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[復雜加工條件下的銑刀選擇]
發布日期:[2018/9/28] 共閱[481]次

核心提示:在切削加工中,為了最大限度地提高加工質量和重復精度,必須正確地選擇和確定合適的刀具,對于一些具有挑戰性的高難度加工,這一點尤其重要。本文針對在一些困難加工條件下(如采用高速刀具路徑,銑削狹小部位、直壁和石墨工件時),應如何合理選擇銑刀提供一些指導原則。

  在切削加工中,為了最大限度地提高加工質量和重復精度,必須正確地選擇和確定合適的刀具,對于一些具有挑戰性的高難度加工,這一點尤其重要。本文針對在一些困難加工條件下(如采用高速刀具路徑,銑削狹小部位、直壁和石墨工件時),應如何合理選擇銑刀提供一些指導原則。


  高速刀具路徑


  如今的CAD/CAM軟件系統可通過在高速擺線刀具路徑中精確控制吃刀弧長(注:擺線刀具路徑是在沿一根直線滾動的圓上一個固定點所形成的曲線路徑),而獲得極高的切削精度。即使當銑刀切入轉角或其它復雜幾何形狀時,其吃刀量也不會增大。為了充分利用這種技術進步,刀具制造商設計開發了先進的小直徑銑刀。與直徑較大的銑刀相比,小直徑銑刀價格更低,而且通過采用高速刀具路徑,往往能在單位時間內切除更多工件材料。這是因為大直徑銑刀與工件的接觸表面更大,因此需要降低進給速度,采用更為傳統的小進給率。因此,小直徑銑刀反而能獲得更高的金屬去除率。


  不過,刀具設計者仍然需要確保這些小直徑銑刀不僅適用于擺線切削,還要與被切削的工件材料相匹配。如今,許多高效刀具的幾何刃形都是針對特定的被加工材料和所采用的切削技術而專門設計的。例如,采用優化的刀具路徑,可用一把6刃銑刀在硬度達HRC54的H13鋼上銑出全槽。用一把直徑為12.7mm的銑刀即可切制出寬度為25.4mm的槽。如果用直徑12.7mm的銑刀加工寬度為12.7mm的槽,刀具就會與工件產生過多表面接觸,并導致刀具很快失效。一項有用的經驗法則是:使用直徑約為工件最窄部位尺寸1/2的銑刀。在本例中,工件最窄部位是寬度為25.4mm的槽,因此,所使用銑刀的最大直徑不應超過12.7mm。當銑刀半徑小于工件最窄部位尺寸時,刀具就有左右移動的空間,并能獲得最小的吃刀角度。這意味著銑刀可以采用更多的切削刃和更高的進給率。


  機床剛度也有助于確定可使用刀具的尺寸。例如,在40錐度的機床上進行切削加工時,銑刀直徑通常應<12.7mm。直徑較大的銑刀會產生可能超過機床承受能力的較大切削力,導致顫振、變形、表面光潔度變差和刀具壽命縮短。


  此外,采用直徑為工件最窄部位尺寸1/2的銑刀時,可以保持較小的吃刀角度,且在刀具轉向時也不會增大。例如,工件加工程序采用的走刀步距為10%,則吃刀角度為37°。如果采用陳舊、傳統的刀具路徑,銑刀每次改變方向時,其吃刀角度都將增大到127°。而采用較新的高速刀具路徑時,銑刀在轉角處發出的聲音與直線切削時并無二致。如果一把銑刀在所有切削過程中所發出的聲音都相同,表明其未受到大的熱沖擊和機械沖擊。如果銑刀在每次轉向或切入轉角時都發出尖嘯聲,則表明可能需要減小銑刀直徑尺寸,以減小吃刀角度。如果切削發出的聲音保持不變,表明銑刀承受的切削壓力均勻一致,并未隨著工件幾何形狀的變化而上下波動,這是因為其吃刀角度始終保持恒定。


  銑削狹小部位


  環形銑刀是銑削狹小部位(如螺旋銑孔和銑削肋板,或當銑刀直徑接近工件半徑時)的最佳選擇。這種銑刀堅固的環狀外形可以產生切屑減薄效應,使其能以更高進給率進行銑削。此外,該銑刀的半徑要比傳統的球頭銑刀小,因此可以增大走刀步距,同時仍能保持加工表面的平面度,而不會出現球頭銑刀加工時通常會產生的較大刀痕。


  環形銑刀非常適合螺旋銑孔和銑削肋板,因為在這些加工中,刀具不可避免地會與加工表面產生較多接觸,而采用雙刃環形銑刀可以最大限度地減少與工件的表面接觸,從而減少切削熱和刀具變形。在這兩種加工中,環形銑刀切削時通常處于封閉狀態,因此,最大徑向走刀步距應為銑刀直徑的25%,而每次走刀的最大Z向切深應為銑刀直徑的2%。在螺旋銑孔中,當銑刀以螺旋刀軌切入工件時,螺旋切入角為2°- 3°,直至達到銑刀直徑2%的Z向切深。


  如果環形銑刀切削時處于開放狀態(如銑削工件轉角或清理工件特征時),其徑向走刀步距取決于工件材料的硬度。銑削硬度為HRC30-50的工件材料時,最大徑向走刀步距應為銑刀直徑的5%;當材料硬度高于HRC50時,最大徑向走刀步距和每次走刀的最大Z向切深均為銑刀直徑的2%。


  銑削直壁


  在銑削加工帶平肋板或直壁的開闊區域時,使用牛鼻銑刀效果最好。4-6刃的牛鼻銑刀尤其擅長對帶直壁的外部形狀或非常開闊的部位進行仿形銑削。銑刀的刃數越多,可采用的進給率越大。不過,加工編程人員仍需盡可能減少刀具與工件的表面接觸,并采用較小的徑向切寬。在剛性較差的機床上加工時,采用直徑較小的銑刀比較有利,因為小直徑銑刀可減少與工件的表面接觸。


  多刃牛鼻銑刀的使用方法(包括走刀步距和切削深度)與環形銑刀相同。它們可采用擺線刀具路徑(或能控制刀具吃刀角度的新的刀具路徑)對淬硬材料進行切槽加工。如前所述,最重要的是要確保銑刀直徑約為槽寬的50%,使銑刀具有足夠的移動空間,并確保吃刀角度不會增大和產生過多的切削熱。


  銑削石墨材料


  切削石墨材料時,其高磨蝕性會使標準硬質合金刀具快速磨損,而磨損的刀具將無法精確切削出所要求的復雜幾何形狀。銑削石墨時,刀具路徑和銑削方式并不是最關鍵的因素,采用何種類型的銑刀通常取決于石墨電極的形狀。由于金剛石涂層銑刀具有極佳的耐磨性,因此被廣泛應用于石墨銑削。在硬質合金刀具基體上生長的金剛石會形成硬度極高、可顯著延長刀具壽命的耐磨涂層。金剛石涂層刀具的壽命要比未涂層的硬質合金刀具長10-30倍。


  例如,用一把直徑12.7mm的未涂層硬質合金球頭銑刀加工一個152.4mm見方的復雜石墨電極時,通常在銑削大約4小時后,銑刀切削刃的鋒利刃形和細節特征就開始剝落。而一把金剛石涂層銑刀則可持續銑削98小時以上,其切削刃也不會發生剝落。


  加工某些石墨工件形狀(如薄肋板)、尖銳幾何廓形和小尺寸工件時,對銑刀切削刃的鋒利度要求特別高。在此類加工中,采用2-3μm厚的金剛石涂層可以延長刀具壽命和保持刃口鋒利。由于這種比較薄的金剛石涂層成本較低,因此非常適合對刀具壽命要求不太高的低端加工。而典型厚度為18μm的金剛石涂層主要用于對刀具壽命要求很高的高端加工。


  采用較薄的金剛石涂層,可使那些生產批量較小并希望降低刀具成本的模具制造商不必為了降低成本而犧牲刀具壽命。他們仍然可以發揮真正的金剛石涂層硬質合金刀具的性能優勢,同時又能利用較薄的金剛石涂層來滿足其特定的加工需求。如今的金剛石涂層厚度范圍大致為2-25μm。


  適合特定加工的最佳刀具不僅應取決于被切削材料,而且還應取決于所采用的切削類型和銑削方法。通過優化刀具、切削速度、進給率和加工編程技巧,就能以更低的加工成本,更快、更好地生產零部件。


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