銑削加工中機(jī)械負(fù)荷的控制

發(fā)布時(shí)間：2021-06-25 在以銑削加工為主的斷續(xù)切削工況中，刀具和切削參數(shù)的選擇對(duì)熱量的產(chǎn)生、吸收和控制有何影響。熱量難題金屬切削在切削區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的溫度高達(dá)800至900攝氏度，在該切削區(qū)內(nèi)，切削刃會(huì)促使工件材料變形并將其切除。在連續(xù)...

　　在以銑削加工為主的斷續(xù)切削工況中，刀具和切削參數(shù)的選擇對(duì)熱量的產(chǎn)生、吸收和控制有何影響。 熱量難題 金屬切削在切削區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的溫度高達(dá) 800 至 900 攝氏度，在該切削區(qū)內(nèi)，切削刃會(huì)促使工件材料變形并將其切除。在連續(xù)車削加工中，熱量以穩(wěn)定的線性方式產(chǎn)生。與此相反，銑刀齒間歇性地切入和切出工件材料，切削刃的溫度也會(huì)交替地升高和下降。 加工系統(tǒng)的元件會(huì)吸收金屬切削過程中產(chǎn)生的熱量。通常，10% 的熱量進(jìn)入工件，80% 進(jìn)入切屑，10% 進(jìn)入 刀具。最好的情況是切屑帶走絕大部分的熱量，因?yàn)楦邷貢?huì)縮短刀具壽命，并損壞所加工的零件。

　　工件材料的不同導(dǎo)熱性以及其他加工因素，都會(huì)對(duì)熱量的分布產(chǎn)生顯著影響。例如，高溫合金的導(dǎo)熱性較差。當(dāng)加工導(dǎo)熱性較差的工件時(shí)，傳入刀具的熱量會(huì)增加。此外，加工硬度較高的材料會(huì)比加工硬度較低的材料產(chǎn)生更多熱量。在通常情況下，更高的切削速度會(huì)增加熱量的產(chǎn)生，而更高的進(jìn)給量會(huì)加大切削刃中受高溫影響的區(qū)域。

　　

　　嚙合弧度

　　由于銑削過程的間歇性質(zhì)，切削齒只在部分加工時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生熱量。切削齒的切削時(shí)間百分比由銑刀的嚙合弧決定，而嚙合弧則受到徑向切削深度和刀具直徑的影響。

　　不同銑削工藝的嚙合弧也不同。例如在槽銑中，工件材料在加工過程中包圍一半的刀具；嚙合弧是刀具直徑的 100%。切削刃一半的加工時(shí)間都花在切削上，因此熱量迅速積聚。這種情況與側(cè)銑不同，在側(cè)銑中，任何時(shí)候都只有相對(duì)較小的刀具部分與工件嚙合，并且切削刃有更多的機(jī)會(huì)向空氣中散熱。

　　刀具中積聚過多熱量會(huì)造成刀具磨損或變形，進(jìn)而縮短刀具壽命。相反，許多切削刀具材料必須在溫度高于臨界最低水平時(shí)才能充分發(fā)揮效率。

　　特別是硬質(zhì)合金刀具，它由堅(jiān)硬但易碎的粉末金屬制成。如果溫度高于特定最低水平，則會(huì)提高粉末金屬材料的韌性并減少斷裂情況。與之相對(duì)，當(dāng)切削溫度過低時(shí)，刀具會(huì)易碎并導(dǎo)致斷裂、微崩或刃口積屑。因此，目標(biāo)是維持合理的切削溫度范圍。

　　

　　切屑厚度和熱量問題

　　本系列中的前一篇文章探討了徑向切削深度、切削刃主偏角進(jìn)給量和切屑厚度在銑削過程中對(duì)機(jī)械負(fù)荷的影響。同樣的加工因素加上切削速度，也會(huì)影響銑削的熱負(fù)荷。

　　切屑厚度會(huì)對(duì)熱量和刀具壽命產(chǎn)生極大的影響。如果切屑厚度過大，造成的重負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生過多的熱量和切屑，甚至導(dǎo)致切削刃斷裂。如果切屑厚度過小，切削過程只在切削刃的較小部分上進(jìn)行，而增加的摩擦和熱量會(huì)導(dǎo)致迅速的磨損。

　　

　　銑削中產(chǎn)生的切屑的厚度會(huì)隨著切削刃進(jìn)出工件而不斷變化。因此，刀具供應(yīng)商采用“平均切屑厚度”的概念來計(jì)算旨在保持最高效切屑厚度的刀具進(jìn)給量。

　　確定正確的進(jìn)給量所涉及的因素包括：刀具的嚙合弧或徑向切削深度以及切削刃的主偏角。嚙合弧越大，產(chǎn)生理想平均切屑厚度所要求的進(jìn)給量就越小。

　　同樣，刀具的嚙合弧越小，獲得相同切屑厚度就需要更高的進(jìn)給量。刀具的切削刃主偏角也會(huì)影響進(jìn)給要求。當(dāng)切削刃偏角為 90 度時(shí)，切屑厚度最大，因此，為了達(dá)到相同的平均切屑厚度，減小切削刃主偏角就需要提高進(jìn)給量。

　　

　　為了保持切削區(qū)內(nèi)的切屑厚度和溫度與刀具在滿刀切削時(shí)的值相等，刀具供應(yīng)商制定了補(bǔ)償系數(shù)，用于在刀具嚙合量百分比減小時(shí)增加切削速度。

　　例如，如果滿刀切削（100% 的直徑在切削中嚙合）的速度系數(shù)為 1.0，90 度切削刃主偏角刀具（20% 的直徑在切削中嚙合）的速度補(bǔ)償系數(shù)為 1.35。因此，如果滿刀切削的切削速度為 100 m/min，對(duì)于僅五分之一的直徑在切削中嚙合的刀具，保持其最佳切屑厚度所需的切削速度為 135 m/min。

　　從熱負(fù)荷角度來看，如果嚙合弧小，切削時(shí)間可能不足以產(chǎn)生最大刀具壽命所需的最低溫度。由于增加切削速度通常會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，將小嚙合弧與更高的切削速度相結(jié)合有助于將切削溫度提升至所需的水平。更高的切削速度還會(huì)縮短切削刃與切屑接觸的時(shí)間，從而減少傳入刀具的熱量。總體而言，更高的切削速度還會(huì)減少加工時(shí)間并提高生產(chǎn)率。另一方面，更低的切削速度會(huì)降低加工溫度。如果加工中產(chǎn)生的熱量過多，降低切削速度可將溫度降至可接受的水平。

　　切削刃槽型

　　銑刀刀體的幾何角度和切削刃有助于控制熱負(fù)荷。刀體的基本角度決定了刀片相對(duì)于工件的位置。切削刃處于正前角（切削刃的刀尖部分先接觸工件從工件材料向后滑）的刀具可產(chǎn)生較小的切削力以及較少的熱量，同時(shí)還允許使用更高的切削速度。但是，正前角刀具比負(fù)前角刀具更薄弱，工件材料的硬度及其表面狀況將決定是否應(yīng)使用負(fù)前角刀具。負(fù)前角刀具可產(chǎn)生更大的切削力和更高的切削溫度。

　　切削刃的槽型本身可以引起和控制切削作用及切削力，從而影響熱量的產(chǎn)生。刀具與工件接觸的刃口可以進(jìn)行倒角、鈍化或是鋒利的。經(jīng)過倒角或鈍化的刃口強(qiáng)度更大，但同樣會(huì)產(chǎn)生更大的切削力和更多熱量。鋒利的刃口盡管強(qiáng)度沒有這么大，但可以減小切削力并降低加工溫度。

　　切削刃后的倒棱用于引導(dǎo)切屑，它可以是正倒棱也可以是負(fù)倒棱，正倒棱同時(shí)會(huì)產(chǎn)生較低的加工溫度，而負(fù)倒棱設(shè)計(jì)強(qiáng)度更高但會(huì)產(chǎn)生更多熱量，二者各有利弊。

　　由于銑削過程為斷續(xù)切削，銑削刀具的切屑控制特征通常不如在車削中那么重要。然而，根據(jù)所涉及的工件材料以及嚙合弧，判斷形成和引導(dǎo)切屑所需的能量可能會(huì)變得十分重要。狹窄或強(qiáng)制斷屑切屑控制槽型能夠立即卷起切屑，并產(chǎn)生更大的切削力和更多熱量。更開闊的切屑控制槽型可產(chǎn)生更小的切削力和更低的加工溫度，但可能不適用于某些工件材料和切削參數(shù)組合。

　　冷卻問題

　　另一個(gè)控制金屬切削加工中產(chǎn)生的熱量的方法是控制冷卻液的應(yīng)用。溫度過高會(huì)導(dǎo)致切削刃快速磨損或變形，因此必須盡快控制熱量。

　　為了有效地降低溫度，必須對(duì)熱源進(jìn)行冷卻。然而，將冷卻液注入切屑和切削刃之間的壓力為 20000 bar 左右的高溫切削區(qū)卻非常困難。此外，在這種惡劣環(huán)境下，冷卻液會(huì)立即蒸發(fā)。在此類情況下，冷卻液可能無法非常有效地帶走熱量，但冷卻液多少會(huì)有所幫助。

　　冷卻液流究竟有多大影響尚不清楚；冷卻液有效性自身就是一個(gè)研究課題。它就像是宗教；您可以信或者不信。通常，如果預(yù)計(jì)有過多的熱量，則可以應(yīng)用冷卻液。例如，在槽銑中，使用冷卻液通常沒有害處。它會(huì)有所幫助，但有多大幫助還值得探討。但在切削溫度較低的側(cè)銑中，最好還是不要應(yīng)用冷卻液。

　　結(jié)論

　　多種彼此相關(guān)的因素共同形成了金屬切削加工中的負(fù)荷。在加工過程中，這些因素會(huì)相互影響。本文探討了銑削加工中的熱量問題以及它們與機(jī)械因素的關(guān)系。熟悉產(chǎn)生金屬切削負(fù)荷的各項(xiàng)因素及其相互作用的總體結(jié)果，將有助于制造商優(yōu)化其加工工藝并最大限度地提高生產(chǎn)率和盈利能力。

　　附注：補(bǔ)償?shù)囊嫣?/p>

　　為銑削加工計(jì)算的補(bǔ)償因子指出了多種途徑來改變與刀具嚙合量有關(guān)的切削參數(shù)，從而保持所需的加工溫度。如果溫度過低，則無法使刀具材料達(dá)到最大的韌性，同時(shí)還可能會(huì)形成積屑瘤（積屑瘤是導(dǎo)致切削刃斷裂或微崩的情況）。如果溫度過高，則會(huì)加快切削刃磨損或刀具變形。通過參數(shù)調(diào)整進(jìn)行補(bǔ)償可以平衡熱負(fù)荷與機(jī)械負(fù)荷，優(yōu)化刀具壽命和生產(chǎn)率。

　　應(yīng)用補(bǔ)償因素還有助于采用先進(jìn)的銑削策略。例如，在使用采用小徑向和軸向切削深度的高速加工 (HSM) 方法時(shí)，刀具供應(yīng)商應(yīng)用指南建議提高切削速度。如果不采用更高的速度來生成熱量，HSM 較輕的切削刃嚙合可能無法產(chǎn)生足夠高的、有助于實(shí)現(xiàn)最佳刀具性能的溫度。總之，調(diào)整 HSM 的切削參數(shù)可以顯著提高金屬移除率。

　　

　　為 HSM 加工所選的刀具應(yīng)具有鋒利的切削刃，并采用耐磨性良好的硬切削材料制造。高效排屑至關(guān)重要，特別是在加工鋁等較軟的材料時(shí)；建議使用具有大切屑槽或開闊排屑槽的刀具。重要的是，用于 HSM 的機(jī)床應(yīng)能夠在足夠高的速度下運(yùn)行，從而滿足補(bǔ)償規(guī)格的要求。

　　另外，當(dāng)調(diào)整參數(shù)以平衡熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷時(shí)，硬銑削策略也會(huì)受益。由于硬銑削產(chǎn)生大量的熱，因此可以建議減小切削深度。在切削深度和進(jìn)給量保持較小的情況下，可以使用切削速度來優(yōu)化切削參數(shù)。

　　硬銑削中采用的機(jī)床必須具有良好的剛度和減振能力，能夠在大切削負(fù)荷下進(jìn)行精確的加工。堅(jiān)固的刀具夾持系統(tǒng)可以提供更大的強(qiáng)度和抗振性，如有可能，應(yīng)避免使用長(zhǎng)接長(zhǎng)桿。多刃短刀具也有助于加工穩(wěn)定性。負(fù)前角刀體和研磨過的刃口可以增加切削刃的強(qiáng)度。

　　在高進(jìn)給銑削 (HFM) 策略中，每個(gè)切削齒都具有較大的進(jìn)給量，這通過小切削深度和中等切削速度來平衡。該方法提供了較高的金屬移除率，同時(shí)切削力和功耗要低于其他策略。刀具上的彎曲負(fù)荷更小，減少了振動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，并能夠使用更長(zhǎng)、剛性較差的刀具。另外，該策略最適于具有足夠速度和功率的高剛度機(jī)床。應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)牡毒咧髌且詫⑤S向切削力引導(dǎo)至機(jī)床主軸上。

　　在高性能加工 (HPM) 策略中，首先軸向和徑向切削深度得到了最大限度的增加，然后選擇進(jìn)給量和切削速度來盡可能減小刀具磨損。該方法以最低的成本實(shí)現(xiàn)了高金屬移除率。HPM 需要專門設(shè)計(jì)的卷屑器、強(qiáng)度更大的切削刃以及能夠高效排屑的排屑槽。HPM 還適用于移除大量材料以及加工難以切削的材料。

　　簡(jiǎn)單的切削速度或其他參數(shù)調(diào)整將有助于控制切屑厚度，從而控制簡(jiǎn)單銑削加工中的熱負(fù)荷。但在銑削復(fù)雜的輪廓時(shí)，卻難以根據(jù)不斷變化的切削工況來控制參數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)最大生產(chǎn)率，先進(jìn)的 CAM 軟件與可以快速處理大量命令的強(qiáng)大 CNC 技術(shù)的前瞻能力一起，能夠應(yīng)用先進(jìn)的銑削策略，包括擺線銑削加工策略、片皮法等策略。