加工中心上的铣削加工
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在加工中心上,可以完成面铣、方肩铣、仿形铣削、型腔铣削、槽铣、车铣、螺纹铣削、插铣、坡走铣及圆弧插补铣等。
近年来,加工中心应用日趋广泛。而铣削是加工中心最常见的加工方式,在加工中心上,可以完成面铣、方肩铣、仿形铣削、型腔铣削、槽铣、车铣、螺纹铣削、插铣、坡走铣及圆弧插补铣等。

1 铣削方向的选择


图1 铣削方向选择
Dc=切削直径;ae=工件尺寸
图2 刀具直径与工件尺寸最佳比例
在进行铣削工序时,工件可顺着或相对刀具旋转方向进给,这会影响到切削的起始和完成特性。无论机床、夹具和工件的要求如何,顺铣都是首选方法(图1)。但是,如果将刀具推人工件中,进给量会无规则性增加,从而导致切削厚度过大并会引起崩刀,在此类应用场合中应选择逆铣。另外,加工余量出现很大变化时,选择逆铣更为有利。

2 刀具直径和位置

铣刀直径的选择通常以工件宽度和机床的有效功率为基础。特别是在进行面铣时,工件的铣削宽度将直接决定铣刀直径的确定。正常情况下铣刀直径应该比工件宽度大20%~50%(图2),因为这样有助于保证良好的切屑形成和适当的切削刃负载。理想状况下(即铣刀直径比工件宽度大很多),铣刀的定位应总是稍微偏离中心(图3)。因为此时每个刀片形成的切口非常小,并且刀片的进入和退出有利于切屑形成和防止冲击载荷。但是如果将刀具完全定位到中心,当切削刃进人或退出切口时,大小平均的径向力会在方向上不断变化,机床主轴会出现振动,刀片也可能破碎,从而形成很差的表面质量。铣刀相对于工件的位置、走刀以及与刀齿的接触情况对于能否成功完成工序都是极为重要的因素。

图3 刀具中心点位置选择

3 进入和退出条件

每次当一个铣刀刀片进入切口时,切削刃可能会遭受到冲击载荷影响。这取决于切屑截面、工件材料和切屑类型。对铣削过程来讲,极为重要的是切削刃和工件材料之间最初接触与最终接触的类型是否合适。另外,准确定位刀具对于切削刃的进入和退出也很重要。

3.1 工件宽度大于或等于铣刀直径

在这种情况下,刀具中心线完全位于工件宽度以外,并且刀片切入时最外端的刀尖会受到强烈碰撞。这意味着刀具最敏感的部位易受到初始的冲击载荷影响。刀片也会离开切口仅保持刀尖接触,这意味着切削力将完全施加到刀片的最外端,并保持到刀片突然脱离工件为止。这就是冲击卸载力。

3.2 铣刀直径比工件宽度稍大

在这种情形下,刀具的中心线与工件边缘处于同一条直线。当切屑厚度处于最大值时,刀片便会离开切口,并且在刀片切入和切出时,冲击载荷会非常高。

3.3 铣刀直径比切削宽度要大很多

在这种情形下,刀具的中心线完全位于工件宽度之内。当刀片切入时,初始撞击更多会沿着切削刃,而远离敏感的刀尖;并且在刀片切出时,刀片会逐渐的离开切口。
这种使切削刃离开工件材料的方式是非常重要的。在逐渐接近切口末端时,剩余材料会稍微退开,从而减少了刀片间隙。另外切屑在排出时会顺着刀片表面产生瞬间张力,并且常常会导致在工件上形成毛刺的风险。这种张力可确保在此风险下切削刃的安全性。
当刀具的中心线与工件边缘一致或非常靠近时,这种情形便非常明显。此时,铣刀应以一定的正前角而不是负前角(工件与切削刃的夹角)切离工件。当工件表面上存在空间时就会出现问题。在这种情况下,常用的解决方案是选择更坚固的切削刃,有时还必须重新考虑齿距或刀片槽形。在考虑所有方方面面的同时,应将铣削工序看作为一个整体,以获得最合适的刀具和刀片类型。

4 主偏角

铣削时的切屑厚度与面铣时的主偏角相关联。它指的是刀片和工件的主要前导切削刃之间的夹角。主偏角尤其会影响切屑厚度、切削力和刀具寿命。在给定的进给率下减小主偏角,则切屑厚度会减少;并且薄屑效应会使切削刃在更大的范围内与工件接触。较小的主偏角也可使刀片更为平缓的切入切口,这有助于减少径向压力和保护刀片的切削刃。但是,轴向力太大会增加工件上的压力。现在最常用的主偏角是45°、90°、10°以及圆刀片的那些主偏角。
 主偏角对切削力的影响主偏角对切削厚度度的影响

90°主偏角刀具

  • 薄壁零件
  • 装夹较差零件
  • 要求准确的卯。角成形场合

45°主偏角刀具

  • 通用操作首选
  • 减少长悬声中加工震动
  • 减小切削厚度提高生产率

圆刀片刀具

  • 可多次转位的最坚韧切削刃
  • 通用刀具
  • 切削很薄,最适于耐热合金加工
  1. 90°主偏角的刀具在进给方向上会产生绝大部分径向力。这意味着被切削的表面将不会承受太多轴向压力,这对于铣削低强度结构或薄壁工件是很有积极意义的。其主要应用范围适用于方肩铣,并且作为切削结果可获得直角边。
  2. 45°主偏角的刀具同时存在大小接近的径向和轴向切削力,这会产生更为平稳的压力,并且对机床功率的要求相对较小。这种主偏角适用于普通用途的面铣。另外还特别适合于铣削短切屑材料的工件。因为当材料量减少时会在切口末端留下过大的径向切削力。这也表现在切削开始时切削更轻便,当以大悬深或小刀柄刀具铣削时这会减弱振动。在许多应用中更薄的切屑可获得高生产效率,这是因为在保持中等切削刃负载的情况下,其工作台进给范围更大。常常这会对可留下小角度切削能力的小切深形成补偿。
  3. 10°主偏角主要在高进给和插铣刀具上使用。这允许在非常高的切削参数下进行切削,其中切屑厚度很小但工作台进给速度非常高。低切削力非常有利,因为轴向和径向铣削主要产生轴向切削力,因而可降低振动并获得很高的金属去除率。
  4. 圆刀片刀具意味着连续可变的主偏角,范围从0°到90°,其具体值取决于切深情况。此刀片半径具有非常坚固的切削刃,并且由于产生的薄屑会顺着长切削刃,因而适合于高工作台进给率。薄切屑效应适合于加工耐热优质合金和钦金属。在加工期间,沿着刀片半径的切削力方向的变化和由此而产生的压力由实际切深所决定。现代刀片槽形的发展使圆刀片铣刀的适用范围更广,因为它具有平稳的切削作用、机床功率低和稳定性要求不高的优势。如今,它已不再是非标刀具,而是作为高效且具有高金属去除率的粗加工刀具。

5 防止铣削振动

由于种种原因,在利用大悬伸进行加工时会越来越多地使用到回转接杆。在加工中心上加工的工件正变的越来越复杂,同时对切削工序也要求越来越快速。一次定位要完成尽可能多的加工工序,这意味着没有时间去重新定位工件,相反常使用长刀具去达到加工表面以求一次安装完成切削。其次,这也意味着在许多情况下,在夹具中每个进行切削的点上,工件都没有得到充分的支撑。
要保持更高的生产效率,例如在切削型腔时,最重要的一点是选择正确的加长杆。在许多情况下,若在开始时就使用最长的加长杆,就会由于振动间题而导致降低生产效率。因此,最好选择一系列加长杆,并在开始时使用最短的加长杆,然后在最深的部分使用回转接杆。
不稳定/不固定的刀具夹紧、不稳定/不牢固的工件夹紧、方肩铣刀具有径向主轴易弯曲、工作台进给不均匀,这都会引起振动,实际加工过程中,需要根据引起振动的原因,采取相应的措施来减小或抑制振动。

6 结语

在加工中心上,铣削主要通过主轴旋转的多切削刃刀具,沿着工件几乎任何方向上执行可编程的进给运动,从而完成金属切削。这种切削作用使得铣削成为一种行之有效的通用加工方法。值得注意的是要选择正确的铣削方式,合理地确定铣刀参数,采取必要的措施,以防止切削过程中的振动,从而提高表面加工质量,提高生产效率。
本文作者:大连机床集团有限责任公司 李梅
原载:《WMEM世界制造装备与市场》2008年第4期
上载于:2011-7-21 15:54:11

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