減薄切屑的高進給粗銑加工技術

時間:2011-05-21 08:35:08 來源:未知

粗銑加工的目標是以最短的時間從工件上切除盡可能多的金屬材料。雖然材料去除率的大小主要取決于加工機床的有效功率(馬力)，但是，通過采用徑向減薄切屑厚度的方法，即使在一臺小功率的機床上，仍然可以實現生產率的最大化和保持加工要求的切削條件。

徑向切屑減薄(radial chip thinning)是銑削所采用的徑向切削寬度(WOC)ae小于銑刀直徑的25％時所產生的一種效應。隨著徑向切削寬度的減小，基于設計每齒進給量fz的切屑厚度也將隨之變薄，從而導致實際每齒進給量fz減小，而fz的減小會使刀具與工件表面發生刮擦而無法切入工件，因此當徑向切深減小時需要增大每齒進給量fz。采用減薄徑向切屑厚度的高進給銑削方式(見圖1)可以縮短加工時間，延長刀具壽命。

圖1 減薄切屑的高進給粗銑加工

刀具主偏角的變化

刀具的主偏角是實現切屑減薄最重要的因素。當采用較平的刀具主偏角χ時，刀具以90°主偏角開始切入，隨著切削的進行，主偏角逐漸減小，切屑厚度h也隨之減小。

在加工某一類特定的工件材料時，為了獲得最佳的切屑厚度，需要采用不同的切削參數。編制CNC加工程序時需要輸入的每齒進給量可用以下公式計算：fz＝h/sink。針對某一類工件材料給出的h值有一個數值范圍，其中較小的數值為切削始點的切屑厚度值。在機床功率達50hp的加工中心上銑削加工鋁或非鐵族合金時，推薦的切屑厚度范圍為h＝0.002″～0.003″(0.051～0.076mm)；加工不銹鋼、鋁合金和耐熱超級合金時，推薦的切屑厚度范圍為h＝0.003″～0.006″(0.076～0.152mm)；加工鋼、鑄鐵和球墨鑄鐵時，推薦的切屑厚度范圍為h＝0.006″～0.010″(0.152～0.254mm)。如果采用大于推薦值的切屑厚度，則要冒刀片過載和切削刃崩損的風險。

無論刀具主偏角為90°、60°、45°、30°或更小，切屑厚度將始終保持不變，只有圓形銑刀或紐扣銑刀所使用的圓刀片例外(見圖2)。由于圓刀片的頂部無幾何刃型，加之倒棱極小，因此其切削刃的強度最高。

a_p—切削深度 b—切屑長度 f_z—每齒進給量 h—切屑厚度 r—半徑 k—主偏角
圖2 具有不同主偏角(90°～30°)的刀片切削截面形狀(圖右為圓刀片)

與直刃刀片不同的是，圓刀片切出的切屑厚度將隨著切削深度的增加而增大。因此，可采用平均切屑厚度hm來表示圓刀片的切削厚度。hm值是根據通過刀具直徑的圓刀片與工件徑向接合處的切屑厚度來確定的。對于不同類型的工件材料，典型的hm值選取范圍與上述h值的選取范圍相同。

將一種圓刀片(RDMT2006)與一種90°刀片(ADMT1606)的切削情況作一比較。如果兩種刀片采用相同的切削深度和每齒進給量進行切削，則它們切除的切屑量也完全相同。但是，如果當切削深度為圓刀片內切圓(IC)的1/2時，圓刀片的切屑厚度將減薄30%，這是因為圓刀片與工件徑向接合的切削刃較長的緣故(見圖3)。換言之，如果圓刀片和90°刀片各自切除的切屑量相等，而圓刀片切削產生的切屑長度比90°刀片長約50%，則圓刀片切出的切屑厚度必然會大幅度減薄。此時，如果進給量保持不變，而切削深度減小至等于紐扣銑刀內切圓的25%，則在切屑量相等的情況下，紐扣銑刀切出的切屑厚度將減薄50%。為了達到通過減薄切屑厚度來提高生產率的目的，選取的最大切削深度應為圓刀片內切圓的20%～25%。

a#p#分頁標題#e#_p—切削深度 f_z—每齒進給量 h—切屑厚度 r—半徑 k—主偏角
圖3 圓刀片(RDMT2006)與直刃刀片(ADMT1606的切屑厚度對比)

a_pmax—最大切削深度 a_p—切削深度 k—主偏角
圖4 在仿形銑削中，當切削深度變淺時，主偏角隨之變平

進給率的提高

由于切屑厚度隨著切削深度的變淺而減薄，因此，為了獲得高水平的加工生產率，需要通過提高進給率來補償較小的切削深度。無論是使用圓刀片或是小主偏角的銑刀，均可利用切屑減薄效應來實現高進給率銑削，這是因為隨著圓刀片切削深度變淺，主偏角也隨之變平(見圖4)。因此，在確定輸入CNC加工程序的每齒進給量時，將變量平均切屑厚度hm和主偏角kχ代入計算公式fz＝hm/sink中，進給率可獲得大幅度提高(可增加1倍)。

為確定紐扣銑刀的有效主偏角，可用以下公式計算：tank=ap/(IC_eff/2)k=有效主偏角(式中IC_eff為有效內切圓)。

需要注意，當切入角為90°時，輸入加工程序的每齒進給量與切屑厚度是相等的。如果減小主偏角，切屑量仍將保持不變，但刀具切削刃與工件的接合長度會增大，由此產生的切屑厚度將小于程序設定值，但切屑會變長。在切削深度小于圓刀片半徑的情況下，為了將切屑厚度增大到程序設定值，則需要提高刀具進給率的編程設定值。因此，雖然圓刀片產生的切屑與主偏角為90°的直刃刀片所切除的切屑厚度相同，但紐扣銑刀切除工件材料的進給率卻要高得多。

當然，為了切除一定量的工件材料，對加工機床的功率也有一定的要求。如果刀具的進給率提高1倍，則加工機床的功率也需要增大1倍。

在粗銑加工中，采用90°主偏角的銑刀對于提高加工生產率最為不利，但這種銑刀卻比較適合加工90°的臺肩，因為它不需要二次走刀進行清根作業。有些加工車間為了減少所用刀具的種類，主要采用90°直刃銑刀進行銑削加工。在其它情況下，這種銑刀并非必需。

在切削深度保持不變的情況下，圓刀片越小，其加工效率也越低，這是由于小刀片的主偏角較大，將其代入每齒進給量計算公式得出的設定進給率也較小。此外，當圓刀片的切削深度增大時，其加工效率也會降低。因此，當一把紐扣銑刀采用等于其內切圓的50%(IC/2)的切削深度(可能采用的最大切深)進行銑削加工時，它切出的切屑厚度與加工程序設定的每齒進給量完全相等，且其加工效率與使用45°主偏角的直刃銑刀相同。但是，如果該紐扣銑刀的圓刀片有4個切削刃，則它的加工成本/效率(cost-effective)比使用45°雙面刀片要高，因為45°雙面刀片共有8個切削刃(紐扣刀片只在單面有切削刃，而45°雙面刀片兩面均有切削刃)。

使用圓刀片獲得切屑減薄效應的限制因素之一是切削深度。最大的標準圓刀片直徑約為0.800″(20mm)，因此進行高速銑削時的最大切削深度為0.200″(5mm)——或許可達到0.250″(6.35mm)。雖然45°直刃銑刀可以更大的切削深度進行銑削，但紐扣銑刀可在粗銑加工編程時采用二次走刀(如果需要的話)實現比其它刀具一次走刀更高的切削效率。

采用切屑減薄技術進行加工時，如果生成的切屑過薄，刀具與工件表面就會發生刮擦現象。例如，用大倒棱刀片以極低的每齒進給率進行切削時，切屑難以正常成形，也無法順暢流動。

切削力方向的變化

當刀具主偏角變平、切屑減薄時，切削力的方向也會發生變化。例如，用45°主偏角的銑刀進行切削時，軸向切削力與徑向切削力大小相等。由于徑向切削力會引起刀具偏斜和振顫；而軸向切削力作用于機床主軸方向，可使加工過程較少受到破壞性振動的影響。因此，使用主偏角較小的刀具所產生的切削力主要為軸向切削力，對保持加工過程的穩定性比較有利。 #p#分頁標題#e#

綜上所述，對于以在最短時間內切除最多工件材料為目標的粗銑加工而言，通過減小刀具主偏角和采用較小的切削深度，可以實現切屑減薄效應，大幅度提高刀具的進給率，從而顯著提升粗銑加工效率。

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