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铣刀 |
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高效加工中等强度钢的苞米齿铣刀 |
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作者：赵炳桢 译 |
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高效切削（HPC）技术问世至今，几乎受到了制造业所有重要工业部门的青睐，并且随着切削刀具和机床的不断发展，已在很多企业得到了应用。HPC粗加工追求最大的金属切除率，并以此来降低制造成本。对于立铣刀来说，要实现上述目标的通常做法是将适用的硬质合金材料和涂层的性能与刀具切入的条件结合起来考虑，这也是目前应用高速钢铣刀进行铣削加工的做法。
如何在老式机床上实现HPC加工
在铣削加工中，高的金属切除率是通过大的径向和轴向吃刀深度和高的进给速度来实现的。与高速切削（HSC）相比，在HPC条件下刀具切削刃所承受的切削力要大得多，因为高速切削的特点是切削截面较小，因而切削力也较小。因此，将连续切削刃的立铣刀用于HPC加工时，所产生的较大切削力就会妨碍刀具在老的和性能不稳定的机床上使用，这种机床往往显得功率不够大。出于加工的需要，通常会提出如何在功率较小的老式机床上实现HPC铣削加工的问题。
在过去几年里，许多刀具制造商采取了一种策略，就是针对各种不同的工件材料类别开发连续切削刃的硬质合金粗加工立铣刀，尤其在加工高强度钢时，连续切削刃刀具证明是可靠的。HPC加工时，较大的切削力会使苞米齿铣刀在很多情况下出现崩刃，从而降低刀具的耐用度。在加工某种强度略低于1000N/mm2的钢材时，就出现了这种失效现象，究其原因是硬质合金材料缺乏足够的韧性。
随着高韧性硬质合金材料的开发，为开发可用于粗加工的苞米铣刀提供了可能，也推动了苞米铣刀结构的创新。新的苞米铣刀不仅加工效率高，而且可以用于功率相对较低的机床，例如，NX-FP型硬质合金粗切苞米铣刀可显著降低切削力，尤其适合加工低强度钢。
苞米齿切削刃减小了切削力
对于一个给定几何形状的切削刃，切削力的大小满足以下关系：切削力与切削宽度成正比，与切削厚度成指数关系。根据理论分析可知，圆弧齿的苞米铣刀（NF）的切削力可比连续切削刃的铣刀降低20%。由于切下众多小块切屑所作的功之和要小于切下一整块切屑所作的功，所以这个理论值还只是一个下限值。
为了证实上述理论分析结论，对硬质合金苞米铣刀和连续切削刃铣刀进行了试验对比（工件材料56NiCrMoV7，刀具直径10mm，Vc=80m/min，fz=0.05mm，ap=5mm，ae=10mm）。得出的这两种刀具切削力平均值的关系为：前者比后者低23.5%(见图1)，与理论值十分接近。因此，为了充分利用机床主轴的功率，应较用于HPC加工的粗铣刀设计成苞米齿。此外，由于整块切屑被分为小块切屑，有利于排屑，使切削过程更可靠。
(工件材料56NiCrMoV7，刀具直径10mm，Vc=80m/min，f=0.05mm，ap=5mm，ae=10mm)
图1 连续切削刃与苞米齿切削刃的切削力比较
刀具寿命也得到提高
开发HPC铣刀时，应对刀具材料、涂层和刀具的宏观、微观几何形状三者进行优化组合。尤其是对于苞米齿铣刀，会由于机械负荷而在齿形的高点产生崩刃，因此更有必要根据有利于提高刀具寿命的原则对齿形几何形状、螺旋角、前角、后角等参数进行优化。
对于一把立铣刀，除了已经提到的降低切削力以提高加工效率外，从使用的经济性考虑，还应使刀具寿命尽可能长，即磨损尽可能慢。为此，在切削时切削刃应只有正常磨损，如出现崩刃则说明刀刃有局部过载现象。造成局部过载的一个重要原因是切屑的截形，而切屑的截形又取决于苞米齿的几何形状、刀齿的螺旋方向、头数、刀具的齿数以及每齿进给量。下面对这些因素逐一加以说明。
图2的上、下两图列出了两种不同的切削截形的每齿进给量相同，唯一的区别是苞米齿分布的螺旋方向不同。对于给定的齿形，苞米齿沿左旋螺旋线分布时，刀齿在切入工件时有较大的切屑厚度，然后逐渐减薄；刀齿沿右旋螺旋线分布时，刀齿在切入工件时切屑厚度较薄，然后逐渐增厚。试验结果表明，前者优于后者。为此，新开发的NX-FP硬质合金粗切铣刀采用了单头左旋的苞米齿分布方案。
图2 切削截形与苞米齿螺旋走向的关系
设计齿形的另一个关键因素是齿形的深度，在单头螺旋的情况下，齿形的深度应远大于每齿进给量，否则一旦某一个齿出现崩刃，紧跟着的刀齿就可能不再分切而产生整块切屑。例如，用一把直径12mm具有新齿形的苞米铣刀进行切削试验时，如果选用0.11mm的每齿进给量，则切屑不再被分切，因此对这把铣刀推荐的每齿进给量应小于该试验值。
螺旋角也是一个重要因素，也会影响刀齿的形状。例如，45°螺旋角能够实现平稳的切削，这是因为较大的螺旋角使每个刀齿的切入成为侧向渐切的过程，可显著减小对刀齿的冲击载荷，从而可以减少崩刃危险，延长刀具寿命。
此外，径向前角和端刃几何参数也是需要考虑的另一些重要因素。在此，设计人员可借助于用连续切削刃铣刀（HX）高效加工高强度钢时所积累的经验，将NX-FP铣刀设计为负前角，前角可根据直径大小在0～10°范围内选取。加强型的端齿几何形状也可用于新型粗铣刀，尽管不很适用；设计端齿时还应考虑斜坡铣削和螺旋插补沉切的要求。
设计一把最佳的苞米齿铣刀还需要考虑许多重要因素，包括选用新开发的高强度硬质合金材料和新型Cr基硬涂层。新一代苞米齿粗切铣刀的技术特点见图3。
图3 新一代苞米齿粗切铣刀的技术支持点
高效加工强度低于800N/mm2的材料
对以上介绍的新型苞米齿粗切铣刀的性能进行了大量试验研究工作。首先进行了刀具的金属切除率和寿命试验。试验证明，在加工强度低于800N/mm2的材料时加工效率提高最大。试验工作将粉末冶金高速钢的高效粗切铣刀和现代连续切削刃的硬质合金HPC粗切铣刀作为参照物。
如图4所示，在每种新刀具都采用最佳切削参数的条件下，其金属切除率是不同的。虽然苞米铣刀采用较低的切削速度和较小的每齿进给量，但由于切深量ap、ae较大，其金属切除率显著提高。
图4 三种16mm粗切铣刀的金属切除率比较
除已证明新型铣刀可提高加工效率以外，下面的例子还将证明新型铣刀具有较长的寿命。加工对象为中等强度（约1000N/mm2）的热作模具钢，径向切深ae为6mm，轴向切深ap为18mm（1.5×D），每齿进给量fz为0.05mm，切削速度Vc为90m/min。切削试验显示，切削过程轻快平稳，主轴功率消耗较低，主切削刃磨损较小。图5所示经过88分钟切削后，刀具后刀面的磨损情况表明这把刀还可继续使用，此时的金属切除量已高达4540cm3。
图5 12mm苞米齿粗切铣刀工作88分钟切下4540cm3工件材料后的后刀面情况
下一步的刀具寿命试验是对同一种材料进行槽铣加工（铣刀直径12mm，z=4，Vc=90m/min，fz=0.04mm，ap=12mm，ae=12mm，n=2390r/min，Vf=382mm/min），NX-FP铣刀的切削长度达29m，是进行对比试验的连续切削刃铣刀的1.9倍(见图6)。
(铣刀直径12mm，z=4，Vc=90m/min，fz=0.04mm，ap=12mm，ae=12mm，n=2390r/min，Vf=382mm/min)
图6 苞米齿与连续齿铣刀的切削路程比较
加工低强度钢时具有相当大的节约潜力
过去几年里，在提高高强度钢的铣削效率方面已作出了很大努力，如高速切削、硬切削等。然而较少关注铣削低强度钢的潜力以及应用现代铣削刀具发掘这一潜力的可能性。
新型刀具所提供的降低加工成本的可能性因以下事实而显得更有意义，即强度在1000N/mm2以下的低强度钢的总使用量要明显多于高强度钢，尤其是借助本文介绍的粗铣刀具能够提高老式机床的效率和实现加工的合理化。
摘自《工具展望》 (end)
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(投稿)
(9/21/2006) |
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