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    学术科普

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    浅谈高效摆线铣削工艺

    时间:2019/9/2 10:09:08    浏览次数:59    字体:   

    以很短的加工时间和较长的刀具寿命进行工艺优化是当今大多数生产企业获得更高经济效益的重要举措。当涉及到大余量切削或铣削深槽或铣削工件轮廓,高效摆线铣削(TrochoidalPerformanceCutting-TPC)的优点是显而易见的。目前,这种高效摆线铣削工艺越来越受到广泛的重视和应用,成为快速和经济地制造构件的创新工艺。这种加工工艺以较小的侧吃刀量、较小的接触角和很大的背吃刀量加工任意工件的材料,特别适合于加工诸如渗碳钢、不锈钢、钛基合金、镍基合金等难切削的材料。如采用常规切削工艺,以全宽切削方式(侧吃刀量=铣刀直径,即铣刀与工件之间1800的接触角)进行粗加工,除了会产生较长的切屑外,还会在刀具上产生很高的热负荷,使刀具产生强烈的磨损。生产实践表明,高效摆线铣削是一种能降低切削力,同时又提高材料切除率和延长刀具寿命的最佳铣削工艺。

     高效摆线铣削也称旋风铣削,目前又称作高动态铣削(HighDynamicCutting-HDC),这是一种特别高效的铣削工艺。当今,高动态机床性能的不断提高、加工中心控制系统快速的计算能力和功能强大的CAD/CAM软件的应用,使这种铣削工艺得到了新的发展。目前,高效摆线切削正经历着强势的回归。这种创新的高效粗加工工艺,在大余量、深槽、构件轮廓和难切削材料的加工中正获得越来越广泛的应用。

     



    高效摆线铣削的工艺参数的选择分析

     为了充分利用高效摆线铣削的整个优点,正确选择好工艺参数相当重要。切削刃长度和铣刀的切削深度(Lc,ap),刀具直径(Dc)要由工件的几何形状来确定(图1)。对于所要加工的槽,可以以所要制造槽宽的60%作为选择铣刀最大直径的一个标准值。待加工工件的材料影响到所要选择的接触角(φs)和最大允许的侧吃刀量(ae,侧吃刀量一般为0.1-0.5Dc。工件材料决定了铣刀可以采用的切削速度。其中,侧吃刀量(ae)是一个很重要的工艺参数,它的大小和与铣刀直径的比例决定了铣刀与工件材料之间的接触角度(φs)(表1)。侧吃刀量与铣刀直径的比值越大,则由此产生的接触角越大,一般规律是:接触角越大,刀具冷却时间就越短,切削热进入切削刀刃就越多。对于摆线铣削,在一个铣削循环中这个角度一般是在10°-70°的范围内变动。随着待加工材料切削难度的增加,就应该减小侧吃刀量与铣刀直径的比值(ae/Dc)。在铣削铝时这个比值约为0.3;铣削钢和不锈钢时约为0.2;在加工淬硬材料时约为0.15;加工超级合金时约为0.1





    由于接触角较小,除了可降低刀刃上的机械负荷外,也可减小刀刃上的热负荷,由此就能显著地提高刀具的使用寿命。但是,如果接触角较小,很可能导致太少的刀刃参于切削,因此,应增加切削刀齿数。然而情况并非都是这样。因为,一般供高效摆线铣削用的铣刀,由于它的螺旋形刀刃,始终能确保刀刃与工件的接触。由于切削余量大,应确保铣刀有足够的排屑空间以用于切屑输送。摆线铣削的铣刀,其直径一般在6-25mm范围,相应的刀齿数为4-8.这类铣刀通常是一种密齿铣刀。

     摆线铣削时,采用的背吃刀量(ap)可达到刀具直径的4倍,有的甚至可达到5倍。通过较小的侧吃刀量(ae)、较大的背吃刀量(ap)和较高的进给速度的完美结合,由此达到很高的材料切除率(生产率)。

     高效摆线铣削的应用

     如上所述,摆线铣削工艺主要用于深的侧轮廓或深槽的铣削。在铣削这类工件时,可以采用比常规铣削工艺高得多的切削速度(表4),并能获得比常规工艺好得多的结果:高的材料切除率、短的加工时间、高的刀具耐用度、低的刀具费用和高的过程可靠性。





    摆线铣削工艺又特别适合于切削诸如超级合金、不锈钢和高强度钢等难切削材料的加工。在这里应提及的是飞机涡轮发动机整体叶盘的加工。由于整体叶盘具有重量轻和效率高的优点,而得到广泛应用,根据对专家的咨询,到2020年对这类构件的需求将增加一倍。而整体叶盘由于采用钛铝(TiAl)或镍基合金等高耐热材料,较难于切削,并且加工余量大,整体叶盘在结构上,叶片之间又难于接近,因此对加工技术和刀具有很高的要求。近年来,由于摆线铣削的工艺特点和诸多优点,使摆线铣削成为高效铣削整体叶盘的关键工艺。许多加工实践表明,在5轴加工中心上,采用高效摆线铣削工艺可获得显著高的生产率。由于采用高的切削参数和较短的空行程路径,大大缩短了加工时间。由于整体叶盘复杂的几何形状和叶片之间较差的可接近性,对于构件的粗加工,主要是采用高的切削速度来提高其生产率。

     高的切削速度会增加刀具的磨损,因此,需要采用耐磨的刀具材料和刀具涂层,以优化刀具的耐用度,由此来降低成本,并提高过程的可靠性。

     在高效摆线铣削时,同时恒定的切削负载和较短的切削(接触)时间也导致了刀具较小的磨损,从而大大提高刀具的耐用度和过程的可靠性。图2表示的,是采用Walter公司整体硬质合金专用铣刀加工整体叶盘的情况,从图中采用的切削用量也可以看出,减小侧吃刀量,从而提高切削速度是提高材料切除率(生产率)的重要因素。





    摆线铣削工艺是一种同时实现向前运动的圆周铣削工艺,由于这种工艺特殊的切削运动学,使这种工艺可以采用较小的侧吃刀量、较小的接触角和较高的切削参数,因而,在许多应用中,可以比常规铣削工艺在材料切除率、加工时间、切削力、刀具耐用度和过程可靠性等方面获得显著的改善。

     当今,基于现代加工中心控制系统的高计算能力,又与功能强大的CAD/CAM系统相结合,并通过CAM系统产生摆线铣削的刀具轨迹,使该工艺呈现了一个崭新的发展阶段。

     这种崭新的发展势头也反映在近年来新出现的“高动态铣削”、“高速轮廓铣削”和“高动态摆线铣削”等名称上,有公司甚至称高动态摆线铣削工艺是通过高的切削速度实施的一次粗加工革命。

     这种高效摆线铣削工艺使刀具始终以最佳方式切入和切出待加工工件,并在加工中确保理想和恒定的切削条件,大大缩短了加工时间和优化了刀具的使用寿命,提高了过程的可靠性。

     显然,摆线铣削策略描述了一个最佳的切削工艺,作为智能铣削策略的一部分,是一种优化铣削加工的高效铣削工艺,在许多应用领域可望获得丰硕的成果。