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減小徑向吃刀量的高效銑削策略分析
在銑削加工中，金屬去除率的計算方法是：金屬去除率（mm3/min）＝徑向切寬（mm）×軸向切深（mm）×進(jìn)給率（mm/min）。機(jī)床技術(shù)、切削刀具和加工軟件的進(jìn)步使這些參數(shù)不斷優(yōu)化，從而最大限度地提高了銑削生產(chǎn)率。
最大限度地提高銑削金屬去除率的傳統(tǒng)方法是綜合采用大小為刀具直徑25%－50%的徑向吃刀量（切削寬度或走刀步距）和軸向吃刀量（切削深度）。據(jù)Performance Tooling Solutions咨詢公司總裁Craig Segerlin介紹，這種方法雖然能夠獲得可以接受的金屬去除率，但也可能會產(chǎn)生很大且不均衡的徑向切削力，從而造成不可預(yù)知的刀具磨損，以及作用于機(jī)床主軸和其他零部件的機(jī)械應(yīng)力。
一種具有更高生產(chǎn)率的替代銑削策略是減小銑刀的徑向吃刀量，同時提高進(jìn)給率和切削速度，其結(jié)果是切削負(fù)荷更輕、速度更快、金屬去除率更高，并且減小了作用于刀具和機(jī)床上的切削力。雖然切削速度有所提高，但由于切削刃與工件的接觸時間縮短，刀具有更多時間處于空冷狀態(tài)，因此產(chǎn)生的切削熱反而有所減少。
不過，減小徑向吃刀量也會減小銑削時產(chǎn)生的切屑厚度，而切屑過度變薄可能會造成一些問題。當(dāng)切屑負(fù)荷過小時，銑刀刀齒或立銑刀的刃溝會磨擦（而不是剪切）工件，從而產(chǎn)生更多切削熱，導(dǎo)致刀具壽命縮短。太薄的切屑還會喪失吸熱能力，無法將有害的切削熱從刀具和工件上帶走。
為了在減小徑向吃刀量后仍然能獲得足夠的切屑厚度，就需要加大銑刀切削刃的切屑負(fù)荷。Segerlin舉了一個例子：當(dāng)一把直徑12.7mm的銑刀采用6.35mm的徑向切寬時，銑刀的吃刀量是刀具直徑的50%，切削弧為90°。假設(shè)該刀具采用0.05mm的切屑負(fù)荷，在刀具吃刀量為50%時，切屑厚度也是0.05mm.如果將徑向切寬減小到0.254mm（6.35mm的1/25），切削弧就變?yōu)?.6°（90°的1/25）。為了在徑向切寬為0.254mm時保持0.05mm的切屑厚度，切屑負(fù)荷可能需要增加3.5倍，達(dá)到0.178mm.
這一目標(biāo)可以通過增大進(jìn)給率來實現(xiàn)（進(jìn)給率[mm/min]＝每齒切屑負(fù)荷[mm]×齒數(shù)×轉(zhuǎn)速[r/min]）。由于切削速度也是決定切屑負(fù)荷的因素之一，因此也可以提高切削速度。Segerlin指出，將徑向切寬減小到刀具直徑的5%－10%，可使切削速度提高2－3倍，進(jìn)給率增大5－7倍，并使切屑負(fù)荷增大3－5倍。
減小徑向吃刀量也可以大幅減小作用于刀具上的橫向載荷，從而可以用立銑刀的整個切削刃（軸向切深）進(jìn)行切削。由于金屬去除率等于徑向切寬、軸向切深和進(jìn)給率的乘積，因此，增大切深量會直接提高金屬去除率。Segerlin將這種加工方法稱為高效率加工（HEPM）。
機(jī)床因素
Segerlin介紹說，在某些情況下（取決于工件材料），采用小徑向吃刀量銑削策略能在功率較小的機(jī)床上獲得可與更大功率機(jī)床相媲美的加工效果。雖然一臺典型的50錐度機(jī)床可能擁有比40錐度機(jī)床更大的功率，但40錐度機(jī)床可能具有更高的主軸轉(zhuǎn)速，因此更符合這種銑削策略輕載、高速的加工特點。
Methods機(jī)床公司加工技術(shù)經(jīng)理Michael Minton表示，采用較小的徑向切寬、較高的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率，為尋找一種與傳統(tǒng)的大切寬重載銑削方式截然相反的替代加工策略提供了一個機(jī)會。 他認(rèn)為，這種銑削方式減小了機(jī)床承受的加工載荷，可以在輕型機(jī)床上獲得更高的生產(chǎn)率。
不過，他也指出，這種加工策略的存在不應(yīng)該成為機(jī)床采購決策的唯一影響因素。他說，我的理念是，應(yīng)該根據(jù)加工需要購買合適的機(jī)床。每種加工都各不相同，購買機(jī)床時，應(yīng)考慮其結(jié)構(gòu)特點是否有利于完成其特定的加工任務(wù)。例如，雙面接觸主軸可同時在錐面和端面上對刀具定位，因此具有更好的徑向剛度。在鉆削加工中，徑向剛度可能并不十分重要，但在會產(chǎn)生橫向載荷的加工中（如銑削加工），徑向剛度則至關(guān)緊要。Minton說，Method公司商品化的Feeler加工中心已將雙面接觸主軸作為標(biāo)準(zhǔn)配置。
Minton指出，采用新的加工策略還需要機(jī)床用戶解放思想。他說，有些習(xí)慣于創(chuàng)新思維的用戶敢于打破條條框框，但也有許多用戶只想按照傳統(tǒng)加工方式亦步亦趨。他列舉了一個加工實例。我們以前是用鈷高速鋼立銑刀以很小的加工參數(shù)大約115r/min的主軸轉(zhuǎn)速和25mm/min的切削速度銑削鎳基合金。我們試圖采用一些不同的加工方法：用更短的時間和更低的成本完成同樣的加工任務(wù)。我們可以采用1m/min或更高的切削速度，通過8次走刀乃至16次走刀來完成對鎳基合金的銑削，同時大大減小對主軸和刀具的磨損，以及作用于工件的加工應(yīng)力。銷售這種加工技術(shù)的最好方式是向用戶展示如何將它應(yīng)用于其最終產(chǎn)品的加工。
牧野機(jī)床公司立式加工中心產(chǎn)品經(jīng)理Bill Howard表示，由于小吃刀量銑削策略基本上就是減小吃刀量和提高切削速度，因此該方法可能對機(jī)床功率和切削扭矩要求較低。但仍然要求機(jī)床具有足夠的剛性和精度。
為了保證良好的加工表面光潔度，每一次走刀都必須與上一次走刀精確匹配。在每次走刀結(jié)束時，需要考慮同樣的因素。Howard說，如果你所用的機(jī)床剛性很差，就可能會發(fā)生過切，切削的終點就會偏離預(yù)定位置。這就像在彎曲的賽道上駕駛賽車一樣，如果轉(zhuǎn)彎過多，你就需要不斷在通過彎道時努力控制賽車速度。
在談到高速、高精度加工機(jī)床時，Howard介紹了該公司的F系列立式加工中心。該機(jī)床的特點之一是采用了螺距為8mm的滾珠絲杠（而不是更常見的16mm螺距滾珠絲杠）。這種小螺距絲杠每轉(zhuǎn)一圈的軸向直線位移量為8mm.小螺距滾珠絲杠與數(shù)字伺服技術(shù)相結(jié)合，使微小的軸向位移可進(jìn)一步細(xì)分為更小的位移增量，并幫助賽車以更高的速度轉(zhuǎn)彎。
與機(jī)床機(jī)械部件配對的運(yùn)動控制系統(tǒng)采用牧野公司為三維復(fù)雜廓形的大進(jìn)給、高精度加工而設(shè)計的超級幾何智能（SGI.4）控制系統(tǒng)。SGI.4系統(tǒng)可以預(yù)測各軸運(yùn)動的變化、伺服滯后或刀軌快速變化的跟隨誤差，并提前予以補(bǔ)償，從而最大限度地提高刀軌精度。這種3D誤差補(bǔ)償使該機(jī)床即使在進(jìn)給率比傳統(tǒng)機(jī)床高5倍乃至更多的情況下，也能可靠地跟蹤加工模具廓形和復(fù)雜幾何形狀的刀具路徑。
大進(jìn)給銑刀
為了充分發(fā)揮高效銑削策略的優(yōu)勢，刀具制造商已開發(fā)出了各種類型的大進(jìn)給銑刀。英格索爾（Ingersoll）刀具公司的模具加工產(chǎn)品經(jīng)理Bill Fiorenza表示，采用大進(jìn)給銑刀的目的是提高進(jìn)給率和采用較小的切深，利用切屑減薄效應(yīng)，并促使切削力向上傳入主軸中心。一般而言，此類刀具能產(chǎn)生均勻一致的切屑負(fù)荷，并最大限度地減小顫振，起到保護(hù)切削刃和延長刀具壽命的作用。Fiorenza說，雖然各種大進(jìn)給銑刀的幾何形狀各不相同，但大體來說，大進(jìn)給銑刀通常都是具有大前置角的直刃銑刀，或采用倒圓三角形。
關(guān)于大前置角，英格索爾公司開發(fā)的SP6H/SP6N S-Max面銑刀采用傾斜的刀片，形成與水平面幾乎成80°的大前置角。隨著前置角的增大，切屑分布在更長的切削刃長度上，導(dǎo)致切屑厚度變薄。為了獲得足夠的切屑厚度，就必須提高進(jìn)給率。為了克服S-Max銑刀的大前置角引起的切屑減薄，就需要將其進(jìn)給率提高到0°前置角銑刀進(jìn)給率的5倍。
MAXline產(chǎn)品經(jīng)理Tom Noble認(rèn)為，采用大前置角的好處是可以提高金屬去除率。例如，用0°前置角銑刀銑削P-20模具鋼時，采用的切深為3.8－5mm，切屑負(fù)荷為0.25－0.3mm.如果改用前置角為80°的銑刀，切深將會減小到1.5－1.8mm，但你可能會采用每齒1.5mm的進(jìn)給率，即0°前置角銑刀進(jìn)給率的5倍。這樣，其金屬去除率將是采用0°前置角銑刀的4－6倍。 Noble強(qiáng)調(diào)，為了減小橫向載荷，對于長徑比大于3的細(xì)長型銑刀，進(jìn)給率的提高幅度不宜太大。
Fiorenza指出，大進(jìn)給銑削策略也可以用于傳統(tǒng)的紐扣銑刀，這種刀具的切屑負(fù)荷分布在更長的圓形切削刃上，因此切深更�。ㄔ�0.50－1.25mm范圍內(nèi)），切屑更薄。一般來說，只要采用較小的切深量，就可以將紐扣銑刀用于大進(jìn)給銑削。不過，大進(jìn)給銑刀的切削性能通常優(yōu)于紐扣銑刀，因為它們通常具有較小的刀尖圓弧半徑和徑向吃刀量。圓刀片有一個使事情復(fù)雜化的因素：相對于某一切深量的切屑負(fù)荷在不斷變化。
為了計算出紐扣銑刀切削時應(yīng)該采用多大的徑向吃刀量，F(xiàn)iorenza建議用刀具直徑尺寸減去刀片的內(nèi)切圓尺寸，然后再乘以60%或65%.例如，紐扣銑刀的直徑為100mm、刀片內(nèi)切圓尺寸為12.5mm，二者相減等于87.5mm，再乘以60%，即可計算出徑向吃刀量應(yīng)為52.5mm.Fiorenza表示，該計算公式通常非常適用。他補(bǔ)充說，不推薦采用中心線切削方式（即吃刀量正好等于刀具直徑的1/2），因為這樣會使切削刃突然切入（而不是逐漸切入）工件材料，容易造成較大的沖擊。而本例采用的逐漸切入方式通常更為合理，并有助于實現(xiàn)更高的進(jìn)給率。
編程解決方案
伊斯卡公司行業(yè)項目專家Tom Raun指出，隨著切削速度和進(jìn)給率的提高，為了充分發(fā)揮小吃刀量銑削策略的優(yōu)勢，刀具、機(jī)床、控制程序和安裝等要素缺一不可。在以大徑向吃刀量切削時，對提高生產(chǎn)率的限制主要體現(xiàn)在刀具上，加工車間需要考慮如何才能在刀具的承受極限內(nèi)盡可能提高進(jìn)給率。而采用小徑向走刀步距與高切速、大進(jìn)給相結(jié)合的銑削策略時，限制生產(chǎn)率提高的主要因素從刀具轉(zhuǎn)換為機(jī)床它的速度能有多快？
Raun說，在最初的小吃刀量銑削策略中，關(guān)注重點是克服切屑減薄，很容易確定使平均切屑厚度恢復(fù)到刀具能正常切削的水平所需的進(jìn)給率，但實際上并未考慮同時提高切削速度。而現(xiàn)在，加工車間處于未知領(lǐng)域，因為具有高速主軸的機(jī)床允許在提高進(jìn)給率的同時也提高切削速度，而機(jī)床性能的上限并不清楚。
因此，伊斯卡公司研究了如何將小吃刀量銑削策略標(biāo)準(zhǔn)化。 Raun表示，我們將徑向吃刀量鎖定為刀具直徑5%－10%之間的某個值，并將其作為基準(zhǔn)，來確定對于某種給定的工件材料，可將切削速度提高多少。在許多情況下，這是由機(jī)床允許的最高切削速度來決定的。我們有時會遇到購買的機(jī)床不具備高速切削功能的情況，由于這些機(jī)床不能平穩(wěn)而快速地實現(xiàn)所需的刀具運(yùn)動，因而無法采用小徑向切寬、全軸向切深的銑削方法。
Raun說，在小吃刀量銑削策略的研發(fā)過程中，我們不斷積累相關(guān)的知識和數(shù)據(jù)，直到我們認(rèn)為自己有了很好的基準(zhǔn)信息，可以將其納入編程系統(tǒng)之中。然后，伊斯卡公司與Mastercam CAM軟件開發(fā)商CNC軟件公司（CNC Software Inc.）聯(lián)手開發(fā)加工程序。Mastercam軟件中包含了為采用小徑向切寬、大軸向切深銑削法而設(shè)計的多種刀軌。這些動態(tài)銑削（DM）刀軌能始終保持對銑刀吃刀量的控制。當(dāng)Mastercam的用戶選擇一個動態(tài)刀軌（DT）時，可以通過在Iscar HEM刀軌中激活某項功能，改進(jìn)小徑向吃刀量加工的刀具路徑。為此，可從Mastercam X5軟件提供的伊斯卡專項刀具庫中選擇刀具。選中某種刀具后，程序員輸入初始速度和進(jìn)給參數(shù)（傳統(tǒng)銑槽參數(shù)），Mastercam軟件就會根據(jù)伊斯卡研發(fā)部門提供的存儲數(shù)據(jù)推薦切削速度和進(jìn)給率。Raun說，在刀軌對話框中有一個滑動條，可以兼顧徑向切屑減薄和提高切削速度的所有計算結(jié)果。
Mastercam的國際銷售/戰(zhàn)略伙伴關(guān)系主管Steve Bertrand說，這種方法準(zhǔn)確可靠，可以確保刀具的正確使用，用戶可以充分利用自己的機(jī)床、刀具和軟件，從中獲得最大收益。
Raun表示，伊斯卡研發(fā)工作的重點是為最常用的P類和M類（鋼和不銹鋼）ISO工件材料的銑削加工提供技術(shù)支持。目前仍在繼續(xù)開發(fā)用于難加工材料（如航空航天材料）的小吃刀量銑削技術(shù)。他指出，伊斯卡已將該技術(shù)的應(yīng)用重點集中在兩種系列刀具上。一種是該公司開發(fā)的防顫振（CF）。該銑刀采用可變導(dǎo)程刀槽，可在高速切削時有效抑制顫振。另一種是將不同刀具設(shè)計技術(shù)集于一身的新型全合一銑刀。該刀具采用了適合大進(jìn)給切削的刀尖幾何形狀，有利于銑刀平穩(wěn)進(jìn)入切削；同時采用了可變導(dǎo)程刀槽，以抑制顫振。這種刀槽上還分布有一系列鋸齒狀結(jié)構(gòu)，用于分?jǐn)嚅L切屑。這些技術(shù)結(jié)合在一起，促進(jìn)了平穩(wěn)、高效的高速銑削，同時還能控制刀具的磨損。
簡便易行是用戶接受新的加工策略（如小吃刀量銑削）的關(guān)鍵。Raun說，一些編程難度大的加工方法將難以持久。如果沒有像動態(tài)銑削這樣的CAM軟件，小吃刀量銑削就很難實現(xiàn)，因為你無法對各種復(fù)雜的刀軌進(jìn)行高效編程。
應(yīng)用實例
位于美國密歇根州的BTM公司主要制造用于鉚接金屬薄壁件的Tog-L-Lok系統(tǒng)。除了生產(chǎn)自己的產(chǎn)品外，該公司還承接合同加工業(yè)務(wù)。其中一項軍工任務(wù)是切削加工材料為17-4 PH不銹鋼的封閉端蓋。該零件為方形，有兩種尺寸，分別為175mm×175mm和175mm×225mm，厚度分別為47mm和66mm.客戶提供的工件毛坯是直徑分別為225mm和250mm的圓形棒料，因此BTM必須將其銑削成方形。
BTM在Mazak Ultra 650臥式加工中心上銑削該零件。最初是用直徑75mm的刀片式面銑刀（裝有7個刀片）進(jìn)行加工，切削參數(shù)為：表面切削速度84m/min，進(jìn)給率380mm/min，徑向切寬45mm，軸向切深5mm.以這些參數(shù)加工時，面銑刀的金屬去除率為135mm3/min，在加工308分鐘后需要更換刀片時，切除的材料重量為41，630mm3.加工一個端蓋需要走刀14次，耗時22分鐘。
Performance Tooling Solutions公司的Segerlin建議用直徑19mm的伊斯卡整體硬質(zhì)合金立銑刀取代原來所用的面銑刀。立銑刀的切削參數(shù)為：表面切削速度180m/min，進(jìn)給率3，300mm/min，徑向切深1.25mm，軸向切深44.5mm.立銑刀的金屬去除率為294mm3/min，在加工336分鐘后需要換刀時，切除的材料重量為98，755mm3.加工一個端蓋需要走刀42次，但每個零件的切削時間僅為8分鐘。
銑削工藝改進(jìn)的結(jié)果表明，利用小吃刀量銑削技術(shù)，可以提高金屬去除率，縮短加工周期和延長刀具壽命。
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