,覆盖的直径范围为19-300mm。该公司的Tom Noble表示,“我们对切向铣削的成功及其应用于小尺寸零件和低功率机床的潜力而倍感兴奋。切向铣刀更高的结构强度和更自由的切削几何形状使其可以成为范围更广泛的粗铣加工解决方案。”
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》
上载于:2014-11-10 19:11:11

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