銑削加工中機械負荷的控制

發(fā)布時間：2021-06-25 在以銑削加工為主的斷續(xù)切削工況中，刀具和切削參數(shù)的選擇對熱量的產(chǎn)生、吸收和控制有何影響。熱量難題金屬切削在切削區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的溫度高達800至900攝氏度，在該切削區(qū)內(nèi)，切削刃會促使工件材料變形并將其切除。在連續(xù)...

　　在以銑削加工為主的斷續(xù)切削工況中，刀具和切削參數(shù)的選擇對熱量的產(chǎn)生、吸收和控制有何影響。 熱量難題 金屬切削在切削區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的溫度高達 800 至 900 攝氏度，在該切削區(qū)內(nèi)，切削刃會促使工件材料變形并將其切除。在連續(xù)車削加工中，熱量以穩(wěn)定的線性方式產(chǎn)生。與此相反，銑刀齒間歇性地切入和切出工件材料，切削刃的溫度也會交替地升高和下降。 加工系統(tǒng)的元件會吸收金屬切削過程中產(chǎn)生的熱量。通常，10% 的熱量進入工件，80% 進入切屑，10% 進入 刀具。最好的情況是切屑帶走絕大部分的熱量，因為高溫會縮短刀具壽命，并損壞所加工的零件。

　　工件材料的不同導熱性以及其他加工因素，都會對熱量的分布產(chǎn)生顯著影響。例如，高溫合金的導熱性較差。當加工導熱性較差的工件時，傳入刀具的熱量會增加。此外，加工硬度較高的材料會比加工硬度較低的材料產(chǎn)生更多熱量。在通常情況下，更高的切削速度會增加熱量的產(chǎn)生，而更高的進給量會加大切削刃中受高溫影響的區(qū)域。

　　

　　嚙合弧度

　　由于銑削過程的間歇性質(zhì)，切削齒只在部分加工時間內(nèi)產(chǎn)生熱量。切削齒的切削時間百分比由銑刀的嚙合弧決定，而嚙合弧則受到徑向切削深度和刀具直徑的影響。

　　不同銑削工藝的嚙合弧也不同。例如在槽銑中，工件材料在加工過程中包圍一半的刀具；嚙合弧是刀具直徑的 100%。切削刃一半的加工時間都花在切削上，因此熱量迅速積聚。這種情況與側(cè)銑不同，在側(cè)銑中，任何時候都只有相對較小的刀具部分與工件嚙合，并且切削刃有更多的機會向空氣中散熱。

　　刀具中積聚過多熱量會造成刀具磨損或變形，進而縮短刀具壽命。相反，許多切削刀具材料必須在溫度高于臨界最低水平時才能充分發(fā)揮效率。

　　特別是硬質(zhì)合金刀具，它由堅硬但易碎的粉末金屬制成。如果溫度高于特定最低水平，則會提高粉末金屬材料的韌性并減少斷裂情況。與之相對，當切削溫度過低時，刀具會易碎并導致斷裂、微崩或刃口積屑。因此，目標是維持合理的切削溫度范圍。

　　

　　切屑厚度和熱量問題

　　本系列中的前一篇文章探討了徑向切削深度、切削刃主偏角進給量和切屑厚度在銑削過程中對機械負荷的影響。同樣的加工因素加上切削速度，也會影響銑削的熱負荷。

　　切屑厚度會對熱量和刀具壽命產(chǎn)生極大的影響。如果切屑厚度過大，造成的重負荷會產(chǎn)生過多的熱量和切屑，甚至導致切削刃斷裂。如果切屑厚度過小，切削過程只在切削刃的較小部分上進行，而增加的摩擦和熱量會導致迅速的磨損。

　　

　　銑削中產(chǎn)生的切屑的厚度會隨著切削刃進出工件而不斷變化。因此，刀具供應商采用“平均切屑厚度”的概念來計算旨在保持最高效切屑厚度的刀具進給量。

　　確定正確的進給量所涉及的因素包括：刀具的嚙合弧或徑向切削深度以及切削刃的主偏角。嚙合弧越大，產(chǎn)生理想平均切屑厚度所要求的進給量就越小。

　　同樣，刀具的嚙合弧越小，獲得相同切屑厚度就需要更高的進給量。刀具的切削刃主偏角也會影響進給要求。當切削刃偏角為 90 度時，切屑厚度最大，因此，為了達到相同的平均切屑厚度，減小切削刃主偏角就需要提高進給量。

　　

　　為了保持切削區(qū)內(nèi)的切屑厚度和溫度與刀具在滿刀切削時的值相等，刀具供應商制定了補償系數(shù)，用于在刀具嚙合量百分比減小時增加切削速度。

　　例如，如果滿刀切削（100% 的直徑在切削中嚙合）的速度系數(shù)為 1.0，90 度切削刃主偏角刀具（20% 的直徑在切削中嚙合）的速度補償系數(shù)為 1.35。因此，如果滿刀切削的切削速度為 100 m/min，對于僅五分之一的直徑在切削中嚙合的刀具，保持其最佳切屑厚度所需的切削速度為 135 m/min。

　　從熱負荷角度來看，如果嚙合弧小，切削時間可能不足以產(chǎn)生最大刀具壽命所需的最低溫度。由于增加切削速度通常會產(chǎn)生更多的熱量，將小嚙合弧與更高的切削速度相結合有助于將切削溫度提升至所需的水平。更高的切削速度還會縮短切削刃與切屑接觸的時間，從而減少傳入刀具的熱量?？傮w而言，更高的切削速度還會減少加工時間并提高生產(chǎn)率。另一方面，更低的切削速度會降低加工溫度。如果加工中產(chǎn)生的熱量過多，降低切削速度可將溫度降至可接受的水平。

　　切削刃槽型

　　銑刀刀體的幾何角度和切削刃有助于控制熱負荷。刀體的基本角度決定了刀片相對于工件的位置。切削刃處于正前角（切削刃的刀尖部分先接觸工件從工件材料向后滑）的刀具可產(chǎn)生較小的切削力以及較少的熱量，同時還允許使用更高的切削速度。但是，正前角刀具比負前角刀具更薄弱，工件材料的硬度及其表面狀況將決定是否應使用負前角刀具。負前角刀具可產(chǎn)生更大的切削力和更高的切削溫度。

　　切削刃的槽型本身可以引起和控制切削作用及切削力，從而影響熱量的產(chǎn)生。刀具與工件接觸的刃口可以進行倒角、鈍化或是鋒利的。經(jīng)過倒角或鈍化的刃口強度更大，但同樣會產(chǎn)生更大的切削力和更多熱量。鋒利的刃口盡管強度沒有這么大，但可以減小切削力并降低加工溫度。

　　切削刃后的倒棱用于引導切屑，它可以是正倒棱也可以是負倒棱，正倒棱同時會產(chǎn)生較低的加工溫度，而負倒棱設計強度更高但會產(chǎn)生更多熱量，二者各有利弊。

　　由于銑削過程為斷續(xù)切削，銑削刀具的切屑控制特征通常不如在車削中那么重要。然而，根據(jù)所涉及的工件材料以及嚙合弧，判斷形成和引導切屑所需的能量可能會變得十分重要。狹窄或強制斷屑切屑控制槽型能夠立即卷起切屑，并產(chǎn)生更大的切削力和更多熱量。更開闊的切屑控制槽型可產(chǎn)生更小的切削力和更低的加工溫度，但可能不適用于某些工件材料和切削參數(shù)組合。

　　冷卻問題

　　另一個控制金屬切削加工中產(chǎn)生的熱量的方法是控制冷卻液的應用。溫度過高會導致切削刃快速磨損或變形，因此必須盡快控制熱量。

　　為了有效地降低溫度，必須對熱源進行冷卻。然而，將冷卻液注入切屑和切削刃之間的壓力為 20000 bar 左右的高溫切削區(qū)卻非常困難。此外，在這種惡劣環(huán)境下，冷卻液會立即蒸發(fā)。在此類情況下，冷卻液可能無法非常有效地帶走熱量，但冷卻液多少會有所幫助。

　　冷卻液流究竟有多大影響尚不清楚；冷卻液有效性自身就是一個研究課題。它就像是宗教；您可以信或者不信。通常，如果預計有過多的熱量，則可以應用冷卻液。例如，在槽銑中，使用冷卻液通常沒有害處。它會有所幫助，但有多大幫助還值得探討。但在切削溫度較低的側(cè)銑中，最好還是不要應用冷卻液。

　　結論

　　多種彼此相關的因素共同形成了金屬切削加工中的負荷。在加工過程中，這些因素會相互影響。本文探討了銑削加工中的熱量問題以及它們與機械因素的關系。熟悉產(chǎn)生金屬切削負荷的各項因素及其相互作用的總體結果，將有助于制造商優(yōu)化其加工工藝并最大限度地提高生產(chǎn)率和盈利能力。

　　附注：補償?shù)囊嫣?/p>

　　為銑削加工計算的補償因子指出了多種途徑來改變與刀具嚙合量有關的切削參數(shù)，從而保持所需的加工溫度。如果溫度過低，則無法使刀具材料達到最大的韌性，同時還可能會形成積屑瘤（積屑瘤是導致切削刃斷裂或微崩的情況）。如果溫度過高，則會加快切削刃磨損或刀具變形。通過參數(shù)調(diào)整進行補償可以平衡熱負荷與機械負荷，優(yōu)化刀具壽命和生產(chǎn)率。

　　應用補償因素還有助于采用先進的銑削策略。例如，在使用采用小徑向和軸向切削深度的高速加工 (HSM) 方法時，刀具供應商應用指南建議提高切削速度。如果不采用更高的速度來生成熱量，HSM 較輕的切削刃嚙合可能無法產(chǎn)生足夠高的、有助于實現(xiàn)最佳刀具性能的溫度。總之，調(diào)整 HSM 的切削參數(shù)可以顯著提高金屬移除率。

　　

　　為 HSM 加工所選的刀具應具有鋒利的切削刃，并采用耐磨性良好的硬切削材料制造。高效排屑至關重要，特別是在加工鋁等較軟的材料時；建議使用具有大切屑槽或開闊排屑槽的刀具。重要的是，用于 HSM 的機床應能夠在足夠高的速度下運行，從而滿足補償規(guī)格的要求。

　　另外，當調(diào)整參數(shù)以平衡熱負荷和機械負荷時，硬銑削策略也會受益。由于硬銑削產(chǎn)生大量的熱，因此可以建議減小切削深度。在切削深度和進給量保持較小的情況下，可以使用切削速度來優(yōu)化切削參數(shù)。

　　硬銑削中采用的機床必須具有良好的剛度和減振能力，能夠在大切削負荷下進行精確的加工。堅固的刀具夾持系統(tǒng)可以提供更大的強度和抗振性，如有可能，應避免使用長接長桿。多刃短刀具也有助于加工穩(wěn)定性。負前角刀體和研磨過的刃口可以增加切削刃的強度。

　　在高進給銑削 (HFM) 策略中，每個切削齒都具有較大的進給量，這通過小切削深度和中等切削速度來平衡。該方法提供了較高的金屬移除率，同時切削力和功耗要低于其他策略。刀具上的彎曲負荷更小，減少了振動風險，并能夠使用更長、剛性較差的刀具。另外，該策略最適于具有足夠速度和功率的高剛度機床。應選擇適當?shù)牡毒咧髌且詫⑤S向切削力引導至機床主軸上。

　　在高性能加工 (HPM) 策略中，首先軸向和徑向切削深度得到了最大限度的增加，然后選擇進給量和切削速度來盡可能減小刀具磨損。該方法以最低的成本實現(xiàn)了高金屬移除率。HPM 需要專門設計的卷屑器、強度更大的切削刃以及能夠高效排屑的排屑槽。HPM 還適用于移除大量材料以及加工難以切削的材料。

　　簡單的切削速度或其他參數(shù)調(diào)整將有助于控制切屑厚度，從而控制簡單銑削加工中的熱負荷。但在銑削復雜的輪廓時，卻難以根據(jù)不斷變化的切削工況來控制參數(shù)。為了實現(xiàn)最大生產(chǎn)率，先進的 CAM 軟件與可以快速處理大量命令的強大 CNC 技術的前瞻能力一起，能夠應用先進的銑削策略，包括擺線銑削加工策略、片皮法等策略。