余摆线铣削优点与加工实例

立铣刀多用于侧平面、槽和复杂型面等的加工，为提高加工效率，铣刀的路径设计与选择实施非常重要，特别是在计算机数控工艺技术迅速发展的当今，刀具沿复杂路径进行加工由不可能到可能，而使铣削达到更高质量和更高效率。 

图1是以槽的加工为例，比较几种不同铣削方法。图1a是一般铣削，可见铣刀承受压力的接触角φ为180°，切削力大，散热条件极差，加工中温度急剧上升，刀具易损伤，限制了切削各参数的提高，加工效率低。由于铣削各处切入部位不同，各刀齿切下切屑的厚度长短有变化，切削力波动，加工表面质量不高。

如果选用一个直径较小的铣刀，让铣刀一面自转一面公转，铣刀中心既向前又向上复合成弧形并高速前进，将一半圆弧的槽加工变为小部分圆弧的侧面加工。这样既减少了接触角和每转切除量，刀刃能迅速冷却，又可使切削力和切削温度下降，刀具寿命延长，从而可以持续切削，这种铣削方法称为余摆线铣削（图1b）。余摆线铣的进给速度vf不变，由于切削各处部位不同，接触角φ在变化，与它对应的切削厚度ae也在变化，切削承受应力也在变化，但切削热小，散热条件好，切削效率可以提高很多。

图1：一般铣削(a)余摆线铣削(b)和动态优化余摆线铣削(c)

动态优化余摆线铣是在余摆线铣削基础上，使铣削路径动态地变化，由此造成进给速度vf变化，由快变慢再变快如图1c示。以此限制了接触角φ变化范围，使平均切屑厚度hm保持恒定且较小，切削宽度ae小，热应力小，切屑的长短大小形态大致相同，从而使整个切削过程稳定，加工质量、加工效率进一步地提高。

图2：铣削各参数，每转铣削面积和体积

图2显示了一般铣削和余摆线铣削侧面时的各个参数。铣削深度ap（背吃刀量，轴向吃大量），铣削宽度ae（径向吃刀量，侧吃刀量），接触角φ，铣刀每转刀齿进给量fz。铣削切屑的厚度不断在变化，其平均厚度hm为简单计算可以1/2接触角处切屑厚度计算。

图3：玛帕公司适应铣削各种材料的立铣刀

铣削单位时间金属切除量Q=n×z×fz×ae×ap，其中n是铣刀的转速，z是铣刀齿数，可知提高任一参数，都可以提高单位时间切除量。但每一个参数的提高都会增加切削力、切削热，使刀具寿命下降，不利于持续生产，应该如何合理搭配才能使负面的影响最小，效率更高，刀具寿命更长，能更长的持续生产呢？经过实验和实践结论是，用小的径向切深，即小侧吃刀量ae，高转速n不利的影响少，加工效率最高，生成的切削力和切削热最少。

提高余摆线铣削效率可增加切削深度ap，余摆线铣削总的切削力热较小，再加上排屑容易，切削热不易积聚，刀具温度不高，有可能做到少用不用冷却润滑液，仅用空气风冷的绿色加工。切削力、热的减少，特别适合难加工材料的加工，也可能用它稳定加工刚性差、薄壁零件上的复杂型面。

图4：涂层的特征

玛帕公司为高效进行余摆线铣削研发了具有先进材料涂层和结构的OptiMill-Tro系列立铣刀（图3），其中有适应多种被加工材料通用的Uni型，适钢、合金钢、不锈钢的PM型、适耐热钢的S型、适钛合金的Tian型、适高硬钢的H型。玛帕公司在立铣刀基体材料采用了超细微粒硬质合金，含钴量为8-10％，多种涂层和复合涂层能充分适应高效加工不同材料的要求，涂层经处理具有致密综合性能良好的特性（如图4）。

为提高余摆线铣的加工效率可增加切削深度ap，以上系列立铣刀的切削刃均长达3D，刃齿数z超多达4-7。为抗振减振，立铣刀的螺旋槽具有不等槽距、不等螺旋角；平衡量可达G2.5，适应不同加工要求的刃形结构，排屑螺旋槽也进行了抛光。OptiMill-Tro系列立铣刀为适应不同机床，刀柄的标准有：SK40、SK50、BT40、BT50、HSK-A63、HSK-A100等。为稳定高效夹持刀具，他们用增材制造的方法开发了新型、能传递大扭矩的HTC刀柄。

图5：余摆线铣削实例

玛帕公司在实现优化余摆线铣削方面积累了很多经验和丰富数据。如为铣削某种材料（钢、不锈钢、耐热钢、高硬钢等），结合CAM软件系统，可预先输入需加工材料的强度，该材料可适应切削速度范围、要求达到的每齿进给量fz、侧吃刀量ae、平均厚度hm范围, 就可自动完成加工。由于被加工零件型面多种多样，所选立铣刀直径D不同，fz，ap，hm可按在D%的范围内选择输入，再依靠CAM编程系统给出最佳的铣削路径和切削过程，可以减少非切削运动路径。针对不同的型面，玛帕公司都可提供专业的加工方案，为顺利加工凹入的型腔，他们还采用了特制径向切削分力极小的MEGA-180°平头钻，加工型腔角端部分底平面，加工后表面非常平滑，轨迹有如变形的螺旋。

加工实例1。工件如图5a材料为16MnCr5，采用刀具，OptiMill-Tro-PM，M3299-1200BL-C0024冷却条件；外吹压缩空气6bar；切削速度=600m/min；转速n=15900rpm；最大平均宽度hm=0.1mm；最大接触角=45°最大进给速度vf=11.254mm/min；切削深度ap=35mm；每分钟切除量Q=100cm3；单件加工时间te=2.8m。

加工实例2。加工工件如图5b，工件材料：镍基耐热合金Inconl718，采用刀具是专用于耐热钢铣削的OptiMill-Tro-S M3699-1200BI-R0030，切削速度Vc=105m/min，转速n=2785rpm，最大hm=0.08mm, 乳化液冷却，接触角=10°-16°，进给速度Vf=2887mm/min，每个型腔加工时间只需12min。

图6：航空零部件毛坯加工到半成品

加工实例3。加工工件材料：90MnCrV8（HRc60）(图5c)使用刀具：OptiMill-Tro-H,M3079-1200Bs-R0030；切削速度Vc=112m/min，fz=0.052mm，Vf=775mm/min，hm=0.04mm, φ=10°- 35°，ae=0.1-1.085mm，ap=33mm，T=4min，用一般铣削方法T=34.75min，切削效率提高7-8倍。

加工实例4。如图6由毛坯到半产品，采用的立铣刀是OptiMill-Tro-S，直径Ф16mm，工件材料为15-5PH不锈钢(相当我国GB标准的05Cr15Ni5Cu4Nb)； Vc=186m/min，n=3705rpm，hm=0.068mm，ae min=0.17mm，ae max=1.6mm，Фmin=11.8°，Фmax=36.9°，Q=49cm3/min，T= 41min。半成品留下0.5mm余量。

余摆线铣削的实现和动态优化使以前难以加工的复杂型面，特别是难加工材料复杂型面的加工能够完成，质量和效率得以保证和提高。新的加工方法不但能顺利加工出复杂型面，而且受力小热应力小，同时为进一步提高效率的其他因素如切削速度、切削深度、刀齿数等提供了余地。玛帕公司在立铣刀材料、涂层、结构相应均作了改进和准备，更促使这一难题较理想地解决，值得我们学习采用。

作者：章宗城，尚亚国际贸易公司

来源：荣格-《国际金属加工商情》

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