摆线铣削淬硬钢工件上的槽
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摆线铣削或螺旋线铣削的一个主要优点是:刀具在每一时刻只有一小部分参与切削,并且进给量保持不变。此外,由于采用直径小于槽宽的立铣刀,因此留有排屑空间。
在淬硬工件上铣槽一直是切削加工中的难题之一,其原因有三:①加工时,刀具的大部分切入工件中,会产生很大的切削力和较多的切削热;②每个刀齿上切屑的载荷不均匀,切入工件最多的刀齿载荷最大,其它位置的刀齿载荷较小;③随着容屑槽逐渐被切屑填满,排屑空间变小,切屑的重切机率增大。
如果工件上槽的深度相对于其宽度比较深,则排屑更为困难;如果是曲线槽,则排屑难度更大;如果是在淬硬钢上铣槽,更是难上加难。这些困难迫使人们只能采用较小的进给量和切深进行加工,以避免打刀。但即使采用小的进给量,刀具寿命仍然较短。

图1 摆线铣削的走刀路径

图2 很难加工的波形槽的造型

图3 OKK机床

图4 CZS的4槽立铣刀

摆线铣削

摆线铣削或螺旋线铣削提供了一种很好的铣槽解决方案,其基本原理是通过编程,使刀具的走刀路径为圆周,并使该圆向前滚动切入工件(图1)。摆线铣削的一个主要优点是:刀具在每一时刻只有一小部分参与切削,并且进给量保持不变。此外,由于采用直径小于槽宽的立铣刀,因此留有排屑空间。
但是,为了实现摆线铣削,还必须解决一些相关问题:①摆线铣削的走刀路径较复杂,超出了普通CNC系统的软件编程能力;②摆线铣削要求机床刚性好、运动速度快;③所用刀具应能适应高速切削,耐磨性好。其它相关因素还包括刀具的直径、工件材料、切削深度等。

三家公司的技术合作

大隈(美国)机床公司、美国联合刀具公司和CNC软件开发商DP技术公司三家企业携手合作,共同开发摆线铣削技术。首先,为了解决排屑困难的问题,它们有意设计了一个特别难加工的零件,要求加工其上的波形槽(见图2),槽宽12mm,槽深20mm;工件材料为P20钢,硬度35HRC。“采用一般的方法加工这个槽将非常困难。”美国联合刀具公司营销与市场副总裁Jonathan Hay如是说。
摆线铣削的基本理念是要显著提高切削速度和进给率。为此,采用了大隈公司一台带托盘交换的OKK VM5Ⅲ高性能立式加工中心(见图3),根据配置的主轴结构,机床转速可达20000转/分。
接下来是选择刀具。选用了一把美国联合刀具公司的CZS 10mm、4槽、不带圆角、铬基UT涂层刀具。CZS系列立铣刀可加工硬度达50HRC的淬硬钢,并有过中心的端刃,可直接开始铣槽或窝。
DP技术公司提供了该公司加工模具用的Esprit Mold CNC软件包,其中包括20种2.5-5轴的铣削策略,以创建最佳走刀路径,包括尖角的做圆、在任何情况下的顺铣,以实现刀具切入时具有最大切屑厚度,然后逐步减小。用户选择“摆线铣削”选项后,屏幕上就会提示输入前进步距和滚动圆直径,然后由软件自动生成加工程序,只需30分钟即可完成工件的加工编程。

效率明显提高

摆线铣削可显著提高铣槽效率。通常,铣槽时所用进给速度为铣侧面时所用进给速度的20%,如果使用摆线铣削,则可将进给速度提高至80%。此外,一般铣槽时的轴向切深为2~3mm,切出20mm深的槽至少需要走6刀,而摆线铣削的轴向切深可达10mm,只需走2刀就能切出20mm深的槽。采用摆线铣削后,零件波形槽的加工时间只需37分42秒,比常规加工方法快了12倍。
通过对工件的加工,显示出摆线铣削对减小切削力和切削热的明显效果:尽管采用了比常规铣槽加工高得多的切削速度和进给速度,但刀具的磨损却很轻微,在切削了几个工件以后,几乎还看不出切削刃的磨损,刀具和夹头摸上去温度也未升高。这是因为摆线铣削的切削载荷非常均匀,且排屑顺畅。如果采用普通铣槽方法,切削温度要高得多,会使刀具寿命缩短50%。在普通的铣槽切削中,立铣刀直径的50%位于切削区内,而在摆线铣削时,只有5%位于切削区,其切削力和切削热可减少90%。由于只需采用空气冷却就足够了,因此可避免冷却液浇注不匀所造成的打刀现象。
在此次试验中,用一把刀具加工了6个工件,而刀具基本上没有磨损,用摆线铣削法铣槽的优越性和应用潜力得到了充分体现。

图5 加工完成的工件
本文作者:赵炳桢(编译)
原载:《工具展望》2009年第1期
上载于:2010-7-14 10:32:37

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