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数控机床/铣床 |
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如何使用高速切削加工模具 |
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作者：力丰精密机床有限公司 |
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“高速切削” 一词在金属加工行业中正越来越流行，不论是机械制造商、刀具制造商，或是从事金属加工的厂商等都在积极探讨中。所谓高速切削，广义来说就是以立铣刀作高速旋转，同时机床也以高速度的进给来进行切削或加工。需要注意的是，在不同行业的领域或应用上对高速切削的定义会有所不同。高速切削并不等同于代表高生产量或高制造量，但它肯定有助于提升生产量及有关的质量。
在20世纪30年代航空业的需求下，非铁金属 (以铝合金为主) 的零部件加工数量逐渐增加。约于1931年，德国工程师 Carl Salomon提出 “高速切削”理论——以高切削速度来加工 (5～10倍的传统切削速度。以硬质合金刀具为例，以往传统机床能抵受的最高切削速度约为600 SFM（180m/min），进给约为40IPM（1m/min)），降低切屑从刃口移出时的温度……, 从而最终提升材料的移除速率，增强生产力。由于当时的冶金、机床、控制、刀具等方面的技术还不如现今发达，所以对于该理论的应用只是处在初级阶段，如提升切削速度时，只能以增加刀具的直径及切削刃数来替代高进给等，效果自然不甚理想。不过，高速切削的确可降低切屑从刃口移出时的温度，特别是铝及非铁金属，它们较铁质合金及生铁有着更为显著的降温效果(见图1)，从而可以大大增加刀具的寿命。
图1 高速切削对于不同材料刀具的降温效果比较
对高硬度金属来说，放电加工是最有效的加工方法之一，但放电加工所需的时间很长，不易对成品的精准度及表面的光滑情况等进行控制，且表面或局部材料的性质会被放电时产生的高温 (局部可达8 000℃或以上) 所改变。随着机械制造、电子计算机、伺服控制系统等技术的进展，高速切削的应用得以日趋成熟，除应用于非铁金属之外，于20世纪90年代期间更被引入到铁金属及其他合金金属的加工中，之后更是盛行于模具制造行业。直接对模具做出复杂的三维高速切削可大大缩减加工时间 (对深穴或其它特殊加工除外)，且可获更佳的效果，这是高速切削应用于制模业的优势。另外，以高速切削加工石墨电极会有更佳的回报。高速切削也适合加工复合零部件，如涡轮增压机的叶轮及叶片等。现时一般对应用于加工钢材的高速切削的基本准则是：被加工材料的硬度为洛氏50或以上，表面切削速度在300m/min或以上，可编控的进给速度为25m/min或以上。该准则是从研究与实践中得来的，实践证明，以4～6倍于传统的切削速度来加工高硬度的钢材，既能获得不俗的加工效果，同时又能平衡各方，包括用户及机床、控制系统等的制造商之间的利益。
高速切削在模具加工方面的应用建议
用户在应用高速切削设备时，应注意以下方面：
(1) 经有限元分析(见图2)而设计制造的机床较传统的机型纤巧，而且具有更强的刚性，可抵御高速切削时由急速移动带来的动态变化，从而保持位移的精确度。
图2 经有限元分析而设计制造的高速切削机床
(2) 加工体积不大于400mm (长) × 400mm(宽) × 150mm(高) 的模具最具经济效益。
(3) 经热处理后，硬度达洛氏63的钢材，仍可以应用高速切削来做出修正。
(4) 采用适合高速切削的电脑辅助设计软件及控制系统，可使高速切削更加流畅和顺滑。
(5) 使用通过动平衡修正的刀具夹头 (HSK类型) 及整体性硬质合金刀具，有助减低对主轴及刃具所造成的振动，以及保持工作面应有的光洁程度。
(6) 采用适当的比例来夹持立铣刀 （刃具在刀夹内的最少长度为2倍于刀具的直径）可增加其刚性，减少振颤的情况出现；不良的夹套，或不合适的锁紧将使刃具产生翘起的现象；热缩性设计的刀头，具有较强的刚性及同心性，有助于增加表面的光洁度。
(7) 刃具的工作长度以短为佳，因挠度与长度成正比；在一般加工情况下，刀具外露于夹套的长度在3倍于刀具直径或以下时，将有较佳的工作效果（请结合实际加工所需及参考各刀具生产商建议的切削指引或参数）。
(8) 铣削不同硬度的材料时，需考虑刀具的涂层。如涂有TiN 或 TiCN的硬质合金刀具较适合铣削洛氏硬度42或以下的合金钢材，涂有TiAlN 的硬质合金刃具较适合铣削洛氏硬度42以上的合金钢材，多晶立方氮化硼涂层刀片较适合切削洛氏硬度60~65的硬质材料（请参考各刀具生产商建议的切削指引或参数）。
(9) 采用快速排屑形刀具 （直径与排屑槽长度的比例为1~1.5），将有效防止切屑在工作表面上堆积，以及防止产生不必要的热区。
(10) 以刃具在加工时接触到工件的有效工作直径 （Deff） (见图3)来运算主轴的转速，较以刃具的直径来计算更为准确。在计算出最佳转速后，必须考虑切削时刃口与工件接触的频率是否与自然频率(2000Hz)产生谐振，以免使刀具产生不必要的振颤从而影响工件表面。
(11) 采用浅薄式的轴向进刀 （ap ） (见图3)，有助于减轻刀刃的负荷及刀具的变形量，而且仍能保持效率；每次ap的进刀量，应不大于刃具直径的10% （粗切削：6~8%；中切削：4~6%；精切削：3% 或以下。请参考各刃具生产商建议的切削指引或参数），同时也需对被加工材料的硬度及加工所需的精度做出适量的调整。
图3 高速切削刀具示意图
(12) 径向进给量 （ae） (见图3)影响着工件表面的圆滑情况，ae应小于有效切削直径的35% （粗切削：25~30%；中切削：15~20%；精切削：10%或以下。请参考各刀具生产商建议的切削指引或参数），同时也需对被加工材料的硬度及加工所需的精度做出适量的调整。
(13) 进给将影响着刀具的寿命及工件表面的光洁度。每刃的进给量应尽可能控制在0.2~0.02mm 范围以内，同时被切削材料的硬度、刃具的涂层及长度也需考虑 （请参考各刃具生产商建议的切削指引或参数）。
(14) 采用油雾方式 (压缩空气混合适量的低黏度切削液)，以替代传统水剂冷却液及直接冲走方式。一般而言，冷却液的黏度不能太高，因为高黏度冷却液并不一定能将切屑带走，反而可能将切屑黏附在刀具上面，从而对进行中的切削造成阻碍。
(15) 若电脑辅助制造系统内具有高速的切削模拟功能，可有助于减少在高速切削时发生不必要的错误。
(16) 用户虽已意识到加工前对主轴进行预热的重要性，却往往忽略了加工后对主轴进行降温的重要性。虽然一般的高速运转主轴已配置冷却的装置，用以保持或降低主轴在工作时所产生的温度(以主轴的内部为主)，但经长时间的工作后，主轴外围及周边的温度会显著升高。主轴内外的这种温差，会使其在停止工作后因空气中的水份在主轴外壳等表面上凝结而导致在无保护或运动较少的部件表面上产生锈蚀，进而影响机床的运作。因此建议，在加工完结后，将主轴移放到安全位置，以中速及低速各空运转10来分钟，以减少温度的差异，从而减少上述情况的发生。
高速切削对工具机与资料传送的要求
高速切削对工具机与资料传送的要求包括：
(1) 高刚性机座并须具有吸纳振动能力；
(2) 主轴转速范围：约20 000 r/min (不低于10 000 r/min)；
(3) 主轴功率：约22 kW；
(4) 可编程进给速度：20~40m/min；
(5) 快速移动：约40m/min；
(6) 座标加速或减速能力：约1g；
(7) 指令句处理时间：1~20ms；
(8) 以太网资料传送速度：250Kbits/s；
(9) 增量值 (线性)：5~2μm；
(10) 通过NURBS来执行圆弧插补；
(11) 主轴内应耐高温及具有高稳定性，主轴轴承应有适当的预压及冷却；
(12) 多元性的误差补偿：包括温度 （由工作间、机床部件运动时的相互摩擦造成）补偿，滚珠丝杆补偿等；
(13) 贯通主轴的吹风或高压冷却液传送系统（次要需求）；
(14) 数控系统需配先进的工作预检功能（次要需求）。
切削计算实例
(1) 如图3所示，假设2刃球形立铣刀直径 Dc = 8mm，则半径 c = 4mm。轴向进刀量 ap为刀具直径的8%，即ap = 8 × 0.08 = 0.64mm。故球立铣刀的有效工作直径 Deff = 2 × [42 – (4 - 0.64)2]0.5≈4.34mm；
(2) 假设被切削材料的切削速度 Vc = 250m/min，故主轴速 N = （Vc × 1000） / （π × Deff）= （250 × 1000） / （3.1416 × 4.34） ≈ 18 500r/min；
(3) 假设球形立铣刀每刃的进给量Fz = 0.05mm ， 刃数 Z = 2，故机床的进给速度 Vf = （N × Fz × Z） / 1000= （18 500 × 0.05 × 2） / 1000 = 1.85m/min；
(4) 假设径向进给量ae为有效工作直径的30%，即ae = 0.3 × 4.34 = 1.302mm，故移除量 Vr = Vf × ap × ae= 185 × 0.064 × 0.1302= 1.542 CM3/min。
关于力丰精密机床有限公司
力丰精密机床有限公司为力丰（集团）有限公司全资附属公司。该公司在中国和香港是著名的金属切削机械和相关附件供应商，在广东省拥有完善及经验丰富的销售和维修网络。力丰与国际知名的机床及数控系统专业厂家——日本大隈株式会社有着近20年的合作，主要代理大隈（OKUMA）品牌加工中心及电脑数控车床，至今共售出1 000多台OKUMA机床。
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(3/23/2009) |
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