大进给铣削技术的新进展
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大进给量铣削策略显示出了许多技术优势几年前,一些刀具制造商为中小型模具型腔和型芯的高效加工开发了几种新的整体硬质合金大进给量铣刀。
快速切除大量金属的铣削加工(尤其是粗铣加工)策略与发展最好的上世纪90年代中期相比,已经发生了巨大变化。这一阶段让人深受鼓舞的新进展是:刀具制造商设计出了能在装备有轻型主轴、具有先进的“前瞻”控制等功能的机床上使用的大进给量铣削刀具。
大进给量铣削策略显示出了以下潜在技术优势:
  1. 在具有更好经济性的轻型机床上进行粗铣加工时,可获得很高的金属切除率。
  2. 使用一致性好、可预测使用寿命的刀具,能实现高可靠性加工。
  3. 经过粗铣加工的零件可获得更接近最终形状的加工精度要求。
过去,模具制造厂为了提高金属切除率,一般是在大功率机床上使用大直径铣刀,选择较低的主轴转速和大切深进行加工。当然,限于当时的技术水平,即使能获得较高的金属切除率,但会在加工的模具型腔侧壁上留下很高的台阶和很深的刀痕,需要在后续工序中予以清除。
虽然大进给量铣削是与可转位刀具一起开始发展的,但中小型模具型腔的大进给量铣削首先是使用整体硬质合金球头立铣刀进行小切深加工。通过运用切屑减薄原理,使用圆形切削刃刀具进行加工,使刀具每齿进给量大大增加,相应地也使机床的进给率提高到8m/min以上。当然,使提高金属切除率成为可能的必要条件是机床上配置转速达8000rpm的主轴和具有“前瞻”功能、能连续监测刀具运动轨迹的CNC系统等。
几年前,一些刀具制造商(如OSG公司)为中小型模具型腔和型芯的高效加工开发了几种新的整体硬质合金大进给量铣刀,其主要特点是:与球头立铣刀相比,切削宽度增大;与常规铣刀相比,排屑槽缩短以提高刀具刚性,克服了常规立铣刀因排屑槽较长(1-1.5倍直径)而削弱刀具刚性的弊端,因而可将进给量提高至12-20m/min。采用小切深量进行粗加工后,即可获得接近最终形状的工件,从而能直接进行半精加工甚至精加工,提高了生产效率,节约了加工时间。
复合型大进给量铣刀的设计开发主要沿着两个方向:一是采用大半径圆弧切削刃(可看作是大半径球头铣刀的一部分);二是采用小倾角的直线切削刃。这两种刀具的共同特点是具有小的切入角,能在加工中形成切屑减薄效应,实现大进给切削。在刀具结构上,采用了可转位刀片和可换刀头结构,以降低刀具制造成本。

Sandvik公司开发的CoroMill 210大进给铣刀

Iscar公司开发的Multimaster FeedMill可换刀头式大进给铣刀

Seco公司开发的圆弧刃刀片大进给铣刀

Ingersoll公司开发的Hi FeedDEKA铣刀

ATI Stellram公司开发的7792VXD大进给铣刀
Sandvik公司新开发的CoroMill 210大进给量铣刀采用了直线切削刃和10°的切入角,刀具的每齿进给量提高6倍以上,达到1-1.5mm/齿。在这样的进给量条件下,产生的切屑厚度为0.18-0.25mm。由于CoroMill 210优化了切削性能,只要不超过最大切深量,直线切削刃就能持续实现切屑减薄效应。
CoroMill 210铣刀的刀体、刀片座和刀片结构也进行了优化,将两种不同的加工方式——大进给量铣削和插铣集成在了同一把刀具上。当具有10°切入角的铣刀沿切线方向进给时,可采用小的轴向切深实现大进给量铣削;而在轴向进给时,采用大的径向切深进行插铣,也能实现很高的金属切除率。
CoroMill 210铣刀具有的插铣和大进给铣削功能可用于航空制造业中从整块毛坯上切除材料(如航空发动机叶片或结构件的粗铣加工),也可用于汽车制造业或普通机加工中从铸铁到钛合金、不锈钢或合金钢零件的高效加工。
Iscar公司新开发了两种大进给铣刀:一种是Multimaster FeedMill可换刀头式小直径铣刀(可用于加工尺寸为10mm、12mm和16mm的模具型腔);另一种是FeedMill可转位刀片式铣刀(包括直径范围25.4-152.4mm的立铣刀和套式铣刀)。对于FeedMill铣刀,Iscar公司采用先进的刀片压制技术,在刀片上压制出一个可与刀座上的凹窝相互嵌合的凸台,这种独特的结构设计使刀片和刀具可以吸收切削力,减轻作用于刀片紧固螺钉(通常是可转位刀具最薄弱的部位)上的应力。
Emuge公司开发的Time-S可转位刀片式立铣刀具有以下特点:①刀片切削刃采用双圆弧结构,可使切削力沿切削刃全长均匀分布;②刀具几何形状具有减薄切屑功能,可减小功率消耗、加工振动和刀具磨损;③主要用于加工铸铁和硬度至HRC44的淬硬钢,使用直径80mm的刀具加工时,金属去除率可达2458cm3/min以上。
由于大进给铣削技术在现有机床设备及加工程序下比较容易实现(有时只需改变进给率即可),因此该技术在模具加工车间正变得日益流行。Seco公司设计开发的大进给铣刀采用了可产生较小切入角的圆弧刃刀片,其主要设计理念是构成较小的安装角,以获得合适的切屑厚度。刀具几何形状的设计可使大部分切削力传入主轴,可以减小刀具变形和振动,从而允许采用较大的切削参数。Seco公司的大进给铣刀不仅可用于端面铣削,也能进行圆弧插补或螺旋插补加工、通孔螺纹加工和3D轮廓加工。为了提高模架的加工效率,模具车间采用淬硬的工件毛坯,用大进给铣刀进行等高分层铣削,达到半精加工所能达到的精度,最后利用放电加工(EDM)进行精加工。
采用纽扣刀具加工模具型腔对复合型大进给铣刀的开发起到了促进作用。最初用纽扣刀具加工模具型腔时曾遇到许多问题(如因大切深产生的大量切削热传入切削刃,造成硬质合金材料提前失效,以及加工结果的分散性)。为了替代纽扣刀具,具有独特刀片形状的复合型大进给铣刀应运而生,利用减薄切屑效应和小切入角,实现了很高的金属切除率。
Ingersoll公司除了采用传统的以小切入角实现大进给切削的方法外,还不断开发以高密度(多切削齿)和大刀尖圆弧半径实现大进给铣削策略的新型铣刀。Ingersoll的大进给铣刀分别采用2个、3个、6个(双面,每面各3个)和10个切削刃,直径范围为9.5-152.4mm。最新开发的Hi FeedDEKA铣刀系列每个刀片上都有10个切削刃(双面,每面各5个),刀具可以1.5mm的切深量和0.51mm的刮削量实现半精加工。
在欧洲,大进给铣削策略的应用比在美国要快一些,因为欧洲的机床更适合这种加工方式。采用复合型铣刀的大进给铣削策略很好地克服了纽扣刀具的缺点,除了能实现能很高的金属切除率外,还可以提高加工过程稳定性和可靠性,易于实现一人看管多台机床的加工和无人化自动加工。
ATI Stellram公司推出了7792VXD大进给铣刀系列。该刀具可以在小切深(最大切深2.5mm)、高进给率条件下进行加工,与传统的平面铣削、型腔铣削、铣槽和插铣加工相比,金属切除率可以提高90%。该系列刀具为套式铣刀或采用莫氏锥柄,刀片尺寸为9mm和12mm,共有4个切削刃。
ATI Stellram公司正在将该刀具系列扩展到包括采用圆柱刀柄和模块式刀头(采用6mm刀片,每个刀片4个切削刃)的小直径铣刀。它可使切削力沿轴向传入主轴,从而可减小主轴磨损,提高加工稳定性。X400刀片是该刀具系列的标准牌号,是加工淬硬钢的首选刀具。ATI Stellram公司还为用户配备了切削软件,可以针对各种不同工件材料的加工推荐切削用量以及计算机床功率、扭矩和切削力等数据。
为了提高金属切除率,Walter美国公司设计了F2330大进给高效铣刀,其主要特点是:①选用经CVD或PVD涂层处理、有3个切削刃的多边形刀片,可用于铣削钢和铸铁;②刀尖圆弧半径分别为0.8mm、1.2mm和2mm;③可提供直径为1.9-76.2mm的内冷却铣刀,能有效降低切削温度;④最大切深为2mm,安装角为0-15°;⑤具有强大的插铣功能,非常适合用于高效模具加工,铣刀长径比可达8倍。
本文作者:薛儒(编译)
原载:《工具展望》2008年第4期
上载于:2011-1-17 14:49:42

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