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减薄切屑的高进给粗铣加工技术

  粗铣加工的目标是以最短的时间从工件上切除尽可能多的金属材料。虽然材料去除率的大小主要取决于加工机床的有效功率(马力),但是,通过采用径向减薄切屑厚度的方法,即使在一台小功率的机床上,仍然可以实现生产率的最大化和保持加工要求的切削条件。

  径向切屑减薄(radial chip thinning)是铣削所采用的径向切削宽度(WOC)ae小于铣刀直径的25%时所产生的一种效应。随着径向切削宽度的减小,基于设计每齿进给量fz的切屑厚度也将随之变薄,从而导致实际每齿进给量fz减小,而fz的减小会使刀具与工件表面发生刮擦而无法切入工件,因此当径向切深减小时需要增大每齿进给量fz。采用减薄径向切屑厚度的高进给铣削方式可以缩短加工时间,延长刀具寿命。

  刀具主偏角的变化

  刀具的主偏角是实现切屑减薄最重要的因素。当采用较平的刀具主偏角χ时,刀具以90°主偏角开始切入,随着切削的进行,主偏角逐渐减小,切屑厚度h也随之减小。

  在加工某一类特定的工件材料时,为了获得最佳的切屑厚度,需要采用不同的切削参数。编制CNC加工程序时需要输入的每齿进给量可用以下公式计算:fz=h/sink。针对某一类工件材料给出的h值有一个数值范围,其中较小的数值为切削始点的切屑厚度值。在机床功率达50hp的加工中心上铣削加工铝或非铁族合金时,推荐的切屑厚度范围为h=0.002″~0.003″(0.051~0.076mm);加工不锈钢、铝合金和耐热超级合金时,推荐的切屑厚度范围为h=0.003″~0.006″(0.076~0.152mm);加工钢、铸铁和球墨铸铁时,推荐的切屑厚度范围为h=0.006″~0.010″(0.152~0.254mm)。如果采用大于推荐值的切屑厚度,则要冒刀片过载和切削刃崩损的风险。

  无论刀具主偏角为90°、60°、45°、30°或更小,切屑厚度将始终保持不变,只有圆形铣刀或纽扣铣刀所使用的圆刀片例外。由于圆刀片的顶部无几何刃型,加之倒棱极小,因此其切削刃的强度最高。

  与直刃刀片不同的是,圆刀片切出的切屑厚度将随着切削深度的增加而增大。因此,可采用平均切屑厚度hm来表示圆刀片的切削厚度。hm值是根据通过刀具直径的圆刀片与工件径向接合处的切屑厚度来确定的。对于不同类型的工件材料,典型的hm值选取范围与上述h值的选取范围相同。

  将一种圆刀片(RDMT2006)与一种90°刀片(ADMT1606)的切削情况作一比较。如果两种刀片采用相同的切削深度和每齿进给量进行切削,则它们切除的切屑量也完全相同。但是,如果当切削深度为圆刀片内切圆(IC)的1/2时,圆刀片的切屑厚度将减薄30%,这是因为圆刀片与工件径向接合的切削刃较长的缘故(见图3)。换言之,如果圆刀片和90°刀片各自切除的切屑量相等,而圆刀片切削产生的切屑长度比90°刀片长约50%,则圆刀片切出的切屑厚度必然会大幅度减薄。此时,如果进给量保持不变,而切削深度减小至等于纽扣铣刀内切圆的25%,则在切屑量相等的情况下,纽扣铣刀切出的切屑厚度将减薄50%。为了达到通过减薄切屑厚度来提高生产率的目的,选取的最大切削深度应为圆刀片内切圆的20%~25%。

  由于切屑厚度随着切削深度的变浅而减薄,因此,为了获得高水平的加工生产率,需要通过提高进给率来补偿较小的切削深度。无论是使用圆刀片或是小主偏角的铣刀,均可利用切屑减薄效应来实现高进给率铣削,这是因为随着圆刀片切削深度变浅,主偏角也随之变平。因此,在确定输入CNC加工程序的每齿进给量时,将变量平均切屑厚度hm和主偏角kχ代入计算公式fz=hm/sink中,进给率可获得大幅度提高(可增加1倍)。

  为确定纽扣铣刀的有效主偏角,可用以下公式计算:tank=ap/(ICeff/2)k=有效主偏角(式中ICeff为有效内切圆)。

  需要注意,当切入角为90°时,输入加工程序的每齿进给量与切屑厚度是相等的。如果减小主偏角,切屑量仍将保持不变,但刀具切削刃与工件的接合长度会增大,由此产生的切屑厚度将小于程序设定值,但切屑会变长。在切削深度小于圆刀片半径的情况下,为了将切屑厚度增大到程序设定值,则需要提高刀具进给率的编程设定值。因此,虽然圆刀片产生的切屑与主偏角为90°的直刃刀片所切除的切屑厚度相同,但纽扣铣刀切除工件材料的进给率却要高得多。

  当然,为了切除一定量的工件材料,对加工机床的功率也有一定的要求。如果刀具的进给率提高1倍,则加工机床的功率也需要增大1倍。
在粗铣加工中,采用90°主偏角的铣刀对于提高加工生产率最为不利,但这种铣刀却比较适合加工90°的台肩,因为它不需要二次走刀进行清根作业。有些加工车间为了减少所用刀具的种类,主要采用90°直刃铣刀进行铣削加工。在其它情况下,这种铣刀并非必需。

  在切削深度保持不变的情况下,圆刀片越小,其加工效率也越低,这是由于小刀片的主偏角较大,将其代入每齿进给量计算公式得出的设定进给率也较小。此外,当圆刀片的切削深度增大时,其加工效率也会降低。因此,当一把纽扣铣刀采用等于其内切圆的50%(IC/2)的切削深度(可能采用的最大切深)进行铣削加工时,它切出的切屑厚度与加工程序设定的每齿进给量完全相等,且其加工效率与使用45°主偏角的直刃铣刀相同。但是,如果该纽扣铣刀的圆刀片有4个切削刃,则它的加工成本/效率(cost-effective)比使用45°双面刀片要高,因为45°双面刀片共有8个切削刃(纽扣刀片只在单面有切削刃,而45°双面刀片两面均有切削刃)。

  使用圆刀片获得切屑减薄效应的限制因素之一是切削深度。最大的标准圆刀片直径约为0.800″(20mm),因此进行高速铣削时的最大切削深度为0.200″(5mm)——或许可达到0.250″(6.35mm)。虽然45°直刃铣刀可以更大的切削深度进行铣削,但纽扣铣刀可在粗铣加工编程时采用二次走刀(如果需要的话)实现比其它刀具一次走刀更高的切削效率。

  采用切屑减薄技术进行加工时,如果生成的切屑过薄,刀具与工件表面就会发生刮擦现象。例如,用大倒棱刀片以极低的每齿进给率进行切削时,切屑难以正常成形,也无法顺畅流动。

  切削力方向的变化

  当刀具主偏角变平、切屑减薄时,切削力的方向也会发生变化。例如,用45°主偏角的铣刀进行切削时,轴向切削力与径向切削力大小相等。由于径向切削力会引起刀具偏斜和振颤;而轴向切削力作用于机床主轴方向,可使加工过程较少受到破坏性振动的影响。因此,使用主偏角较小的刀具所产生的切削力主要为轴向切削力,对保持加工过程的稳定性比较有利。

  综上所述,对于以在最短时间内切除最多工件材料为目标的粗铣加工而言,通过减小刀具主偏角和采用较小的切削深度,可以实现切屑减薄效应,大幅度提高刀具的进给率,从而显著提升粗铣加工效率。


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