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用于粗铣加工的先进软件和刀具
作者:Teun van Asten MSc.
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钨钢铣刀, 立铣刀, 整体铣刀, 盘铣刀, 螺纹铣刀, ...
制造商从未停止过探求提高其加工速度、质量和成本效益的方法。为了满足该需 求,机床、CAM 软件和刀具供应商在不断地开发新产品和应用策略。这些产品和策略的结合可在特定加工场合中提供最高的生产率。例如,目前在粗铣加工领域的最新进展清楚地表明了综合应用先进金属加工技术的优势。

加工要素

机床是铣削加工的基础。为了有效地进行粗铣加工,机床必须具有足以抵抗切削力的刚度,以及为了最大限度提高金属切除率并缩短两次走刀之间所需时间而需要的轴向加速和减速运动的能力。此外,动力强劲的主轴还有助于确保高切削速度和高应用参数。最后,机床的 CNC 系统必须具有足够的计算能力来进行
预测,并满足对加工动力以及直线和旋转轴移动的快速变化的需求。

CAM 软件决定了这些需求将会是什么。在生成铣削刀具路径时,软件开发人员必须考虑从简单到复杂的各种铣削工艺。侧铣是一种基本的铣削工艺,在侧铣中,立铣刀的刀具侧面以特定的轴向 (ap) 和径向 (ae) 切削深度接触工件。在简单的侧铣加工中,每次走刀时刀具的径向吃刀量或接触弧的变化最少。因此,操作员可以调整接触弧,以充分利用高效的立铣刀设计特点,包括多个刀刃和较厚的增强芯部。增加刀刃数量能够提高进给率,而坚固的刀具芯部能够承受重型加工负载。

但是,槽铣的情况却有所不同。在铣槽应用中,立铣刀的整个直径都在切削中啮合,以形成 180 度接触弧。刀具上的负载要远大于侧铣中产生的负载,并且切屑更难清除,这意味着切屑可能会被再次切削,并最终会导致刀具的卡滞和断裂。

导热性不良的铣削工件材料(如不锈钢、钛和镍基合金)会导致这种问题更加严重,使刀具热量集中并加速了刀具的失效。因此,可能无法完全实现刀具的轴向切深性能。在逐渐增加的轴向深度下完成一个零件将需要多个步骤,延长了加工时间。槽铣通常还需要使用更小的切削速度和进给率,进一步降低了生产率。

先进的 CAM 软件允许操作人员采用复杂的切削策略(如摆线铣削),有助于进行槽加工。在摆线铣削刀具路径中,该软件可引导直径小于加工槽直径的刀具沿 X 轴和 Y 轴进行重复的圆周运动。刀具的径向吃刀量小于其直径的一半,圆周刀具路径可以有效地将槽铣更改为侧铣。刀具的接触弧大大减小,从而能够使用多刃立铣刀和更长的轴向切削长度来提高金属切除率并缩短加工周期。

介于简单侧铣和满刃槽铣之间的是涉及不同凹凸轮廓加工的铣削加工。随着最终用户对零件的要求变得更加复杂,这些情况日益常见,也增加了对不规则轮廓工件高效加工的需求。

关键问题在于控制刀具与工件的接触弧。在铣削凹形轮廓时,刀具的接触弧增大,增加了刀具和机床上的负载。在铣削凸形轮廓时情况相反;接触弧减小,切削效率受到影响。

软件供应商开发并改善了实时控制刀具吃刀量的刀具路径算法,能够高效、可靠地对简单和复杂轮廓进行粗加工。这些刀具路径通常将大轴向切削深度 (ap) 与小径向切削深度 (ae)、每齿高进给量 (fz) 和高切削速度 (vc) 相结合,显著缩短了切削时间并提高了金属切除率。除了提供更高的生产率,这些先进的粗加工策略采用平稳切削路径,无需快速更改方向或切削参数,因而减少了刀具上的负载,大大延长了刀具寿命。

计算粗铣刀具路径的最新软件策略采用两种基本方法。一种方法在铣削凹形或凸形零件时以恒定的进给率和接触弧应用刀具,并在走刀之间改变步距宽度,以实现最大金属切除率。第二种方法是保持恒定的步距宽度,但改变进给率和刀具的接触弧,目的是保持一致的切屑厚度。在第二种方法中,刀具的接触弧可以达到 80 度或甚至 140 度,具体取决于所使用的软件品牌。

用于先进粗加工工艺的刀具

两种粗加工方法的区别决定了不同刀具设计的应用。在很多情况下,第一种方法允许使用多刃和双芯型/增强芯型(如适用)刀具。此外,用户可以采用较高的轴向与径向轴向切削深度比。

第二种方法能以更高的速率移除金属,但刀具必须能够排除更多的切屑。设计采用第二种方法的刀具通常具有更少的刀刃,并且具有能够促进切屑流的敞开式芯部设计,或采用轮廓分明的刀刃型腔形状(高性能刀具)。

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Jabro HPM JHP951 轮廓分明的刀刃形状

通常,为大切削深度和宽度及重负载设计的刀具在任何一种方法中都非常有效。但在第二种方法中,多刃刀具和采用增强芯部设计的刀具在大轴向深度下遇到大接触弧时,将面临切屑控制问题。可用的轴向切削深度与径向切削深度之比更受限制。

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Jabro-Solid2 JS554-3C 双芯型应用

在某些应用中,添加特定的刀具槽型特征将提高刀具性能。例如,山高将分屑槽加入其 Jabro JS554-3C 立铣刀的切削刃中。这些分屑槽是刀刃上的一系列小槽,其间距是刀具直径的一倍。

无论轴向切削深度如何,分屑槽都可在切屑变得足够长并影响切屑的平稳排出之前进行断屑。因此,立铣刀能够以最大为刀具直径 3.5 - 4 倍的轴向切削深度进行加工。通过采用先进的粗加工 CAM 软件程序,这些刀具的加工周期可比传统方法缩短 60 - 70%。此加工周期的节省得益于更高的金属切除率以及更高效的刀具路径循环。

对于设计用于第二种先进粗加工方法的刀具(采用不同的接触弧和进给率),需要不同的槽型细节才能获得最高性能。这些刀具必须留出充足的切屑形成和排屑空间。例如山高的 Jabro JS554-2C 立铣刀,该刀具采用了从前向后呈锥形的芯部,这种设计能够在刀刃型腔内为切屑流提供更多的空间。芯部呈锥形在某种程度上确实可以降低刀具强度,但结果是刀具不适用于全直径槽铣。而另一方面,立铣刀采用修改的刀尖,提升了进行螺旋插补铣时的性能。举例来说,这种刀具选择可以在最大为刀具直径的 2.5 倍时进行粗铣。

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Jabro-Solid2 JS554-2C 锥形芯 CAM 通用版

先进的粗加工软件,与设计用于最大限度发挥其优势的刀具配合使用时,可提高每次铣削走刀的切削量,并带来更快的加工周期。涉及摩托车发动机铝壳加工的模具应用就是一个恰当的例子。制造商力求缩短在只使用高进给粗加工工艺情况下长达 15 小时的加工周期。

为了改善该加工过程,采用了山高 Jabro JS554-3C 刀具以及通过改变步距宽度来保持接触弧稳定的先进粗加工软件。该方法能够在 2.5 小时多一点的时间内完成大部分粗加工作业。移除了足够的材料,因此后续的高进给粗加工仅需要 4 小时即可完成。总体而言,粗加工时间减少了 55%。

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Jabro-Solid2 JS554 双芯型设计

结论

与在任何加工应用中一样,采用特定刀具和策略时应考虑到制造场合的各个方面。例如,当刀具切削长度超过刀具直径的四倍时,或采用长悬伸量刀具或用于不稳定机床或工件时,高进给铣削可能是本文中所述的先进粗加工方法的更好替代方法。通过将小切深与高进给相结合,高进给铣削方法将切削力轴向引导至机床主轴,以帮助提高加工过程的稳定性。

不同的应用策略适合其他制造场合。在某些情况下,专注于以高主轴速度和进给率轻快走刀的高速加工,或采用传统进给量和速度以及极高轴向和径向轴向切削深度的高性能加工将成为最佳选择(请参见附注,以了解各种刀具设计的详细信息)。在所有示例中,结合使用先进的铣削策略和软件以及专为在这些参数下实现最大性能而设计的刀具,将会在金属切除率、刀具寿命和成本效益方面取得最佳成果。

附注

加工策略推动刀具设计

将刀具设计与特定加工策略和生产情况进行匹配,提供了最大生产率。如正文所述,山高开发了双芯型和锥形芯型的先进粗加工刀具,每种刀具在采用不同的先进粗加工 CAM 策略时都能提供最佳性能。作为山高 Jabro 整体硬质合金立铣刀产品系列的一部分,这些刀具旨在实现中到高进给率和高切削速度。建议径向切削深度小于或等于刀具直径的 0.15 倍,轴向切削深度可以为刀具直径的 2 到 4 倍,具体取决于所使用的 CAM 软件。切削力和功耗为中等水平。这些刀具的刀刃具有能够最大限度地减少振动的不等齿距以及有助于自由排屑的分屑槽(如正文所述)。立铣刀的前端齿设计用于控制螺旋插补铣,而侧固式或高精度弹簧夹头的使用可产生最佳效果。这些刀具适用于广泛的常规工件材料。

另一方面,Jabro Diamond 和 Tornado 立铣刀设计用于以高切削速度和进给率加工淬硬钢和石墨,这些刀具可产生相对较小的切削力并降低功耗。对于这些刀具,轴向切削深度通常等于刀具直径,而径向切削深度要小于刀具直径。高速刀具具有小螺旋角、短切削长度和大芯径,能够提升高速下的稳定性。它们可采用 PVD 涂层,在用于石墨加工应用时还可采用金刚石涂层。推荐使用热胀式或高精度弹簧夹头,以确保高速下的刀具安全性和加工精度。

较低的常规切削速度和进给量,结合高径向和轴向切削深度,使山高的高性能系列刀具能够产生高金属切除率。高性能方法采用中等进给率和切削速度,以形成高效的高切削力并能有效利用机床功率。轴向切削深度最高可达刀具直径的 1.5 倍,而径向切削深度等于或小于刀具直径。这些刀具可采用高进给参数,且其不等齿距可以最大限度地减少振动。切削刃研磨和抛光的 PVD 涂层提升了加工软钢、中硬钢和硬钢、不锈钢、高温合金和钛时的性能。推荐使用侧固式或 Safelock 刀柄。

山高的高进给刀具还可产生高于平均水平的材料移除量,但它们是以中等切削速度和进给率进行加工。切削刃槽型能使刀具产生低切削力并降低功耗。高进给刀具可将切削力轴向引导至机床主轴,并且在长刀具悬伸量、工件及刀具夹持不稳定条件下进行铣削时非常有效。断屑槽型允许采用优化的进给率。径向切削深度通常是刀具直径的一半,而轴向切削深度要小于刀具半径。为获得最佳刀具安全性,热胀式或高精度弹簧夹头是推荐的刀柄选择。

当然,并非所有加工厂或应用类型都需要使用专为特定应用或采用 CAM 应用而设计的刀具。对于小型加工厂或较大生产场合中的偶然应用,设计用于一般加工应用的立铣刀可提供最符合要求的、经济高效的成果。用于一般应用的山高 Jabro 整体刀具包括可确保稳定性的双芯型设计、能实现轻快切削加工的大螺旋角、用于最大限度地减少振动的不等齿距,以及通过轮廓分明的研磨提高强度的切削刃。这些刀具能以中等切削速度和进给量进行加工,并可产生平均水平的切削力和功耗。径向和轴向切削深度通常等于或小于刀具直径。

作者:Teun van Asten MSc.,山高刀具集团整体铣削营销服务部工程师

山高总部设在瑞典法格斯塔市,在超过 75 个国家/地区设有办事处,是为铣削、车削、孔加工和螺纹加工领域提供全面金属切削解决方案的全球最大供应商之一。另外,80 多年来,公司一直与各行各业的制造商密切合作,提供他们所需的刀具、工艺和服务,帮助他们获得最高的生产率和最大的利润率。如需了解详细信息,请联系当地的山高代表或访问 www.secotools.com。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (3/23/2016)
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