在優(yōu)化的刀具路徑上運(yùn)行粗加工策略

山高刀具 (上海)有限公司

長(zhǎng)期以來(lái)，使用CAM系統(tǒng)進(jìn)行刀具路徑優(yōu)化已屢見(jiàn)不鮮，尤其是在模具行業(yè)中。然而，加工車(chē)間最近開(kāi)始將這種能力與相對(duì)較新的加工策略和專門(mén)設(shè)計(jì)的整體旋轉(zhuǎn)切削刀具配合使用，以優(yōu)化粗加工操作。

這種基于CAM的粗加工 (或稱為動(dòng)態(tài)銑削)策略將刀具的接觸弧和平均切屑負(fù)荷作為關(guān)鍵因素。通過(guò)經(jīng)由CAM生成的刀具路徑來(lái)操縱刀具的接觸弧，加工車(chē)間可以提升粗加工速度，有效地控制工藝溫度，應(yīng)用更高的每齒進(jìn)給量，以及獲得更大的切削深度，從而顯著縮短工件的總加工周期。實(shí)現(xiàn)這一切并不會(huì)對(duì)機(jī)床主軸施加額外的應(yīng)變。

接觸弧和熱負(fù)荷與切削速度之間的關(guān)系

任何刀具上的最大接觸弧均為180°，或基本上等于其直徑。因此，在處于最大接觸弧時(shí)，徑向切深 (或切削寬度)與刀體直徑相等，由ae(徑向切深)=Dc(刀體直徑)表示。

在操縱接觸弧的過(guò)程中，加工車(chē)間可以降低粗加工期間產(chǎn)生的熱量。刀具的接觸弧會(huì)隨著徑向切深的減小而縮短。由于接觸弧縮短會(huì)造成摩擦減小，因此刀具切削刃和工件間產(chǎn)生的熱量也會(huì)減少。這帶來(lái)的結(jié)果就是刀具的切削刃在退出切削、旋轉(zhuǎn)然后重新進(jìn)入切削的過(guò)程中獲得了更多的冷卻時(shí)間。這種更低的加工溫度進(jìn)而提高了切削速度并縮短了加工周期。

平均切屑厚度和物理負(fù)荷

刀具的平均切屑厚度 (hm)取決于物理負(fù)荷，并通過(guò)調(diào)整每齒進(jìn)給量和接觸弧來(lái)維持。由于切屑厚度在切削過(guò)程中不斷變化，因此行業(yè)采用了平均切屑厚度 (hm)一詞。

完整的180°接觸弧將在刀具寬度的中心產(chǎn)生最厚的切屑。因此，較小的接觸弧，即小于90°(je，嚙合角)，可以減少切屑厚度。作為補(bǔ)償，這允許采用更大的每齒進(jìn)給量 (fz)。

例如，假設(shè)使用一個(gè)直徑為10mm的刀具以10mmae(完整接觸弧)進(jìn)行側(cè)面粗加工。在該ae下，刀具會(huì)產(chǎn)生最大的平均切屑厚度/最重的物理負(fù)荷。在第一個(gè)90°內(nèi)，刀具進(jìn)行逆銑，直到達(dá)到最大切屑厚度 (fz)。在進(jìn)入第二個(gè)90°后即變?yōu)轫樸?，此時(shí)切屑厚度再次降至零。但是，如果ae下降 (ae＜Dc)至1mm(10%)，則平均切屑厚度將變小。此時(shí)，可通過(guò)提高每齒進(jìn)給量 (fz)來(lái)實(shí)現(xiàn)更快的粗加工。雖然刀具切除的材料減少，但相比徑向切削更深而進(jìn)給率更慢的方式，這種方式的速率更快且刀具和機(jī)床的主軸應(yīng)力更小。在槽粗加工應(yīng)用中，更低的ae甚至還允許更大的ap(切削深度)，從而更快地切除材料。

用于優(yōu)化粗加工的刀具設(shè)計(jì)

雖然大多數(shù)刀具供應(yīng)商都提供用于特定材料的產(chǎn)品，但其他供應(yīng)商，例如山高刀具公司，還開(kāi)發(fā)了用于高級(jí)加工方法的刀具槽型。就基于CAM的粗加工策略而言，這種刀具解決了切屑控制的關(guān)鍵問(wèn)題，同時(shí)還滿足了切削刃和長(zhǎng)度要求。

舉例來(lái)說(shuō)，山高開(kāi)發(fā)了Jabro?-HPM(高性能加工)刀具，專門(mén)用于以完整接觸弧進(jìn)行加工的粗加工機(jī)床，并可在極高的材料切除應(yīng)用中采用較大的切深。這類刀具擁有專門(mén)設(shè)計(jì)的槽型，能夠在特定材料加工中實(shí)現(xiàn)更出色的性能。

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)于農(nóng)民工的體育參與程度越來(lái)越給予高度重視，并且開(kāi)始實(shí)施很多農(nóng)民工健身的工程建設(shè)，從許多街道我們都可以見(jiàn)到各種體育健身的設(shè)備。僅從湖南省說(shuō)，已經(jīng)將體育健身器材普及到了村鎮(zhèn)，如今很多農(nóng)村和社區(qū)都有健身設(shè)備和器材。但是對(duì)于城市來(lái)說(shuō)，很多公共體育健身的場(chǎng)所農(nóng)民工進(jìn)不去，這是由于農(nóng)民工工作時(shí)間比較長(zhǎng)，進(jìn)行體育鍛煉很不方便，因此政府要考慮到這些因素，適時(shí)增加公眾體育健身場(chǎng)所的開(kāi)放力度。

為了覆蓋更大范圍的工件材料，山高專門(mén)用于優(yōu)化粗加工策略的Jabro?-Solid2550系列刀具的槽型最近進(jìn)行了修改。該刀具采用雙芯設(shè)計(jì)，可提供額外的穩(wěn)定性并減少刀具變形。

在JS550系列中，公司確定長(zhǎng)度更長(zhǎng)的刀具可在深型腔和3D形狀粗加工/動(dòng)態(tài)銑削中獲得最佳效果。此類刀具長(zhǎng)度通常介于直徑的三倍和四倍之間。在保持穩(wěn)定的接觸弧時(shí)，這些刀具會(huì)經(jīng)歷持續(xù)且沿其切削刃均勻分布的磨損，并提供可預(yù)測(cè)的刀具壽命。然而，長(zhǎng)刀具會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較長(zhǎng)的切屑，難以從切削區(qū)和機(jī)床中排出。為了獲得更小、更易控制的切屑，山高通過(guò)添加分屑槽 (刀具切削刃和排屑槽上的小槽)更改了JS554L(加長(zhǎng)型)刀具的設(shè)計(jì)。改后的刀具，現(xiàn)在稱為JS5543C(C表示分屑槽)，具有以1XD(刀體直徑)為間距的分屑槽。因此，長(zhǎng)度為40mm、直徑為10mm的刀具所產(chǎn)生的切屑不再長(zhǎng)于10mm，并可從切削區(qū)快速排出，從而消除了堵塞機(jī)床切屑傳送帶的風(fēng)險(xiǎn)。短一些的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度刀具也非常適用于優(yōu)化的粗加工策略。山高使用它的一種標(biāo)準(zhǔn)JS554刀具 (2×Dc+2mm的切削長(zhǎng)度)對(duì)常見(jiàn)的SMG-3鋼質(zhì)型腔進(jìn)行粗加工，并獲得了與使用長(zhǎng)刀具時(shí)同樣出色的加工效果。

山高以典型的10%ae:Dc比率 (這是使用長(zhǎng)刀具時(shí)采用的比率)來(lái)運(yùn)行短刀具，但只修改了每齒進(jìn)給量，可以產(chǎn)生相同的金屬去除率。當(dāng)應(yīng)用小接觸弧時(shí)，刀具的切削刃越多，其進(jìn)給速度越快，生產(chǎn)率也就越高。進(jìn)給速度=刀具刃數(shù)×每齒進(jìn)給量×主軸速度。粗加工刀具通常最多有四個(gè)切削刃，不過(guò)山高目前正在研究五刃刀具的可行性。

復(fù)雜的工件形狀

在直線加工路徑 (側(cè)銑)中，接觸弧會(huì)在設(shè)定后保持不變。然而，對(duì)于復(fù)雜的工件形狀，例如包含內(nèi)圓角和外圓角，就會(huì)出現(xiàn)與設(shè)定的接觸弧不一致的情況。

當(dāng)?shù)毒咄瓿芍本€切削并接合內(nèi)圓角/角時(shí)，其接觸弧將增大，而這意味著切削參數(shù)不再符合當(dāng)前的接觸弧。如果刀具路徑未針對(duì)這些情況進(jìn)行調(diào)整，則會(huì)導(dǎo)致顫振、振動(dòng)甚至刀具斷裂。

如今，CAM軟件包專門(mén)針對(duì)內(nèi)/外圓角形狀提供了刀具路徑策略:沿著常規(guī)刀具路徑更改接觸弧。這些軟件包自動(dòng)應(yīng)用不同的進(jìn)給量，以控制接觸弧并保持一致的切屑負(fù)荷。為了保持接觸弧，CAM軟件包在進(jìn)入圓角時(shí)會(huì)采用擺線加工和剝皮銑削技術(shù)?？拷x的刀具路徑時(shí)，CAM軟件包可顯著降低L形運(yùn)動(dòng)，甚至進(jìn)一步縮短加工周期。

使用優(yōu)化的粗加工刀具路徑并保持一致的接觸弧時(shí)，刀具的圓角可以與所切的內(nèi)圓角相匹配，而不會(huì)出現(xiàn)刀具過(guò)載、卡緊或過(guò)切的風(fēng)險(xiǎn)。借助這種能力，加工車(chē)間能夠在粗加工走刀時(shí)去除更多的材料，從而減少精加工走刀時(shí)需要切削的材料量。所有這些都將轉(zhuǎn)化為更短的加工周期。

優(yōu)化的粗加工策略也適用于特定的工件材料。山高已經(jīng)對(duì)鋼、不銹鋼、鑄鐵、鈦合金、鋁和硬度高達(dá)48HRC的鋼件進(jìn)行了廣泛的測(cè)試。山高建議加工車(chē)間首先對(duì)鈦合金、高溫合金等難加工材料應(yīng)用10%～5%的ae:直徑比率。山高已為這些特定的接觸弧以及許多其他接觸弧確定了優(yōu)化的速度和進(jìn)給參數(shù)。加工車(chē)間可以應(yīng)用大于建議值的ae量，但必須降低切削速度以及每齒進(jìn)給量。

對(duì)于ap，山高目前提供了專為最大2×D的ap而設(shè)計(jì)的Jabro?-HPM刀具，用于鋼件 (JHP951和JHP993)的滿刃切槽。盡管這被認(rèn)為是極其困難的加工，但山高的通用型刀具JS5543C在應(yīng)用優(yōu)化的粗加工策略后，可以輕松處理4×D。此外，機(jī)床無(wú)法處理重型粗加工的車(chē)間只需減小接觸弧并使用擺線加工路徑即可。這種做法減小了切削力并降低了對(duì)高機(jī)床功率的需求，但仍然可以應(yīng)用大切削深度來(lái)實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)效率。

當(dāng)粗加工策略應(yīng)用于不銹鋼、鈦合金等難切削材料時(shí)，可在刀具的整個(gè)長(zhǎng)度 (頂部、中部和底部)上應(yīng)用冷卻液。對(duì)整個(gè)切削刃進(jìn)行冷卻非常重要。在切削鋼件和鑄鐵件時(shí)，加工車(chē)間應(yīng)使用最大壓力的壓縮空氣來(lái)吹除切屑。

需要注意的是，對(duì)機(jī)床編程時(shí)，加工車(chē)間無(wú)法采用基于CAM的粗加工策略，因?yàn)槌绦虮仨毻ㄟ^(guò)專門(mén)的刀具路徑優(yōu)化軟件包在外部生成。盡管加工車(chē)間在對(duì)機(jī)床編程時(shí)可以手動(dòng)輸入山高確定的接觸弧數(shù)據(jù)，但該數(shù)據(jù)僅能用于簡(jiǎn)單的直線粗加工或固定的擺線切削循環(huán)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

盡管優(yōu)化的粗加工策略是長(zhǎng)刀具的理想選擇，但山高還對(duì)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的刀具進(jìn)行了接觸弧測(cè)試。在某一測(cè)試中，山高以300m/min的切削速度、20mm的切削深度、1mm的ae、0.2mm的每齒進(jìn)給量運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)Jabro554刀具，加工時(shí)間為4分26秒。隨后，技術(shù)員將ae改為2mm，并將每齒進(jìn)給量降低至0.1mm。雖然金屬切除率保持不變，但加工時(shí)間卻降至3分11秒。造成加工時(shí)間縮短的原因是更高的ae雖不能提高加工速度，但確實(shí)減少了走刀次數(shù)。因此，能在更短的時(shí)間內(nèi)對(duì)工件進(jìn)行粗加工。

工況1 測(cè)試結(jié)果

山高使用一家航空航天客戶的BT40主軸機(jī)床和一個(gè)實(shí)際工件，向該客戶展示了粗加工策略的優(yōu)勢(shì)。該客戶通常使用常規(guī)刀具路徑和標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床參數(shù)對(duì)這些工件進(jìn)行粗加工，每個(gè)工件的粗加工周期為一個(gè)小時(shí)。

山高采用了直徑最大的適當(dāng)?shù)毒?直徑為25mm、具有分屑槽的JS5543C長(zhǎng)刀具。結(jié)合優(yōu)化的粗加工策略和刀具路徑，該刀具將之前的加工周期縮短為8min，結(jié)果非常令人驚異。此外，山高預(yù)計(jì)，如果使用功能更強(qiáng)大的機(jī)床，還可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)時(shí)間節(jié)省 (粗加工時(shí)間很有可能達(dá)到6min)。

山高的另一位客戶也體驗(yàn)了優(yōu)化的粗加工策略和刀具路徑對(duì)汽車(chē)組件進(jìn)行粗加工的優(yōu)勢(shì)。車(chē)間不僅將總體零件加工時(shí)間從8.5min縮短至僅僅1.1min，還將每個(gè)刀具的壽命從加工80個(gè)零件提高到加工250個(gè)零件。

而對(duì)于粗加工摩托車(chē)零件模具的山高客戶來(lái)說(shuō)，優(yōu)化的粗加工和刀具路徑可將加工周期從900min縮短至400min。該客戶先前采用可轉(zhuǎn)位高進(jìn)給刀具進(jìn)行第一次和第二次粗加工操作，之后改用25mm直徑的JS5543C進(jìn)行第一次粗加工操作，并在第二次粗加工操作時(shí)使用高進(jìn)給參數(shù)。

結(jié)論

接觸弧和平均切屑厚度是優(yōu)化粗加工操作的關(guān)鍵。通過(guò)專用于刀具路徑優(yōu)化和動(dòng)態(tài)銑削方法的特殊CAM軟件包，當(dāng)今的制造商可以操縱/控制刀具的接觸弧并保持始終穩(wěn)定的負(fù)荷。這樣，制造商能夠有效地控制工藝溫度，應(yīng)用更高的切削速度和每齒進(jìn)給量，并獲得更大的切削深度，從而顯著縮短工件的總加工周期。

然而，制造商必須牢記:優(yōu)化的粗加工需要使用正確的CAM軟件包進(jìn)行外部編程。盡管大多數(shù)刀具供應(yīng)商可為特定材料提供刀具產(chǎn)品，但只有少數(shù)的供應(yīng)商為特定的高級(jí)加工循環(huán)和刀具路徑開(kāi)發(fā)刀具槽型。與使用傳統(tǒng)加工方法相比，采用合適的刀具和動(dòng)態(tài)循環(huán)，制造商幾乎可將金屬切除率提高500%。