數控機床

      上海（hǎi）, 2015 年 06 月 - 本文是第二（èr）篇探討金屬切（qiē）削過程中刀具的受力機理、影響因素和載（zǎi）荷控製的係列（liè）文章（zhāng）。第一篇（piān）文章重點介紹（shào）了車（chē）削加工中的（de）基本概念以（yǐ）及刀具幾何形狀、進給（gěi）率與機械（xiè）載荷之間的關係。本文則分析銑削中刀具位置和走刀路徑對機械負荷的影響。車削過程中，每次僅有一個刃（rèn）口參與切削且切削（xuē）載荷穩定的，而銑削過程中，多個（gè）切削刃參與（yǔ）切削且承受快速變化的間歇式負荷。因此，要成功地進行銑削加工就需要針（zhēn）對銑削做出大量選（xuǎn）擇和（hé）考慮。

      不斷變化的負荷
 

      進行銑削加（jiā）工的第一步也是最基本的一步，就是選擇銑刀類型和切削刀片或刃口類型，以滿足零件獲得所需特性。刀具供應商提供了具備粗加（jiā）工或精加工幾何槽型的麵銑刀、立銑刀、三麵刃（rèn）銑刀和其他刀（dāo）具（jù），幾乎可以滿足任何所需的零件特性。

      無論在加工中使用哪種刀具，刀具的切削刃都會反複地切進切出工（gōng）件（jiàn）材料。作用在各個銑刀齒上的切削載荷（hé）從切入前的零值達（dá）到切削過程中的峰值，然後在切出時恢複零值。通過（guò）緩和銑削工（gōng）藝中的間歇式負荷，從而可以（yǐ）最大限度地提（tí）高刀具壽命、生產率和（hé）工藝可靠性。刀具位置、切入切出策略以及切屑厚（hòu）度控製是促進該（gāi）目標得以實現的關（guān）鍵因素。

      切入工件

      在銑削中，刀具上的負荷很大程度上取決（jué）於刀具和切削刃切入工件的方式。在傳統銑削（xuē）或逆銑中，刀（dāo）具的旋轉方向工件（jiàn）進給方向相（xiàng）反。在順（shùn）銑中，刀具旋向與工件進給方向相反。

      HQ_ILL_Up_Milling_Versus_Down_Milling.jpg

      其結果是，在傳統銑削中（zhōng），切削刃以最小切屑厚度切入工件並以最大切屑（xiè）厚度切出（chū）。相反，在順銑中，切削刃以最大切屑厚度切（qiē）入工件（jiàn），而在切出時切屑厚度可減小至零。不論哪（nǎ）種（zhǒng）情況，銑削加（jiā）工都會產生變厚度的切屑。
 

      在大多數情況下，刀具供應商會建議順銑，因（yīn）為可以（yǐ）最大限度（dù）地減少傳（chuán）統銑削中由於切（qiē）屑太（tài）薄而導致的切屑與刃口的摩（mó）擦。在順銑中，切入時切屑的（de）厚度最（zuì）大這有助於熱量傳遞到切屑中，從而保護工件（jiàn）和刀具。切屑將會排出，降低了二次切削切屑的風（fēng）險。

      然而，在（zài）某些情況下，傳統銑削卻是首選。采用順銑方法銑麵會產生（shēng）向下的力，在破舊的手（shǒu）動（dòng）機（jī）床上會引進反向間隙（xì）位移。在傳統銑削中刀具從工件上拉起，因而對於較不穩定的機床，特別是重型切削，傳統銑削可能是更（gèng）好的選擇。銑削粗表麵或（huò）薄壁材（cái）料時，傳統銑削也非常有效，而刀具（jù）逐（zhú）漸切入工件（jiàn）材料可以防止較脆的超硬刀具材料（liào）發生衝擊損壞。另一方麵，傳統銑削的切入時切屑薄特性所產生的過度（dù）摩擦和過多熱量可能會對刀具造成有害影響。刀具切削刃受力不均（jun1）會導致刃口微崩並增大拉伸應力。表麵粗糙度可能會受到影響，因為切屑會掉（diào）入刀具前部並造成切屑二次（cì）切削（xuē）。

      在順銑中，刀具以最大的切屑厚度切入會使刀具承受較大的機械負荷，但對於大部分刀（dāo）具材料而言，這並不是主要問題。包括（kuò）硬質合金、陶瓷和高速鋼在內的現代刀具材料都是粉末型產品，具有（yǒu）良好的抗（kàng）壓（yā）強度。
 

      在探討刀具位置和進刀策略時，機床操作工應注意，將（jiāng）刀具放置到工件中心線的任一側始終（zhōng）是首選。中心定位會同時產生（shēng）傳統銑削和順銑的作用力，可導致加工不穩並出現振（zhèn）動。

      HQ_ILL_Central_Positioning_Versus_Side_Positioning.jpg
 

      退刀策略

      切削刃（rèn）如何切出工件（jiàn）與如何切（qiē）入同等重要（yào）。實驗結果表明，退刀的位置與刀具切削刃壽命之間有明確的關係。如果退刀過於突（tū）然（rán）或不均勻，切削刃將會微崩（bēng）或斷裂。另一方麵，注意合理退刀會使（shǐ）刀具壽命延長多達 10 倍。關鍵值便是退刀角，退刀角是指銑（xǐ）刀中心線與切削刃退刀點之間的夾角。退刀角可以是負值（高於（yú）刀具中心線（xiàn）），也可以是正值（低於中（zhōng）心線）。當退刀角大約介於負 30 度和正 30 度之（zhī）間時，刀具切削刃的失效更加明顯（請參閱（yuè）圖 3/3 幅（fú）圖（tú））。這些退刀角包圍的工（gōng）件區域的寬度大致是銑刀直徑的（de）一半。

      HQ_ILL_Cutter_Positioning_1.jpg
  
  
      
  
      HQ_ILL_Cutter_Positioning_2.jpg

      HQ_ILL_Cutter_Positioning_3.jpg

      另一個改善銑刀切削刃負荷間歇性質的方法，是最大限度地增加任何時候（hòu）與工件齧合（hé）的切削刃的數（shù）量。使用更小的直徑、密齒刀具和（hé）更（gèng）大的徑（jìng）向切深會使更多的切齒與工件接觸，並使切削力分（fèn）布更加均勻。

      切屑厚（hòu）度

     
      銑削中產生的切屑厚度（dù）極大地影響著切削力（lì）、切削溫度、刀具壽命和切屑形（xíng）成及排屑。如（rú）果切屑過厚，會產生過大（dà）的負（fù）荷（hé），導致切削刃微崩或斷裂。如果切削過薄，切削過程隻在切削（xuē）刃（rèn）較少部（bù）分（fèn）上進行，而摩擦（cā）的增（zēng）加會產生熱量，繼而加速（sù）磨損。

      切屑厚度（dù）通過垂直於有效切削刃測量得出。如上所（suǒ）述，銑（xǐ）削過（guò）程中形成的切屑會隨切削刃切過工件時不（bú）斷變化厚度。出於（yú）編程目的，刀具（jù）製造商采用“平均切屑厚度”的概念。平均厚度是最厚和最（zuì）薄切（qiē）屑尺寸的平（píng）均值。刀具製造商為特定刀具槽型提供了平均切屑厚度，如果應用和維護得當，將產生最佳的刀具壽命和生產率。機床操作工（gōng）利用該（gāi）平均切屑厚度值來確定刀具進給率，以（yǐ）保持建議的平均切屑（xiè）厚度。刀（dāo）具徑向齧合量、刀具直徑、刀具位置和切削刃主偏角是確定合（hé）適進（jìn）給率的因素。徑向齧（niè）合量（liàng）是徑向（xiàng）切深 (ae) 與銑刀直徑 (Dc) 之比。刀具徑向齧（niè）合量越大，產生所需切屑厚度需要的進給率就越低。同樣，刀具的齧合量（liàng）越小（xiǎo），獲得相同的切屑厚度就需要越高的進（jìn）給率。切削刃主偏角（jiǎo）也（yě）會影響進給要求。當主偏角為（wéi） 90 度時，切（qiē）屑（xiè）厚度最大，因此為了（le）達到相同的（de）切（qiē）屑厚度，減小主偏角就需要提高進給率。
 

      相比研磨刃口或倒角刃口（kǒu），鋒利的切削刃（rèn）可產生更小的切削力，但也更容易碎裂。為了防止微崩和斷裂，必須限製切削刃上的機（jī）械負荷（hé），因（yīn）此在應用鋒利的切削（xuē）刃時，建議采用更小的平均切屑厚度。在這種情況下，所（suǒ）用切（qiē）削刃槽型決定著如何（hé）選擇正確的（de）平（píng）均切屑厚度，反之亦然。
 

      機床操作工可利用基本銑（xǐ）削應（yīng）用（yòng）中的這些原則和方法來控（kòng）製銑（xǐ）削刀具上的間歇應力。然（rán）而，隨著零件要求變得日益（yì）複（fù）雜，即使隻是簡單的圓角（jiǎo）銑削，基本上也無法通過手動更改進給（gěi）率來保持建議的平均切屑厚度。對於這些情況以及其他情況，包括非常複雜的 5 軸銑削，CAM 軟件和高級 CNC 設備的製造商已研發出了擺線銑削和片皮法等加工策略以及（jí）具（jù）備恒定徑向切深模塊的Dynamic Milling、Volumill、Adaptive Clearing 等 軟件編程模（mó）塊。這些軟件和機床控製技術的進步代表了刀具進退和切屑厚度管理基本概念（niàn）取得的高科技發展，便於控製（zhì）刀具間歇式銑削過程的效（xiào）果。

      切屑厚度

      一個多世紀以來，製造商利用（yòng）銑床和刀具大批量生產了不計其數的高品質零（líng）件。在此期間，基本銑削工藝保持（chí）不變，即在工件上使（shǐ）用旋轉刀具來加工表麵。工藝的間（jiān）歇切削性質也未發生變化。

      銑床和（hé）銑刀的發展已達到（dào）一個令人難以（yǐ）置信的程度，但在很多情況下，它們的用戶都沒有充分（fèn）利用該技術（shù）進步。認識到工（gōng）件和刀具在銑（xǐ）削（xuē）和（hé）加工中獨（dú）特的相互作（zuò）用可以減少工藝中的間歇應力，使得製造商實（shí）現了生產率、質量和刀（dāo）具（jù）壽命最大化這一幾乎難以實現的（de）三重目標。

     HQ_ILL_Average_Chip_Thickness.jpg