用微型刀具進(jìn)行高速切削

發(fā)布日期:2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽:2501

    如今,工件的種類在不斷增多,同時工件的尺寸在不斷縮小。制造小型化的趨勢要求制造工藝必須進(jìn)行相應(yīng)的變革。這種日益增長的需求要求人們重新思考如何用更小直徑的刀具實現(xiàn)更高效率的加工。刀具的直徑越小,要求的主軸轉(zhuǎn)速(rpm)越高,而大多數(shù)常規(guī)機(jī)床的主軸卻很難達(dá)到如此高的轉(zhuǎn)速,即使能夠達(dá)到,機(jī)床主軸在極限狀態(tài)下持續(xù)運轉(zhuǎn)也會使其承受過大的應(yīng)力。常規(guī)的CNC加工機(jī)床采用直徑小于0.5″(12.7mm)的刀具在10000r/min 或以下轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工時,通常會導(dǎo)致進(jìn)給不合理和代價高昂的刀具損壞。

    傳統(tǒng)的加工方法通常采用較大的刀具以較低的速度進(jìn)行加工,而一般來說,較大的刀具本身在設(shè)計上并不適合完成較復(fù)雜的加工。為了用微型刀具進(jìn)行加工,常規(guī)機(jī)床必須低速運轉(zhuǎn),且微型刀具脆性較大而易于折斷。較大的刀具由于具有較大的質(zhì)量,因此對切屑的作用力具有一定的回彈作用;反之,較小的刀具因脆性較大而更容易折損。

    排屑不良是刀具損壞的主要原因之一。事實上,因排屑不良而損壞的微型刀具比采用不合理的切削參數(shù)而損壞的微型刀具更多。為使刀具損壞的可能性降至最小,就必須使切屑從切削區(qū)迅速排出。微型刀具在加工時需要高的主軸轉(zhuǎn)速,而為了實現(xiàn)快速排屑所需的主軸轉(zhuǎn)速甚至更高。

刀具尺寸和加工速度的定義:“微型刀具”包括直徑0.250″(6.35mm)以下的銑刀和鉆頭。這種小直徑刀具對于復(fù)雜、精細(xì)加工必不可少,且采用高速主軸可獲得最佳加工效果。“高速切削”目前尚無確切定義和絕對參數(shù),但一個可用的參考定義是主軸轉(zhuǎn)速在25000r/min以上即可稱為高速切削。

“三要素”解決方案

    提高微型刀具加工效率的三個相關(guān)要素包括微型刀具的優(yōu)化設(shè)計、采用低粘度冷卻液和高速切削技術(shù)。

(1)微型刀具的設(shè)計

    簡單地將較大直徑刀具的幾何參數(shù)按比例縮小而獲得的微型刀具通常難以實現(xiàn)高效進(jìn)給和達(dá)到令人滿意的加工精度。因為隨著刀具直徑的減小和主軸轉(zhuǎn)速的提高,對刀具的要求也在發(fā)生變化。采用機(jī)夾刀片的常規(guī)刀具設(shè)計并不適合微型刀具的加工要求。這主要是因為提高轉(zhuǎn)速對刀具的要求并不僅僅局限于刀具直徑的縮小。轉(zhuǎn)速的提高要求刀具具有更好的平衡性和更大的容屑空間,以確保順利排屑和防止產(chǎn)生積屑瘤。采用微型刀具進(jìn)行有效的高速切削加工需要對刀具進(jìn)行專門的優(yōu)化設(shè)計。微型刀具正確的幾何參數(shù)加上高速主軸機(jī)床和合理的冷卻方式,就能夠完全取消為去除毛刺而進(jìn)行二次加工。

(2)冷卻方式的優(yōu)化

    用微型刀具進(jìn)行高速加工時會產(chǎn)生大量切削熱,因此需要采取一些措施來冷卻降溫。雖然高速切削在減少切削熱方面具有某些優(yōu)勢,但僅靠高速切削技術(shù)有時還不足以完全解決冷卻問題,因此對于某些加工仍然需要一套有效的冷卻系統(tǒng)。

    冷卻系統(tǒng)能消除切削熱,同時還可以起到潤滑作用,使刀具能夠在工件表面進(jìn)行快速切削。嘗試用一把冷卻的餐刀切一塊冷黃油是一件相當(dāng)困難的事,因為餐刀切過黃油表面時缺乏潤滑。但如果將餐刀加熱后,它就能夠融化少許黃油,從而為餐刀提供潤滑,使其很容易地切割黃油。用刀具進(jìn)行高速切削也是相同的原理。微型刀具需要使用粘度比水更低的潤滑劑,這是因為需要使冷卻液能夠到達(dá)高速旋轉(zhuǎn)刀具的切削刃處。乳基冷卻液的粘度比水基冷卻液大,因此不適合用作微型刀具高速切削加工的潤滑劑。

    加工中使用的微量噴霧冷卻系統(tǒng)可以采用酒精(乙醇)作為冷卻液,它對于有色金屬和某些塑性材料加工的冷卻潤滑效果十分理想。但在加工鋼鐵類材料時則需要使用油基冷卻液,即酒精冷卻液的優(yōu)點并不適用于鋼鐵材料的加工,因為硬質(zhì)合金刀具在鋼鐵表面可能會引起瞬間放電,如果暴露于乙醇基冷卻液中則可能產(chǎn)生相當(dāng)高的動態(tài)電勢。

    常用的噴淋冷卻液通常都是石油基制品,這些冷卻液使用后需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕厥仗幚恚瑫a(chǎn)生附加費用。而酒精使用后就全部蒸發(fā)了,因此無需處理或回收再利用。雖然酒精具有易燃性,但它很低的揮發(fā)點使其成為一種對高速切削加工非常有效的冷卻潤滑劑。由于酒精是一種天然化合物,對環(huán)境無害,無廢棄物,無需清掃,因此也不會產(chǎn)生相關(guān)費用。此外,用酒精作為冷卻潤滑劑不會在工件上殘留任何油漬,從而可以避免對工件再進(jìn)行去油污的二次操作,而這些工序的成本都相當(dāng)高。

(3)高速切削技術(shù)

    刀具直徑越小,有效切削工件所需的主軸轉(zhuǎn)速就越高。用微型刀具進(jìn)行銑削、鉆削、銑螺紋和雕銑加工時,采用轉(zhuǎn)速范圍6000~60000r/min的高頻主軸最為理想。高速切削技術(shù)采用了高轉(zhuǎn)速、小步距、大進(jìn)給的加工策略。試想,移動你的手通過燃燒著的蠟燭火苗,如果你的手移動緩慢,火苗就有足夠時間灼傷你的手;而如果你的手快速掠過,火苗就來不及灼傷皮膚。用微型刀具進(jìn)行高速切削加工的原理也與此類似,當(dāng)?shù)毒呖焖僖苿訒r,切削熱就來不及傳入工件中并造成各種問題。

    在切削加工過程中,刀具不斷將切屑切離工件。所產(chǎn)生的切削熱約有40%來源于刀具每一個刀面與切屑的摩擦發(fā)熱,另有約20%來源于切屑的變形(彎曲)發(fā)熱。因此,總共有約60%的切削熱來源于切屑內(nèi)部。高速切削技術(shù)嘗試?yán)们行紟ё叽蟛糠譄崃,以實現(xiàn)更為清潔的切削。較高的加工質(zhì)量是基于良好的刀具冷卻、較低的切削力和因此而減小的加工振動。

    采用高主軸轉(zhuǎn)速可將切屑載荷(切深)減小到0.005″(0.13mm)以下,如此小的切深能顯著減小刀具與工件材料之間的切削力。高速/小切削力加工產(chǎn)生的熱量較少,可減小刀具偏差,并可實現(xiàn)對薄壁工件的加工。由于具有這些優(yōu)點,采用高速切削可以獲得較好的加工表面質(zhì)量,切削溫度較低,工件易于夾持,加工精度也較高。

正確選用加工機(jī)床

    基于使用微型刀具進(jìn)行高速切削的加工機(jī)床所具有的動力學(xué)特性,上述高速切削技術(shù)的相關(guān)原理是完全可以實現(xiàn)的。此類機(jī)床通常重量較輕,因此運動范圍較大,具有較好的靈敏性、柔性、多功能性以及很高的速度。常規(guī)的數(shù)控機(jī)床重量較大,因此其速度和機(jī)動性難以達(dá)到輕型機(jī)床的水平,但它們能夠采用較大的刀具進(jìn)行加工。常規(guī)數(shù)控機(jī)床有點像SUV(皮卡),雖然動力強(qiáng)勁,但機(jī)動性不足或無法在狹小空間停放。而跑車的設(shè)計和結(jié)構(gòu)使其不但馬力十足,而且具有高水平的可控性和靈敏性。用于微型刀具高速切削的數(shù)控機(jī)床就與跑車的特點非常相似。正如你不可能在SUV上安裝一個擾流板和漆上賽車條紋,然后就期望它能像跑車那樣飛馳一樣,你也不可能在笨重的常規(guī)數(shù)控機(jī)床上換裝一根高速主軸,就期望它能高效完成使用微型刀具的高速切削加工。

    在設(shè)計一臺機(jī)床時,你可以在兩種思路中任選其一。你可以制造一臺功率強(qiáng)大的大型機(jī)床,使其能用大型主軸來驅(qū)動大型刀具進(jìn)行加工。驅(qū)動大型刀具需要強(qiáng)勁的動力,這就意味著必須采用質(zhì)量較重的大電機(jī)。另一方面,你也可以制造一臺專門用于微型刀具的輕型機(jī)床。為采用微型刀具進(jìn)行高速切削而設(shè)計的機(jī)床需要承受的切削力較小,因此設(shè)計重點應(yīng)放在速度和靈敏性上,而不需要采用大電機(jī)驅(qū)動。

為了使一架飛機(jī)完成飛行,哪一邊的機(jī)翼更重要,左翼還是右翼?回答當(dāng)然是:要使飛機(jī)飛起來,兩翼同樣重要,同樣不可或缺。與此類似,為了實現(xiàn)微型刀具的高速切削加工,三要素(微型刀具、冷卻方式和高速切削)中的每一要素都同樣重要,缺少了其中任何一個環(huán)節(jié),都不可能實現(xiàn)高效率、高可靠性和高柔性加工。反之,如果將三要素完美地結(jié)合在一起,就能達(dá)到令人驚喜的加工速度和高水平的加工質(zhì)量。其加工優(yōu)勢還不止于此,它還能完全取消如去毛刺、去油污等后續(xù)二次操作。

加工實例

    下面列舉兩個在Datron機(jī)床上用微型刀具進(jìn)行高速切削的加工實例:①用直徑1/4″(6.35mm)的單槽銑刀高速銑削厚度為1/8″的6061鋁板,加工轉(zhuǎn)速為45000r/min,采用酒精冷卻,機(jī)床進(jìn)給率為250ipm;②用直徑1/8″(3.175mm)的小螺旋角雙槽高速銑刀(HSC+)銑削 1/8″厚的6061鋁板,加工轉(zhuǎn)速為50000r/min,采用酒精冷卻,機(jī)床進(jìn)給率為200ipm。

對于高速切削加工,有一些經(jīng)驗值得注意:①應(yīng)避免在主軸上加裝襯套,因為這樣會增大磨損和破損,大大縮短主軸壽命;②采用具有較小步距和較高進(jìn)給率的機(jī)床;③快速移動刀具,利用切屑帶走熱量。

結(jié)論

    綜上所述,要完美地完成任務(wù),就必須使用正確的工具。一個高爾夫球手既不會使用長打棒在草地上擊球,也不會使用輕擊棒在球座上開球。同樣,在常規(guī)數(shù)控機(jī)床上換裝高速主軸,也很難期望它能達(dá)到高速切削所要求的高標(biāo)準(zhǔn)。只有專門為微型刀具的高速切削而設(shè)計制造的機(jī)床才能滿足這種加工的嚴(yán)苛要求。

    用微型刀具進(jìn)行高速切削加工的優(yōu)點包括:切削力小,刀具不易損壞,加工溫度低,表面光潔度好,可取消后續(xù)去毛刺、去油污操作和刀具振動小等。高達(dá)60000r/min的主軸轉(zhuǎn)速使加工速度比過去大大加快,同時工件加工質(zhì)量也得到了提高。

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