复杂加工条件下的铣刀选择
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在切削加工中,为了最大限度地提高加工质量和重复精度,必须正确地选择和确定合适的刀具,对于一些具有挑战性的高难度加工,这一点尤其重要。本文针对在一些困难加工条件下(如采用高速刀具路径,铣削狭小部位、直壁和石墨工件时),应如何合理选择铣刀提供一些指导原则。
在切削加工中,为了最大限度地提高加工质量和重复精度,必须正确地选择和确定合适的刀具,对于一些具有挑战性的高难度加工,这一点尤其重要。本文针对在一些困难加工条件下(如采用高速刀具路径,铣削狭小部位、直壁和石墨工件时),应如何合理选择铣刀提供一些指导原则。
图1 大直径铣刀(左)与小直径铣刀(右)的接触表面对比(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

高速刀具路径

如今的CAD/CAM系统可通过在高速摆线刀具路径中精确控制吃刀弧长(注:摆线刀具路径是在沿一根直线滚动的圆上一个固定点所形成的曲线路径),而获得极高的切削精度。即使当铣刀切入转角或其它复杂几何形状时,其吃刀量也不会增大。为了充分利用这种技术进步,刀具制造商设计开发了先进的小直径铣刀。与直径较大的铣刀相比,小直径铣刀价格更低,而且通过采用高速刀具路径,往往能在单位时间内切除更多工件材料。这是因为大直径铣刀与工件的接触表面更大,因此需要降低进给速度,采用更为传统的小进给率。因此,小直径铣刀反而能获得更高的金属去除率。
图2 适合加工硬金属材料的几种铣刀类型(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
不过,刀具设计者仍然需要确保这些小直径铣刀不仅适用于摆线切削,还要与被切削的工件材料相匹配。如今,许多高效刀具的几何刃形都是针对特定的被加工材料和所采用的切削技术而专门设计的。例如,采用优化的刀具路径,可用一把6刃铣刀在硬度达HRC54的H13钢上铣出全槽。用一把直径为12.7mm的铣刀即可切制出宽度为25.4mm的槽。如果用直径12.7mm的铣刀加工宽度为12.7mm的槽,刀具就会与工件产生过多表面接触,并导致刀具很快失效。一项有用的经验法则是:使用直径约为工件最窄部位尺寸1/2的铣刀。在本例中,工件最窄部位是宽度为25.4mm的槽,因此,所使用铣刀的最大直径不应超过12.7mm。当铣刀半径小于工件最窄部位尺寸时,刀具就有左右移动的空间,并能获得最小的吃刀角度。这意味着铣刀可以采用更多的切削刃和更高的进给率。
图3 适合加工狭小部位的环形铣刀(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
机床刚度也有助于确定可使用刀具的尺寸。例如,在40锥度的机床上进行切削加工时,铣刀直径通常应<12.7mm。直径较大的铣刀会产生可能超过机床承受能力的较大切削力,导致颤振、变形、表面光洁度变差和刀具寿命缩短。
此外,采用直径为工件最窄部位尺寸1/2的铣刀时,可以保持较小的吃刀角度,且在刀具转向时也不会增大。例如,工件加工程序采用的走刀步距为10%,则吃刀角度为37°。如果采用陈旧、传统的刀具路径,铣刀每次改变方向时,其吃刀角度都将增大到127°。而采用较新的高速刀具路径时,铣刀在转角处发出的声音与直线切削时并无二致。如果一把铣刀在所有切削过程中所发出的声音都相同,表明其未受到大的热冲击和机械冲击。如果铣刀在每次转向或切入转角时都发出尖啸声,则表明可能需要减小铣刀直径尺寸,以减小吃刀角度。如果切削发出的声音保持不变,表明铣刀承受的切削压力均匀一致,并未随着工件几何形状的变化而上下波动,这是因为其吃刀角度始终保持恒定。

铣削狭小部位

环形铣刀是铣削狭小部位(如螺旋铣孔和铣削肋板,或当铣刀直径接近工件半径时)的最佳选择。这种铣刀坚固的环状外形可以产生切屑减薄效应,使其能以更高进给率进行铣削。此外,该铣刀的半径要比传统的球头铣刀小,因此可以增大走刀步距,同时仍能保持加工表面的平面度,而不会出现球头铣刀加工时通常会产生的较大刀痕。
图4 用环形铣刀加工时推荐采用的切宽和切深(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
环形铣刀非常适合螺旋铣孔和铣削肋板,因为在这些加工中,刀具不可避免地会与加工表面产生较多接触,而采用双刃环形铣刀可以最大限度地减少与工件的表面接触,从而减少切削热和刀具变形。在这两种加工中,环形铣刀切削时通常处于封闭状态,因此,最大径向走刀步距应为铣刀直径的25%,而每次走刀的最大Z向切深应为铣刀直径的2%。在螺旋铣孔中,当铣刀以螺旋刀轨切入工件时,螺旋切入角为2°- 3°,直至达到铣刀直径2%的Z向切深。
如果环形铣刀切削时处于开放状态(如铣削工件转角或清理工件特征时),其径向走刀步距取决于工件材料的硬度。铣削硬度为HRC30-50的工件材料时,最大径向走刀步距应为铣刀直径的5%;当材料硬度高于HRC50时,最大径向走刀步距和每次走刀的最大Z向切深均为铣刀直径的2%。
图5 铣削直壁时的吃刀弧长为37°,而传统的转角铣削吃刀弧长为127°(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

铣削直壁

在铣削加工带平肋板或直壁的开阔区域时,使用牛鼻铣刀效果最好。4-6刃的牛鼻铣刀尤其擅长对带直壁的外部形状或非常开阔的部位进行仿形铣削。铣刀的刃数越多,可采用的进给率越大。不过,加工编程人员仍需尽可能减少刀具与工件的表面接触,并采用较小的径向切宽。在刚性较差的机床上加工时,采用直径较小的铣刀比较有利,因为小直径铣刀可减少与工件的表面接触。
多刃牛鼻铣刀的使用方法(包括走刀步距和切削深度)与环形铣刀相同。它们可采用摆线刀具路径(或能控制刀具吃刀角度的新的刀具路径)对淬硬材料进行切槽加工。如前所述,最重要的是要确保铣刀直径约为槽宽的50%,使铣刀具有足够的移动空间,并确保吃刀角度不会增大和产生过多的切削热。

铣削石墨材料

切削石墨材料时,其高磨蚀性会使标准硬质合金刀具快速磨损,而磨损的刀具将无法精确切削出所要求的复杂几何形状。铣削石墨时,刀具路径和铣削方式并不是最关键的因素,采用何种类型的铣刀通常取决于石墨电极的形状。由于金刚石涂层铣刀具有极佳的耐磨性,因此被广泛应用于石墨铣削。在硬质合金刀具基体上生长的金刚石会形成硬度极高、可显著延长刀具寿命的耐磨涂层。金刚石涂层刀具的寿命要比未涂层的硬质合金刀具长10-30倍。
a)未涂层
b) 2-4μm金刚石涂层

c) 18-20μm金刚石涂层
图6 未涂层与金刚石涂层厚度分别为2-4μm和18-20μm的硬质合金铣刀刃口锋利度对比(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
例如,用一把直径12.7mm的未涂层硬质合金球头铣刀加工一个152.4mm见方的复杂石墨电极时,通常在铣削大约4小时后,铣刀切削刃的锋利刃形和细节特征就开始剥落。而一把金刚石涂层铣刀则可持续铣削98小时以上,其切削刃也不会发生剥落。
加工某些石墨工件形状(如薄肋板)、尖锐几何廓形和小尺寸工件时,对铣刀切削刃的锋利度要求特别高。在此类加工中,采用2-3μm厚的金刚石涂层可以延长刀具寿命和保持刃口锋利。由于这种比较薄的金刚石涂层成本较低,因此非常适合对刀具寿命要求不太高的低端加工。而典型厚度为18μm的金刚石涂层主要用于对刀具寿命要求很高的高端加工。
采用较薄的金刚石涂层,可使那些生产批量较小并希望降低刀具成本的模具制造商不必为了降低成本而牺牲刀具寿命。他们仍然可以发挥真正的金刚石涂层硬质合金刀具的性能优势,同时又能利用较薄的金刚石涂层来满足其特定的加工需求。如今的金刚石涂层厚度范围大致为2-25μm。
适合特定加工的最佳刀具不仅应取决于被切削材料,而且还应取决于所采用的切削类型和铣削方法。通过优化刀具、切削速度、进给率和加工编程技巧,就能以更低的加工成本,更快、更好地生产零部件。
原载:《工具展望》
上载于:2017-1-20 15:09:55

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