減薄切屑的高進(jìn)給粗銑加工技術(shù)

時(shí)間:2011-05-21 08:35:08 來源:未知

粗銑加工的目標(biāo)是以最短的時(shí)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(jī)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(jī)床上，仍然可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)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(shí)所產(chǎn)生的一種效應(yīng)。隨著徑向切削寬度的減小，基于設(shè)計(jì)每齒進(jìn)給量fz的切屑厚度也將隨之變薄，從而導(dǎo)致實(shí)際每齒進(jìn)給量fz減小，而fz的減小會使刀具與工件表面發(fā)生刮擦而無法切入工件，因此當(dāng)徑向切深減小時(shí)需要增大每齒進(jìn)給量fz。采用減薄徑向切屑厚度的高進(jìn)給銑削方式(見圖1)可以縮短加工時(shí)間，延長刀具壽命。

圖1 減薄切屑的高進(jìn)給粗銑加工

刀具主偏角的變化

刀具的主偏角是實(shí)現(xiàn)切屑減薄最重要的因素。當(dāng)采用較平的刀具主偏角χ時(shí)，刀具以90°主偏角開始切入，隨著切削的進(jìn)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(shí)，為了獲得最佳的切屑厚度，需要采用不同的切削參數(shù)。編制CNC加工程序時(shí)需要輸入的每齒進(jìn)給量可用以下公式計(jì)算：fz＝h/sink。針對某一類工件材料給出的h值有一個(gè)數(shù)值范圍，其中較小的數(shù)值為切削始點(diǎn)的切屑厚度值。在機(jī)床功率達(dá)50hp的加工中心上銑削加工鋁或非鐵族合金時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(fēng)險(xiǎn)。

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(qiáng)度最高。

a_p—切削深度 b—切屑長度 f_z—每齒進(jìn)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(jù)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(jìn)給量進(jìn)行切削，則它們切除的切屑量也完全相同。但是，如果當(dāng)切削深度為圓刀片內(nèi)切圓(IC)的1/2時(shí)，圓刀片的切屑厚度將減薄30%，這是因?yàn)閳A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(chǎn)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(shí)，如果進(jìn)給量保持不變，而切削深度減小至等于紐扣銑刀內(nèi)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(dá)到通過減薄切屑厚度來提高生產(chǎn)率的目的，選取的最大切削深度應(yīng)為圓刀片內(nèi)切圓的20%～25%。

a#p#分頁標(biāo)題#e#_p—切削深度 f_z—每齒進(jìn)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(dāng)切削深度變淺時(shí)，主偏角隨之變平

進(jìn)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(chǎn)率，需要通過提高進(jìn)給率來補(bǔ)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(yīng)來實(shí)現(xiàn)高進(jìn)給率銑削，這是因?yàn)殡S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(jìn)給量時(shí)，將變量平均切屑厚度hm和主偏角kχ代入計(jì)算公式fz＝hm/sink中，進(jìn)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(jì)算：tank=ap/(IC_eff/2)k=有效主偏角(式中IC_eff為有效內(nèi)切圓)。

需要注意，當(dāng)切入角為90°時(shí)，輸入加工程序的每齒進(jìn)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(chǎn)生的切屑厚度將小于程序設(shè)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(shè)定值，則需要提高刀具進(jìn)給率的編程設(shè)定值。因此，雖然圓刀片產(chǎn)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(jìn)給率卻要高得多。

當(dāng)然，為了切除一定量的工件材料，對加工機(jī)床的功率也有一定的要求。如果刀具的進(jìn)給率提高1倍，則加工機(jī)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(chǎn)率最為不利，但這種銑刀卻比較適合加工90°的臺肩，因?yàn)樗恍枰巫叩哆M(jìn)行清根作業(yè)。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(jìn)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(jìn)給量計(jì)算公式得出的設(shè)定進(jìn)給率也較小。此外，當(dāng)圓刀片的切削深度增大時(shí)，其加工效率也會降低。因此，當(dāng)一把紐扣銑刀采用等于其內(nèi)切圓的50%(IC/2)的切削深度(可能采用的最大切深)進(jìn)行銑削加工時(shí)，它切出的切屑厚度與加工程序設(shè)定的每齒進(jìn)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(gè)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?yàn)?5°雙面刀片共有8個(gè)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(yīng)的限制因素之一是切削深度。最大的標(biāo)準(zhǔn)圓刀片直徑約為0.800″(20mm)，因此進(jìn)行高速銑削時(shí)的最大切削深度為0.200″(5mm)——或許可達(dá)到0.250″(6.35mm)。雖然45°直刃銑刀可以更大的切削深度進(jìn)行銑削，但紐扣銑刀可在粗銑加工編程時(shí)采用二次走刀(如果需要的話)實(shí)現(xiàn)比其它刀具一次走刀更高的切削效率。

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

切削力方向的變化

當(dāng)?shù)毒咧髌亲兤健⑶行紲p薄時(shí)，切削力的方向也會發(fā)生變化。例如，用45°主偏角的銑刀進(jìn)行切削時(shí)，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(jī)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(chǎn)生的切削力主要為軸向切削力，對保持加工過程的穩(wěn)定性比較有利。 #p#分頁標(biāo)題#e#

綜上所述，對于以在最短時(shí)間內(nèi)切除最多工件材料為目標(biāo)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(shí)現(xiàn)切屑減薄效應(yīng)，大幅度提高刀具的進(jìn)給率，從而顯著提升粗銑加工效率。

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