用微型刀具进行高速切削
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如今,工件的种类在不断增多,同时工件的尺寸在不断缩小。制造小型化的趋势要求制造工艺必须进行相应的变革。这种日益增长的需求要求人们重新思考如何用更小直径的刀具实现更高效率的加工。刀具的直径越小,要求的主轴转速(r/min)越高,而大多数常规机床的主轴却很难达到如此高的转速,即使能够达到,机床主轴在极限状态下持续运转也会使其承受过大的应力。常规的CNC加工机床采用直径小于0.5"(12.7mm)的刀具在10000r/min或以下转速进行加工时,通常会导致进给不合理和代价高昂的刀具损坏。

图1 Datron公司为微型刀具高速切削而开发的VelociRaptor机床(进给率可达25.4m/min)

图3 用¼"单槽铣刀以4500r/min转速高速切削6061铝板
传统的加工方法通常采用较大的刀具以较低的速度进行加工,而一般来说,较大的刀具本身在设计上并不适合完成较复杂的加工。为了用微型刀具进行加工,常规机床必须低速运转,且微型刀具脆性较大而易于折断。较大的刀具由于具有较大的质量,因此对切屑的作用力具有一定的回弹作用;反之,较小的刀具因脆性较大而更容易折损。
排屑不良是刀具损坏的主要原因之一。事实上,因排屑不良而损坏的微型刀具比采用不合理的切削参数而损坏的微型刀具更多。为使刀具损坏的可能性降至最小,就必须使切屑从切削区迅速排出。微型刀具在加工时需要高的主轴转速,而为了实现快速排屑所需的主轴转速甚至更高。
刀具尺寸和加工速度的定义:“微型刀具”包括直径0.250"(6.35mm)以下的铣刀和钻头。这种小直径刀具对于复杂、精细加工必不可少,且采用高速主轴可获得最佳加工效果。“高速切削”目前尚无确切定义和绝对参数,但一个可用的参考定义是主轴转速在25000r/min以上即可称为高速切削。

“三要素”解决方案


图2 与油基冷却液相比,酒精喷雾系统能在快速移动的微型刀具上快速覆盖和冷却更大的表面区域
提高微型刀具加工效率的三个相关要素包括微型刀具的优化设计、采用低粘度冷却液和高速切削技术。
  1. 微型刀具的设计
    简单地将较大直径刀具的几何参数按比例缩小而获得的微型刀具通常难以实现高效进给和达到令人满意的加工精度。因为随着刀具直径的减小和主轴转速的提高,对刀具的要求也在发生变化。采用机夹刀片的常规刀具设计并不适合微型刀具的加工要求。这主要是因为提高转速对刀具的要求并不仅仅局限于刀具直径的缩小。转速的提高要求刀具具有更好的平衡性和更大的容屑空间,以确保顺利排屑和防止产生积屑瘤。采用微型刀具进行有效的高速切削加工需要对刀具进行专门的优化设计。微型刀具正确的几何参数加上高速主轴机床和合理的冷却方式,就能够完全取消为去除毛刺而进行二次加工。
  2. 冷却方式的优化
    用微型刀具进行高速加工时会产生大量切削热,因此需要采取一些措施来冷却降温。虽然高速切削在减少切削热方面具有某些优势,但仅靠高速切削技术有时还不足以完全解决冷却问题,因此对于某些加工仍然需要一套有效的冷却系统。
    冷却系统能消除切削热,同时还可以起到润滑作用,使刀具能够在工件表面进行快速切削。尝试用一把冷却的餐刀切一块冷黄油是一件相当困难的事,因为餐刀切过黄油表面时缺乏润滑。但如果将餐刀加热后,它就能够融化少许黄油,从而为餐刀提供润滑,使其很容易地切割黄油。
    用刀具进行高速切削也是相同的原理。微型刀具需要使用粘度比水更低的润滑剂,这是因为需要使冷却液能够到达高速旋转刀具的切削刃处。乳基冷却液的粘度比水基冷却液大,因此不适合用作微型刀具高速切削加工的润滑剂。
    加工中使用的微量喷雾冷却系统可以采用酒精(乙醇)作为冷却液,它对于有色金属和某些塑性材料加工的冷却润滑效果十分理想。但在加工钢铁类材料时则需要使用油基冷却液,即酒精冷却液的优点并不适用于钢铁材料的加工,因为硬质合金刀具在钢铁表面可能会引起瞬间放电,如果暴露于乙醇基冷却液中则可能产生相当高的动态电势。
    常用的喷淋冷却液通常都是石油基制品,这些冷却液使用后需要进行适当的回收处理,会产生附加费用。而酒精使用后就全部蒸发了,因此无需处理或回收再利用。虽然酒精具有易燃性,但它很低的挥发点使其成为一种对高速切削加工非常有效的冷却润滑剂。由于酒精是一种天然化合物,对环境无害,无废弃物,无需清扫,因此也不会产生相关费用。此外,用酒精作为冷却润滑剂不会在工件上残留任何油渍,从而可以避免对工件再进行去油污的二次操作,而这些工序的成本都相当高。

  3. 图4 采用Vacumate真空工作台和Quick-Pallets轻型快换卡盘可以保护表面积极小的工件,并提高频率更换工件的重复精度

    图5 采用机械式传感器的刀具测头能测量刀具长度和检测刀具破损。测量软件可用宏程序编程,按设定周期启动刀具检测
  4. 高速切削技术
    刀具直径越小,有效切削工件所需的主轴转速就越高。用微型刀具进行铣削、钻削、铣螺纹和雕铣加工时,采用转速范围6000~60000r/min的高频主轴最为理想。高速切削技术采用了高转速、小步距、大进给的加工策略。试想,移动你的手通过燃烧着的蜡烛火苗,如果你的手移动缓慢,火苗就有足够时间灼伤你的手;而如果你的手快速掠过,火苗就来不及灼伤皮肤。用微型刀具进行高速切削加工的原理也与此类似,当刀具快速移动时,切削热就来不及传入工件中并造成各种问题。
    在切削加工过程中,刀具不断将切屑切离工件。所产生的切削热约有40%来源于刀具每一个刀面与切屑的摩擦发热,另有约20%来源于切屑的变形(弯曲)发热。因此,总共有约60%的切削热来源于切屑内部。高速切削技术尝试利用切屑带走大部分热量,以实现更为清洁的切削。较高的加工质量是基于良好的刀具冷却、较低的切削力和因此而减小的加工振动。
    采用高主轴转速可将切屑载荷(切深)减小到0.005"(0.13mm)以下,如此小的切深能显著减小刀具与工件材料之间的切削力。高速/小切削力加工产生的热量较少,可减小刀具偏差,并可实现对薄壁工件的加工。由于具有这些优点,采用高速切削可以获得较好的加工表面质量,切削温度较低,工件易于夹持,加工精度也较高。

正确选用加工机床

基于使用微型刀具进行高速切削的加工机床所具有的动力学特性,上述高速切削技术的相关原理是完全可以实现的。此类机床通常重量较轻,因此运动范围较大,具有较好的灵敏性、柔性、多功能性以及很高的速度。常规的数控机床重量较大,因此其速度和机动性难以达到轻型机床的水平,但它们能够采用较大的刀具进行加工。常规数控机床有点像SUV(皮卡),虽然动力强劲,但机动性不足或无法在狭小空间停放。而跑车的设计和结构使其不但马力十足,而且具有高水平的可控性和灵敏性。用于微型刀具高速切削的数控机床就与跑车的特点非常相似。正如你不可能在SUV上安装一个扰流板和漆上赛车条纹,然后就期望它能像跑车那样飞驰一样,你也不可能在笨重的常规数控机床上换装一根高速主轴,就期望它能高效完成使用微型刀具的高速切削加工。
在设计一台机床时,你可以在两种思路中任选其一。你可以制造一台功率强大的大型机床,使其能用大型主轴来驱动大型刀具进行加工。驱动大型刀具需要强劲的动力,这就意味着必须采用质量较重的大电机。另一方面,你也可以制造一台专门用于微型刀具的轻型机床。为采用微型刀具进行高速切削而设计的机床需要承受的切削力较小,因此设计重点应放在速度和灵敏性上,而不需要采用大电机驱动。
为了使一架飞机完成飞行,哪一边的机翼更重要,左翼还是右翼?回答当然是:要使飞机飞起来,两翼同样重要,同样不可或缺。与此类似,为了实现微型刀具的高速切削加工,三要素(微型刀具、冷却方式和高速切削)中的每一要素都同样重要,缺少了其中任何一个环节,都不可能实现高效率、高可靠性和高柔性加工。反之,如果将三要素完美地结合在一起,就能达到令人惊喜的加工速度和高水平的加工质量。其加工优势还不止于此,它还能完全取消如去毛刺、去油污等后续二次操作。

加工实例

下面列举两个在Datron机床上用微型刀具进行高速切削的加工实例:①用直径1/4"(6.35mm)的单槽铣刀高速铣削厚度为1/8"的6061铝板,加工转速为45000r/min,采用酒精冷却,机床进给率为250ipm;②用直径1/8"(3.175mm)的小螺旋角双槽高速铣刀(HSC+)铣削1/8"厚的6061铝板,加工转速为50000r/min,采用酒精冷却,机床进给率为200ipm(5080mm/min)。
对于高速切削加工,有一些经验值得注意:①应避免在主轴上加装衬套,因为这样会增大磨损和破损,大大缩短主轴寿命;②采用具有较小步距和较高进给率的机床;③快速移动刀具,利用切屑带走热量。

结论

综上所述,要完美地完成任务,就必须使用正确的工具。一个高尔夫球手既不会使用长打棒在草地上击球,也不会使用轻击棒在球座上开球。同样,在常规数控机床上换装高速主轴,也很难期望它能达到高速切削所要求的高标准。只有专门为微型刀具的高速切削而设计制造的机床才能满足这种加工的严苛要求。
用微型刀具进行高速切削加工的优点包括:切削力小,刀具不易损坏,加工温度低,表面光洁度好,可取消后续去毛刺、去油污操作和刀具振动小等。高达60000r/min的主轴转速使加工速度比过去大大加快,同时工件加工质量也得到了提高。
本文作者:张宪(译)
原载:《工具展望》2007年第5期
上载于:2008-12-5 8:36:00

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