山高刀具：在優(yōu)化的刀具路徑上運行粗加工策略
2013-12-13 來源：數(shù)控機床市場 作者：
長期以來，使用 CAM 系統(tǒng)進行刀具路徑優(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較新的加工策略和專門設(shè)計的整體旋轉(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（或稱為動態(tài)銑削）策略將刀具的接觸弧和平均切屑負荷作為關(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 - 實現(xiàn)這一切并不會對機床主軸施加額外的應(yīng)變。
接觸弧和熱負荷與切削速度之間的關(guān)系
刀具的接觸弧是一個可影響刀具上產(chǎn)生的熱負荷的獨立變量，并且還是優(yōu)化粗加工操作的關(guān)鍵。
任何刀具上的最大接觸弧均為 180 度，或基本上等于其直徑。因此，在處于最大接觸弧時，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。刀具的接觸弧會隨著徑向切深的減小而縮短。由于接觸弧縮短會造成摩擦減小，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)然后重新進入切削的過程中獲得了更多的冷卻時間。這種更低的加工溫度進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荷
刀具的平均切屑厚度 (hm) 取決于物理負荷，并通過調(diào)整每齒進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 度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 度（je，嚙合角），可以減少切屑厚度。作為補償，這允許采用更大的每齒進給量 (fz)。
例如，假設(shè)使用一個直徑為 10 mm 的刀具以 10 mm ae（完整接觸弧）進行側(cè)面粗加工。在該 ae 下，刀具會產(chǎn)生最大的平均切屑厚度/最重的物理負荷。在第一個 90 度內(nèi)，刀具進行逆銑，直到達到最大切屑厚度(fz)。在進入第二個 90 度后即變?yōu)轫樸姡藭r切屑厚度再次降至零。但是，如果 ae 下降 (ae < Dc) 至 1 mm(10%)，則平均切屑厚度將變小。此時，可通過提高每齒進給量 (fz) 來實現(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給率更慢的方式，這種方式的速率更快且刀具和機床的主軸應(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
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，同時還滿足了切削刃和長度要求。
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行加工的粗加工機床，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)計的槽型，能夠在特定材料加工中實現(xiàn)更出色的性能。
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®-Solid² 550 系列刀具的槽型最近進行了修改。該刀具采用雙芯設(shè)計，可提供額外的穩(wěn)定性并減少刀具變形。
在 JS550 系列中，公司確定長度更長的刀具可在深型腔和 3D 形狀粗加工/動態(tài)銑削中獲得最佳效果。此類刀具長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，這些刀具會經(jīng)歷持續(xù)且沿其切削刃均勻分布的磨損，并提供可預(yù)測的刀具壽命。然而，長刀具會產(chǎn)生相對較長的切屑，難以從切削區(qū)和機床中排出。
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（加長型）刀具的設(shè)計。改后的刀具，現(xiàn)在稱為 JS554 3C（C 表示分屑槽），具有以 1 X D（刀體直徑）為間距的分屑槽。因此，長度為 40 mm、直徑為 10 mm 的刀具所產(chǎn)生的切屑不再長于 10 mm，并可從切削區(qū)快速排出，從而消除了堵塞機床切屑傳送帶的風(fēng)險。
短一些的標準長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準 JS554 刀具（2 x Dc + 2 mm的切削長度）對常見的 SMG-3 鋼質(zhì)型腔進行粗加工，并獲得了與使用長刀具時同樣出色的加工效果。山高以典型的 10% ae：Dc 比率（這是使用長刀具時采用的比率）來運行短刀具，但只修改了每齒進給量，可以產(chǎn)生相同的金屬去除率。
當(dāng)應(yīng)用小接觸弧時，刀具的切削刃越多，其進給速度越快，生產(chǎn)率也就越高。進給速度 =刀具刃數(shù) x每齒進給量 x 主軸速度。粗加工刀具通常最多有四個切削刃，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，接觸弧會在設(shè)定后保持不變。然而，對于復(fù)雜的工件形狀，例如包含內(nèi)圓角和外圓角，就會出現(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，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這些情況進行調(diào)整，則會導(dǎo)致顫振、振動甚至刀具斷裂。
如今，CAM 軟件包專門針對內(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。這些軟件包自動應(yīng)用不同的進給量，以控制接觸弧并保持一致的切屑負荷。為了保持接觸弧，CAM 軟件包在進入圓角時會采用擺線加工和剝皮銑削技術(shù)。靠近所選的刀具路徑時，CAM 軟件包可顯著降低 L 形運動，甚至進一步縮短加工周期。
使用優(yōu)化的粗加工刀具路徑并保持一致的接觸弧時，刀具的圓角可以與所切的內(nèi)圓角相匹配，而不會出現(xiàn)刀具過載、卡緊或過切的風(fēng)險。借助這種能力，加工車間能夠在粗加工走刀時去除更多的材料，從而減少精加工走刀時需要切削的材料量 - 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)對鋼、不銹鋼、鑄鐵、鈦合金、鋁和硬度高達 48 HRc的鋼件進行了廣泛的測試。山高建議加工車間首先對鈦合金、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給量。
對于 ap，山高目前提供了專為最大 2 x D 的 ap 而設(shè)計的 Jabro®-HPM 刀具，用于鋼件（JHP951 和JHP993）的滿刃切槽。盡管這被認為是極其困難的加工，但山高的通用型刀具 JS554 3C 在應(yīng)用優(yōu)化的粗加工策略后，可以輕松處理 4 x D。
此外，機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高機床功率的需求，但仍然可以應(yīng)用大切削深度來實現(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，可在刀具的整個長度（頂部、中部和底部）上應(yīng)用冷卻液。對整個切削刃進行冷卻非常重要。在切削鋼件和鑄鐵件時，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，對機床編程時，加工車間無法采用基于 CAM 的粗加工策略，因為程序必須通過專門刀的具路徑優(yōu)化軟件包在外部生成。盡管加工車間在對機床編程時可以手動輸入山高確定的接觸弧數(shù)據(jù)，但該數(shù)據(jù)僅能用于簡單的直線粗加工或固定的擺線切削循環(huán)。
現(xiàn)場測試
盡管優(yōu)化的粗加工策略是長刀具的理想選擇，但山高還對標準長度的刀具進行了接觸弧測試。在某一測試中，山高以 300 m/min 的切削速度、20-mm 的切削深度、1-mm 的 ae、0.2-mm 的每齒進給量運行標準 Jabro554 刀具，加工時間為 4 分 26 秒。隨后，技術(shù)員將 ae 改為 2 mm，并將每齒進給量降低至 0.1 mm。雖然金屬切除率保持不變，但加工時間卻降至 3 分 11 秒。造成加工時間縮短的原因是更高的 ae 雖不能提高加工速度，但確實減少了走刀次數(shù)。因此，能在更短的時間內(nèi)對工件進行粗加工。
山高使用一家航空航天客戶的 BT40 主軸機床和一個實際工件，向該客戶展示了粗加工策略的優(yōu)勢。該客戶通常使用常規(guī)刀具路徑和標準機床參數(shù)對這些工件進行粗加工，每個工件的粗加工周期為一個小時。
山高采用了直徑最大的適當(dāng)?shù)毒?- 直徑為 25 mm、具有分屑槽的 JS554 3C 長刀具。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 8 分鐘，結(jié)果非常令人驚異。此外，山高預(yù)計，如果使用功能更強大的機床，還可進一步實現(xiàn)時間節(jié)省（粗加工時間很有可能達到 6 分鐘）。
山高的另一位客戶也體驗了優(yōu)化的粗加工策略和刀具路徑對汽車組件進行粗加工的優(yōu)勢。車間不僅將總體零件加工時間從 8.5 分鐘縮短至僅僅 1.1 分鐘，還將每個刀具的壽命從加工 80 個零件提高到加工 250 個零件。
而對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 900 分鐘縮短至 400分鐘。該客戶先前采用可轉(zhuǎn)位高進給刀具進行第一次和第二次粗加工操作，之后改用 25 mm 直徑的 JS5543C 進行第一次粗加工操作，并在第二次粗加工操作時使用高進給參數(shù)。
HQ_IMG_Jabro_JS554_3C.jpg
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態(tài)循環(huán)，制造商幾乎可將金屬切除率提高 500%。
作者：
Teun van Asten MSc.，山高刀具公司整體銑削營銷服務(wù)部工程師
投稿箱：
如果您有機床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業(yè)、企業(yè)相關(guān)新聞稿件發(fā)表，或進行資訊合作，歡迎聯(lián)系本網(wǎng)編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關(guān)信息
業(yè)界視點
| 更多
行業(yè)數(shù)據(jù)
| 更多
- 2025年7月 新能源汽車銷量情況
- 2025年7月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年7月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年7月 軸承出口情況
- 2025年7月 分地區(qū)金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年7月 金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 新能源汽車銷量情況
- 2025年6月 新能源汽車產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 基本型乘用車（轎車）產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 軸承出口情況
- 2025年6月 分地區(qū)金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年6月 金屬切削機床產(chǎn)量數(shù)據(jù)
- 2025年5月 新能源汽車銷量情況