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高进给与高速铣削:一切与切屑有关

来源:国际金属加工商情 发布时间:2022-10-09 568
工业金属加工金属加工金属切削机床金属成型机床模具及冲模焊接设备及工具其他金属材料表面处理测量及控制系统 刀具和夹具
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让我们一开始就坦诚:我对你制造的零件不感兴趣,但我的确非常在乎切屑,你也应如此。

在加工流程结束时,你会得到两样东西:完成的零件和一堆切屑。大多数人注意的是零件,而我注意的是切屑。


我不是故意和你对着干。我相信只要你以非常快的速度产出大量好切屑,就能在加工零件时赚到很多钱。关于高速铣削和高进给铣削的优点和缺点,众说纷纭。虽然非常不同,但在许多方面它们是有相似之处的。要明确的是,这取决于切屑。


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产生切屑需要哪两个要素?热和压力。金属切削是一个塑性变形的过程。热量是由切削区的摩擦产生的。调节热量,靠的是刀具的旋转速度。压力是由进给产生的。值得注意的是,使材料塑性变形并将其去除所需的热量和压力,与导致刀具磨损和过早失效的热量和压力相同。我们希望将热量导入切屑,但首先必须有足够厚的切屑来吸收热量。这就是高进给铣削中高进给率的来源。

切屑厚度就是一切


所有的高进给铣刀,不管是整体还是可转位的,都有个非常重要的共同点:非常大的导程角。高进给铣刀的切削刃可以是直的,也可以有一个非常大的半径。但无论如何,由此产生的平均导程角都非常高,通常在78°-82° 之间。


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高导程角对切屑有什么影响?当铣刀的前角从0°(方肩)增加到45°或75°时,切屑开始发生变化。在0°时,切屑厚度等于每齿的进给量。随着导程角的增加,切屑厚度减少。可以用进给率IPT(每齿一英寸)乘以导程角的余弦来计算实际切屑厚度。因此,0.010英寸(0.254mm)的IPT进给率,使用78°的前角,将产生0.002英寸(0.0508mm)的实际切屑厚度。这很薄,不够厚,无法吸收任何热量。你的进给率必须始终大于刃口形状,倒圆刃或倒棱刃,否则你的铣刀就会变成一块砂纸。为了使用78°导程角的刀具达到0.010英寸(0.254mm)的切屑厚度,你需要将IPT编程为0.048英寸(1.22mm)。这就意味着进给率增加了385%,因此它被称为高进给铣削。


高进给铣削实现的高进给率常伴随一个折中条件。由于导程角较大,其切削深度(DOC)性能有限。大多数高进给铣削的最大切削深度在1-2mm之间。此规则有少数可转位例外,即采用大型IC刀片,会增加铣削成本,但好处是速度比正常情况快了三至四倍。


除了能提高生产力外,高进给铣削还有个巨大好处,与力有关。


铣削的另一条黄金法则是,切削力总垂直于切削刃。平均导程角在80°- 82.5°之间的高进给铣刀,在铣削中会产生一些最低径向力。几乎所有切削力都是沿轴向进入主轴的。轴向力与径向力的比例越大,操作就越稳定。这很可能形成优势,特别是刀具设置或零件配置需要大的测量长度时。在高进给铣削中,长距离和深腔都不是问题。测量长度在长度与直径10:1范围内很常见,但很可能需要调节进给率。



在高进给铣削时,还有一些其他应用技巧可以用。保持铣刀直径尽可能多地进入切削区,这可以平衡由高导程角产生的轴向力。当ae(径向啮合)减少并接近刀具直径的50-60%时,会降低稳定性。在编程刀路时也应注意。在高进给率条件下,最好沿着刀路方向平滑过渡。要不惜一切代价避免90°转弯,因为那样会产生过度的径向啮合,产生高径向力和颤振。在改变方向时,在拐角处设计一个至少比刀具直径大50%的圆弧或半径。还要记住:从直线移动过渡到圆弧,意味着进给率减少。上面这个例子会减少33%的进给率。


用来确定转角或圆弧插补进给率补偿的公式是:(2×圆弧半径)-刀盘直径/ 2 ×半径。


总而言之,高进给铣削与切屑的厚薄密切相关。你必须提高进给率,以补偿大导程角(通常为80°- 82.5°)造成的切屑过薄。大多数情况下,进给速度要比使用方肩或45°导程铣刀的标准进给速度快4-5倍。大导程角在一定程度上限制了轴向DOC,将大部分切削力沿轴向推到主轴上,会增加稳定性。

就像赛车一样,必须注意刀路方向改变。使用进给率补偿计算来降低你的进给率,并在改变方向时使用平滑的圆弧或半径刀具路径,以防止刀具过度啮合和颤动。采用正确的应用方式时,高进给铣削是一种富有成效的金属去除工序,在深腔和长距离应用中可成为救星。

高速铣削


与高进给铣削一样,高速铣削也会增加你的进给率,以补偿切屑过薄,但不是因为刀具的前角。高速铣削中的切屑过薄是由于刀具直径在切削过程中的径向啮合有限。在车削中,切屑有一个恒定的厚度。然而,铣刀是在圆弧面上切削的,并非平面。切屑厚度的变化取决于切削刃相对于切削弧线的位置。当铣刀完全参与切削时,切屑厚度在进入和退出时为零,在旋转弧线的中间处最厚。与所有的金属切削操作一样,我们必须管理切屑厚度,还要记住切屑厚度并不总是等于进给率。


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在铣削中,想把热量引进切屑,首先它必须足够厚。


我们在讨论导程角时,首次介绍了切屑厚薄的概念。随着前角增加,切屑厚度开始减小。在正常的车削操作中,一旦在前角上应用切屑厚薄系数,切屑厚度就会保持不变。


铣削需要同时考虑导程角的切屑厚薄和径向啮合的切屑稀疏结果。这个结果被称为“平均切屑厚度”或hm。在任何物理学专业学生向我发难之前,我想说明:hm是一个物理学术语,意思是对一组中的某一点的测量,即为整组的平均值。我不知道金属切削行业为什么对这两个不同的内容混用同一个词,但他们就这样做了,所以我也只能继续用这个词。


请注意:在切削过程中,刀具旋转的开始、中间和结束时,切屑厚度为零。切屑在中心线上是最厚的。平均hm位于切削中心线和切削的开始和结束之间。


为什么我们要在乎平均切屑厚度呢?请记住:产生切屑的条件是什么?是热量和压力。你希望热量能进入切屑。这就是平均切屑厚度(hm)发挥作用的地方。平均切屑厚度必须大于你的刃口形状,倒圆刃或倒棱刃,否则铣刀又会变成砂纸。硬质合金喜欢切削,不喜欢摩擦。摩擦会产生不可控的摩擦和热量,对刀具寿命有害无益。这是每齿进给量方程式的作用:fz = hm×√(D1/ae) × cos(K)。


这个等式看起来很难,但其实并不难,而且它在成功和失败之间起着至关重要的作用。


高进给铣削的关键,是了解刀具的径向啮合(ae)与它对平均切屑厚度(hm)和每齿或每条槽的进给率fz的影响关系。随着刀具直径的径向啮合减少,你的进给率必须增加,以补偿将发生的径向切屑过薄。通过使用该公式,你可以计算出每条槽或刀片所需的进给率fz,以达到所需的平均切屑厚度(hm)。大多数刀具制造商根据给定刀具的刃口准备的尺寸和形状,同时提供fz(每齿进给量)和hm值。一旦你计算出每个槽或刀片所需的进给率,计算IPM(英寸/分钟)就很容易了。大多数情况下,IPM进给率比标准进给率快4-5倍以上。


在高进给铣削中,高进给率与高轴向切削深度和特定的刀具路径策略相结合,以实现高金属去除率。较高的轴向切削深度是可能的,因为减少径向啮合产生的径向力减少了。通常情况下,轴向深度大于2倍直径,最深可达6倍直径。通过使用较高的螺旋角,可进一步减少径向力,从而使更多切削力进入主轴。在较高的轴向切削深度下,排屑不是问题,因为切屑不会像较高的径向啮合那样被挤到槽内。排屑便利,也允许应用带有更多槽或刀片的刀具,从而获得更高的进给率。有更多槽和刀片的刀具通常有更大的核心直径,因为切屑沟或槽的空间小,进一步提高了刚性、刚度和稳定性。


除了这些好处,高速铣削还减少了传入刀具和零件的热量,提高了刀具寿命,减少了零件加工硬化的可能性。这可能和你的印象不符:当你听到高速时,你会想到高热,但在这里并非如此。在全槽应用中,刀具的全直径与工件啮合,或刀具上出现一个完整的180° 啮合弧。这种高啮合弧意味着刀刃在切割中啮合的时间很长,因此会产生更多热量。随着径向或啮合弧度的减少,每个切削刃与工件接触的时间也会减少,产生的热量也会减少,并能提供更长的切削间隔时间,以冷却切削刃。


这样减少热量有几个好处。它有助于防止高碳钢和不锈钢的加工硬化,并在加工难熔金属和超级合金时,减少传回到刀具上的热量。总而言之:它提高了刀具的使用寿命。所有这些积极结果,能带来什么呢?


其实不会带来什么实质东西,但有些基本原则仍需遵循。整个加工机制的刚性:机床、主轴、刀架、夹具等总是很重要。在刀具上保持恒定负载是关键,需要特定的刀具路径——不要突然、急剧地改变方向。


摆线铣削、动态铣削或体积块铣削,是大多数现代CAD/CAM软件支持的几种刀路策略,有助于高速和高进给加工。在许多情况下,都需要用一种以上的刀路策略来完成零件加工。
记住:地上的切屑越多,出厂的零件就越多!

(本文所有图片均由Davis Metal Cutting Technology提供)
作者:Ron D. Davis


来源:荣格-《国际金属加工商情》

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