提高机床的生产能力

作者：Peter Zelinski

欢迎访问e展厅 展厅 3 数控机床/铣床展厅 数控铣床, 摇臂铣床, 立式铣床, 转塔铣床, 炮塔铣床, ... 提到机械加工厂的固定设备，Mark Mills 和其他厂主都知道投资与回报的对应关系。对于质量要求和交付周期最棘手的零件来说，高速度、高精度和高加工能力的高端机床是至关重要的。Mills 先生的工厂有朝一日可能会拥有一两台这样的机床，但是现在还没有达到这一步。 如今他依赖于高速切削从现有设备获得尽可能最大的价值，并且由于他在铣削精密型面方面积累了高进给速度、浅切削深度的经验，使他能够以廉价的加工中心同拥有昂贵机床的工厂竞争复杂的3D铣削任务。顺着这个话题，他用事实说明哪些因素可能对于高速切削最重要，高速切削不需要昂贵的机床。 他的工厂是印第安那州Elkhart市的Cherub Technologies，也许让您猜中了，这个厂很小，而且新建不久。事实上这家公司只有两台CNC 机床，两名专职雇员，并且经营不到两年，同本刊通常谈论的公司或工厂无法相提并论，然而它的成功之举可能使很多大公司从中受益。Cherub通过实现有效的高速切削工艺，明显提高了标准机床的生产能力。该厂开始时只加工产品零件，而现在使用相同的机床 — 最高速度10000 rpm的立式加工中心，加工利润比较大的模具和电极。 增速 确切地说，主轴速度没有增加，但切削刀具的速度有时会增加。Mills 先生一开始利用主轴增速器进行高速切削，增速器（密执安州Plymouth 市Koyo Machinery公司制造）基本上是一个带变速器的刀架，在减小切削力的条件下把刀具转速提高到30000 rpm。 Mills在以前工作的工厂使用这种增速器提高一些简单产品零件的切削速度。不过，在自己开办工厂以后，他希望从事复杂的3D 铣削加工，在这样的情况下，控制和程序设计技术对于高速切削非常重要。他从一台Haas自动立式加工中心（Haas VMC）开始实施高速切削，这台机床装有Creative Technology的（在伊利诺州Arlington Height）高速CNC，并使用Sescoi USA (在密执安州Southfield)的3D 加工CAM 软件。有时候他在这台机床上利用增速器铣电极上的细节尺寸。后来他又购置了一台Haas VMC，用这台装有标准CNC的机床加工产品零件，有时候则利用增速器在这台机床上钻孔。 换句话说，增速器派上了合适的用场，不过这个附件在其它方面的用途也许更有意义：Mills用它来说明高速切削的有效性，给怀疑高主轴速度和进给速度能否有效得到利用的人们一个答案。为了证明可以有效地应用高主轴速度和进给速度，他在钢件上钻一排孔，首先他采用比较常用的主轴速度和相应的进给速度2或3 ipm。选择这些参数的原因是许多工厂习惯于在这个范围内进行钻削。然后，他装上了增速器，以25 ipm的速度钻同样的孔，孔的质量一般未受任何的损失，在优质钻头上也没有造成明显的应变。 这样的试验有助于Mills 本人逐渐适应高速切削，在他前进的过程中，亲眼目睹以不寻常的速度有效进行加工的过程，也给予他挑战其它先入之见的信心。实践证明这种信心对于模具加工尤其重要，因为在加工模具时，高进给速度和浅切削深度相结合，从而达到提高材料切除率和“接近最终形状切削”的目的，并且可以缩短机加时间，减少钳工工作量和避免使用镶刃刀具加工复杂模具的细节部位，以达到节约的效果。在加工模具和电极时，高速切削不仅仅是一种比较快的工艺，而且是一种截然不同的工艺。 Mills说，为了实现这样的工艺，“第一步是排除思想上的障碍。”至于如何把想法付诸行动，他说要“从刀具着手”。他的忠告是“花钱并尽可能购买最合适的刀具。” 好刀具能够作什么 Cherub采用氮化钛铝(TiAlN )镀膜的细晶粒硬质合金立铣刀进行高速切削，这种刀具的价格可能比类似刀具高7倍，但是只要它们能够快速切削，并且几乎或根本不损失刀具寿命，机床就可以产生比较高的单位产值。对Mills 来说，昂贵的刀具物有所值，值得投资。 事实上在这类刀具究竟能够快多少的问题上也许被厂家打了折扣。Mills对工艺进行了仔细的设计，使切削平稳一致，即刀具在整个切削过程中不受太大的载荷变化。Mills发现他在10000 rpm下铣削时，经常可以采用大大超过厂家推荐的进给速度。他说在一般情况下参数好象选择得比较保守，也许刀具厂家的选择依据是假定很少有人会象他那样注意实现平稳一致的切削。 如果超越正常切削参数意味着超越刀具的安全极限，那么这种作法是不可取的。不过他的试验一般涉及进给速度，因此他认为有理由增加切削负载，直到发现刀具可能达到的最高速度为止。在他的最高速度10000 rpm正好落在厂家推荐的速度范围以内的情况下，更有理由这样作。 就不同厂商提供的刀具而言，重复进行这种试验是值得的。他说 ：“不要只凭两个刀具具有相同的标志就臆断它们是一样的。”相反，他发现刀具的性能随着卖主的不同而有明显的差异。他说对于经常使用的刀具，须试验几个不同厂家的相同产品。 有时候，他的试验把他带入根本没有推荐参数的主轴速度和进给速度范围，这是使用TiAlN 镀膜刀具经常发生的事情。镀膜对切削硬质金属或非常高的切削速度效果最佳，然而当该厂用10000 rpm 的速度切削45 Rc 钢时，镀膜显不出硬度和速度的特点。在这种情况下，Mills 的唯一选择是提高进给速度，而且他发现切削较软金属的镀膜刀具在大切削负载下性能不错（见本页上的范例）。 诸如此类的发现对刀具生产厂家很有价值，Mills 应邀帮助他的主要供应商（俄亥俄州辛辛那提C. W. Vordenberge 公司）研究详尽的速度、进给率推荐数值表，为此Mills检查控制自己使用的刀具寿命并且报告跟踪数据。供应商希望通过比较详尽的数值表来延伸推荐使用的切削参数范围，并且说明加工过程中影响切削稳定性的因素，如以下几点： 快速而稳定 提起达到高速切削刀具的长寿命时，Mills先生说稳定性是最重要的条件，即使在难以切削的情况下也一样。问题不一定是切削引起的稳定负载，它不会磨损刀具；问题是刀具在切削过程中遇到的骤然或短时负载变化。一旦排除这些变化，刀具寿命就可以大大延长。不过，达到稳定性可能需要花时间，因为在整个加工过程中也许有几个成分必须加以改进，如： ◆ CNC — Cherub采用的高速控制器具有前瞻控制功能，以防止刀具在通过突变型面时由于进给速度太快而导致过冲。也就是说，该厂采用的CNC可以保护刀具免受突然出现的过大负载。 ◆ 刀柄 — 刀柄应尽可能使刀具接近中心线，以确保铣刀的各个刀刃产生同样的切削深度。有朝一日Mills会依赖液压膨胀刀柄或收缩夹头实现同轴刀具固定。至于现在，他采用优质套筒夹头来保证刀柄提供同轴夹持力。 ◆ 刀具路径 — 刀具路径大概是这一连串因素中最重要的工艺成分，必须针对每一个零件重新加以分析。这一切削策略和前两个因素不同，它不是一旦买到手就能够安装就位的零件。 Mills先生借助CAM系统实现切削的稳定性，而铣复杂型面的传统方法 — 来回平行走刀 — 可以导致切削负载发生异常变化。Cherub所用的软件适合于用比较复杂的刀具路径铣型面，该软件根据具体情况计算路径，以使负载保持稳定。 不过Mills说这个软件只能作到这个地步而已，同样重要的一点是程序员必须仔细考虑工件的形状。在圆弧倒角等特征部位，精铣铣刀有可能遇到过大的加工余量，这些部位首先需要清理，然后再精铣。如果刀具不能持续使用到完成精切削，其原因不在于速度和进刀速度，而有可能在于加工余量过大的部位，正是加工余量太大才造成刀具磨损太快。 时间就是金钱 由于把高端刀具和连续切削面相结合，并且在高进给速度下进行铣削，致使该厂在便宜的机床上达到较高的工时费，Mills先生认为加工石墨电极的工时费率尤其比较高。 不过他说关键在于“认为”二字，他尽量缄口不谈工时费率，而是直接根据规定工时对零件进行报价。高工时率相当于切削时间少，这使报价比较便宜。尽管如此，客户会因为工时费率较高而却步。 结束语 在10000 rpm下能作什么？对于这个有效利用主轴速度的工厂而言，似乎在不久的将来有可能进一步提高切削速度。(end)

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