山高刀具 (上海)有限公司

長(zhǎng)期以來，使用CAM系統(tǒng)進(jìn)行刀具路徑優(yōu)化已屢見不鮮，尤其是在模具行業(yè)中。然而，加工車間最近開始將這種能力與相對(duì)較新的加工策略和專門設(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。通過經(jīng)由CAM生成的刀具路徑來操縱刀具的接觸弧，加工車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。

在操縱接觸弧的過程中，加工車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，并通過調(diào)整每齒進(jìn)給量和接觸弧來維持。由于切屑厚度在切削過程中不斷變化，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)，可通過提高每齒進(jìn)給量 (fz)來實(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)鍵問題，同時(shí)還滿足了切削刃和長(zhǎng)度要求。

舉例來說，山高開發(fā)了Jabro?-HPM(高性能加工)刀具，專門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，我國(guó)對(duì)于農(nóng)民工的體育參與程度越來越給予高度重視，并且開始實(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到各種體育健身的設(shè)備。僅從湖南省說，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)于城市來說，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)所的開放力度。

為了覆蓋更大范圍的工件材料，山高專門用于優(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)。靠近所選的刀具路徑時(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)刀具過載、卡緊或過切的風(fēng)險(xiǎn)。借助這種能力，加工車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)床無法處理重型粗加工的車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)，加工車間應(yīng)使用最大壓力的壓縮空氣來吹除切屑。

需要注意的是，對(duì)機(jī)床編程時(shí)，加工車間無法采用基于CAM的粗加工策略，因?yàn)槌绦虮仨毻ㄟ^專門的刀具路徑優(yōu)化軟件包在外部生成。盡管加工車間在對(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)汽車組件進(jìn)行粗加工的優(yōu)勢(shì)。車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)于粗加工摩托車零件模具的山高客戶來說，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%。