为低功耗加工选用合适刀具
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为了提高高速/低功耗加工的效率,在选择铣刀和孔加工刀具时,不仅要关注高速加工(主轴转速),而且要使刀具适合实际加工。除了高速加工的安全性,还会有更多收获。
众所周知,在过去十年间,加工车间所用CNC加工中心的主要发展趋势是速度更快、智能化程度更高,并采用质量更轻、功耗更低的主轴。而目前不断上升的能源成本也加速了这一进程。这种发展趋势与使用能在一次走刀中实现大切深切削的强力机床完全背道而驰。高速加工(HSM)也必然意味着是低功耗加工(LPH),它需要采用不同的刀具,以及对刀具有不同的认识。
近年来,日益提高的能源成本和对全球气候变化的关注已经赋予这种发展趋势新的紧迫性。许多制造商发现,他们的电力、能源等公用事业支出以每年25%或更高的速度递增。作为一种回应,一些企业开始采用新的策略,承诺实施“绿色制造”和“低能耗制造”。更多的制造商虽然没有大肆声张,但也在企业范围内默默但有意识地寻求加工工艺的变革,以降低金属切削加工的能耗水平。选用适当的刀具和低功耗加工方法可以为实现这一目标做出贡献。
为了应对高速/低耗加工的发展趋势,许多一流的刀具供应商正在开发高速加工专用刀具系列,或在他们的刀具产品上增加额定主轴转速的标注。某些刀具供应商的步伐则更加超前。这样做的原因在于:虽然高速加工或额定主轴转速的现状是好的,对高速主轴的安全性也是必要的,但其发展尚不够充分。高速加工或额定转速本身仅仅意味着钻头或刀具以12000转/分或40000转/分的转速实际运行时具有足够好的平衡性,同时刀片在刀具中安装牢固。但是,这并不能说明刀具的加工效率,而效率才是节约能源和保护轻型机床结构的关键因素。
当然,高速加工或额定转速是需要强调的,但眼光还应该看得更远一些。你会发现,在目前用于高速加工的各种铣刀和钻头中,在加工效率及能效上存在巨大差异。这些差异对于粗加工、一次走刀铣削和大直径孔加工尤其重要。
让我们首先解剖一台典型的CNC高速加工中心,看看它与传统机床有何不同。当然,它的速度很快,具有最高可到40000r/min的额定主轴转速,并可达到极高的进给率;它的智能化程度也很高,其控制系统通常能实现插补加工、刀具路径优化和3~6轴联动加工。不过它也有不足之处,一是主轴电机的额定功率可能只有20马力(25kW)或更小;二是机床结构很轻,因此更容易发生偏斜和振动(这一点常常被忽视)。实际上,限制材料去除率提高的通常是结构刚性而非主轴功率。不只是主轴电机,这种机床整体上都是为轻载、快速的多次走刀切削(而非大切深、少走刀的切削)而设计的。
从刀具的观点来看,高效低耗加工的关键是瞬时加热切削区以软化被切削金属,并将热量传递给切屑,使热量随切屑一起离开切削区。很明显,金属越软,切除金属所需的功率越小。与过去采取一切可能的方法降低加工温度相比,这是一种完全不同的思维方式,这就要求我们在刀具设计阶段以及用户在刀具选择阶段都必须采取与过去不同的方法。
切削热可能仍然是刀片的大敌,但在工件上的切削点以及切屑中,它的确可以变为有利因素。如今设计的高速铣刀性能更为先进,它与高速主轴(及其高表面切削速度)配合,可使切削点的金属发生塑性软化。如能找到这种刀具——它能利用切屑变形产生的热量软化待切削金属,使其正好达到更易切削的状态——就能实现更快速、更节能的切削加工,同时可以延长刀具和机床的寿命。

图1 切削区升温使工件材料塑性软化

图2 Hi Pos+刀具具有低功耗铣削刀具的所有特征:双正前角、螺旋升角和螺旋切削刃

图3 螺旋形切削刃可使刀片轻松地逐渐切入工件,就像切纸机刀片剪切纸片一样。采用最先进的螺旋刃铣刀片可以减小冲击力、节省功耗并保护高速低耗加工中心的低刚性结构

图4 顺铣与逆铣的对比
为低功耗加工而开发的刀片还应具有另外两个重要特征:一是基体和涂层能够耐高温、耐冲击;二是切削刃几何形状的设计能充分实现自由切削(高速、无支承切削)。基体和涂层需要经受得住与切削区材料塑性变化有关的高温环境,同时还要承受以较高表面速度反复碰撞工件的频繁冲击,这些冲击力随着主轴转速的提高而成比例地增大。
关于低功耗铣削刀具的前刀面几何形状,刀片至少应具有双重正前角——在径向和轴向均为正前角。这样,可保证在两个方向上都有平滑的劈入式切削效果,与用更钝的0°前角刀具产生的刮削效果相比,产生的切削力较小,耗费的功率也更少。然而,并非所有的刀片都具有双重正前角,因此需要注意选择。
还需要寻找具有螺旋切削刃的铣刀(此类铣刀牌号很少),这种铣刀可显著降低功率需求和冲击力,其曲线切削刃使刀片更容易切入工件。从微观层面来看,它更像在钣金加工时用带角度的刀片一次只剪切掉一部分材料,而不是一次性地猛烈冲压整块金属板。铣刀采用20°~45°的螺旋升角也可减小刀具切入时的冲击,并能抑制切出时产生毛刺。
在模具加工中,使用球鼻铣刀铣削要浪费大量功率,因为只有一小部分切削表面(中纬线周边区域)是以最佳表面速度和效率在参与切削。更好的选择是采用一种有更多直齿的圆鼻铣刀(如英格索尔公司开发的Chip-Surfer铣刀,它可使更多的切削表面参与切削)。
刀具的节圆半径及与此相关的表面切削速度在整个切削表面上是相当一致的。在切削表面的两端,其表面速度并不趋近于零,因为它必须靠近球鼻铣刀的鼻部。其次,在直线切削中,采用大的刮削半径,利用切屑减薄效应,可以实现更快的材料去除。大的刀尖圆弧半径与倒锥度相结合,使转角清根变得更为容易,并可使切削力减至最小。所有的切削表面都采用了大的正前角,以减小切削力,降低功率消耗。
一旦选定了合适的铣刀,就一定要充分加以利用。切削大多数钢材的规则是:快速切削、热切削、干切削。提高主轴转速和进给率,可引起材料的塑性化效应,同时也提高了生产率。将刀具制造商推荐的切削参数(进给量和切削速度)仅仅作为起点,在此基础上进一步提高。最重要的一点是不能使用冷却液。除了要防止刀具受到热冲击以外,还要让刀具产生软化工件材料所需要的热量。在加工中,或许不需要为冲刷切屑而使用切削液,采用正前角刀具的高速加工能够很好地排屑。增加一个带除湿功能的喷气装置将有所裨益。
以下是一些指导原则,其中一部分通常可以应用于粗铣加工,但对于低功耗铣削来说,所有这些原则都很重要。
  1. 在可能的情况下尽量采用顺铣,它可使切削刃更平滑地切入工件,既可保护重量较轻的机床结构,又可延长刀具寿命。
  2. 通过研究切屑的颜色,可以发现与切削效率有关的线索。在铣削钢件时,不必担心出现深蓝色切屑,因为它意味着良好的铣削状态和材料软化效果,且切削热正以正确方式被切屑带走。而在铣削不锈钢时,浅草黄色的切屑也是铣削状态良好的信号。
  3. 窄肩切削比宽肩切削能效更高,每一次切削的接触宽度不要超过刀具的75%。出于相同的原因,不要用两个以上的刀片同时参与切削,否则只会产生更多摩擦、消耗更多功率,得不偿失。如果加工中发生震颤,可以改变刀具的几何参数(如前角、安装角或导程角)、增大切屑载荷和(或)减小(而不是增大)刀片的倾角。
孔加工通常被认为是去除单位材料耗能最多的加工。即使采用新型麻花钻,也只有一小部分切削表面能以理想的表面速度进行切削;即使在最好的加工环境条件下,切屑与容屑槽之间的摩擦也会消耗切削能量。此外,将切削液输送到切削表面的液泵也需要消耗能量。被加工的孔越大、越深,对能量的消耗也越大。
对于直径25.4mm以上的大孔加工,比较好的替代方法是采用螺旋铣孔法。当然,这需要机床具有插补控制功能。采用这种干式、节能的切削方法取代湿式、耗能的传统加工工艺具有不错的效果,用单齿或多齿立铣刀加工大直径孔比用任何钻头加工需要的机床功率和系统刚性都更小。
根据螺旋铣孔技术应用者的报告,定位销孔的加工循环时间缩短了3/4,铣削加工的功率消耗仅为40%。如果采用扁钻加工这种大直径孔,大多数现代CNC机床将无法提供所需的功率。由于这一原因,许多模具制造商仅仅为了加工定位销孔而不得不将工装移到坐标镗床或重型钻床上。而借助于螺旋铣孔技术,他们就可以在用于型腔加工的小功率铣床上通过一次装夹完成全部定位销孔的加工。不管你信不信,采用螺旋铣孔技术,可以直接在无预孔的工件上加工大孔,而无需为日益增多的大孔钻削加工浪费大量时间和电能。
采用螺旋铣削加工各种深度的孔或盲孔时,需要注意清除切屑。铣刀的几何形状可以生成细小切屑,但并不一定要由刀具自身来清除切屑,在垂直铣削和某些水平铣削加工中,可能需要采用空气吹屑。
可换齿冠钻头(如英格索尔公司的Quick-Twist钻头)也可用于大孔加工,且所需功率小于带槽钻头。由于其独特的几何形状,齿冠的切削效率很高,而且钻杆的直径小于齿冠直径,从而能够更容易地清除切屑和减小摩擦力。此外,韧性较好的合金钢钻杆能够承受在轻型机床上常见的振动和刀具变形,而整体硬质合金钻头则容易因振动和变形而损坏。
可换齿冠钻头主要用于大批量生产,以避免重新调整机床和各种整体硬质合金钻头的大量库存,由于其更高效的切削刃几何形状和韧性更好的钻杆,提升了低功耗钻削加工的附加值。
为了提高高速/低功耗加工的效率,在选择铣刀和孔加工刀具时,不仅要关注高速加工(主轴转速),而且要使刀具适合实际加工。除了高速加工的安全性,还会有更多收获。铣削加工时,选择“完全自由切削”的刀具几何形状(带螺旋切削刃的双正前角铣刀),并采用热硬性好的刀具。钻削加工时,可考虑采用螺旋铣削来加工大孔。对于普通钻削加工,可试用具有高韧性合金钢钻杆的可换齿冠钻头,以避免整体硬质合金钻头在不稳定的安装条件下发生折断。可换齿冠钻头可以提高金属去除率,保护轻型机床和刀具,同时节省加工功率。
本文作者:胡红兵(编译)
原载:《工具展望》2008年第3期
上载于:2009-12-31 10:12:01

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