淺談銑刀和銑削用量的合理
選擇對數控加工的影響

 

 
一、     引言
對於高的金屬切除率、高的加工精度和良好的加工表面質量是金屬切削加工永恆不變的追求。隨著制造技術的不斷發展,金屬切削技術進入了一個高速切削的階段,數控機床的主軸轉速和進給速度不斷提高,使得數控加工對於刀具的要求越來越高,而刀具的剛性、強度、耐用度和安裝調整方法者會直接影響切削加工的工作效率,刀具本身的精度、尺寸穩定性都會直接影響工作的加工精度及其表面加工質量。切削用量的合理選擇不但可以決定刀具的使用壽命,而且切削用量的合理選擇對於提高生產率、提高加工精度、提高表面質量和降低生產成本也起著決定性作用。
 
二、     合理的選擇刀具材料
刀具材料是刀具切削部份的材料。高速切削的過程中,刀具材料與工作接觸的時間減少,但接觸頻率增高,因此在金屬切削過程中,刀具承受著來自工件的巨大的沖擊力和摩擦力,並且在銑削過程中將產生出大量的熱量不斷地向刀具傳遞。
因此作為數控銑削刀具必須具有高硬度(一般刀具材料必須比工作材料的硬度大2~4倍)、高靭性(即能承受高沖擊力)、高耐磨性、高耐熱性的良好的工藝性。在數控銑床上常見的銑刀材料有:
ü  金剛戶和立方氮化硼
ü  陶瓷刀具
ü  硬質合金鋼
ü  高速鋼
不同的的刀具材料它的硬度、靭性、耐磨性、耐熱性均不相同。在切削加工過程中,根據不同的的加工要求應選擇不同的刀具材料,例如:陶瓷材料,其材料輕,有高的硬度、高的耐磨性、高的耐熱性,其允許的切削速度為硬質合金鋼的2 ~ 3倍,但陶瓷刀具脆性大,抗彎、抗沖擊的能力差,故粗加工一般不使用它。不同的刀具材料或同種刀具加工不同的工件材料時刀具的壽命往往會存在很大的差別,因此每一品種的刀具材料都有其最佳的加工對象,也即存在切削刀具材料與加工對象的合理匹配問題,匹配即物理、化學性質比較結果羅列如下:
ü  刀具材料的硬度大小順序為:
金鋼石和立方氮化硼>陶瓷刀具>硬質合金鋼>高速鋼。
ü  刀具料的抗彎強度和斷裂靭性:
高速鋼>硬質合金鋼>陶瓷刀具>金鋼石和立方氮化硼。
ü  導熱係數:
金鋼石和立方氮化硼>陶瓷刀具>硬質合金鋼>高速鋼。
 
刀具材料的硬度越高,其耐磨性就越好,但其強度和靭性就越差。
例如:硬質合金鋼中含鈷量越高硬度就越高但強度和靭性就會越差,反之。導熱係數越大刀具在加工時越不易變形,導熱差的工件在進行加工時應選擇導熱性能較好的刀具。
 
三、     銑刀的選擇
銑刀是多刃刀具,它的每一個刀齒相當於一把車刀,它的切削基礎規律與車削相似,但銑削是斷續切削,切削厚度和切削面積隨時在變化,因此,銑削具有一些特殊性。銑刀在旋轉表面上或端面上具有刀齒,銑削時,銑刀的旋轉運動是主運動,工件的直線運動是進給運動。常用的銑刀有:
ü  圓柱銑刀
ü  立銑刀
ü  硬質合金面銑刀
ü  鍵槽銑刀
ü  三面刃銑刀
ü  半圓鍵槽銑刀
等等。刀具的選擇是數控加工工序設計的重要內容,它不僅影響機床的加工效率,而且直接影響加工質量。另外,數控機床主軸轉速比普通機床高1 ~ 2倍,且主軸輸出功率大。
因此與傳統加工方法相比,數控加工對刀具的要求更高,不僅要求精度高、強度大、剛度好、耐用度高,而且要求尺寸穩定、安裝調整方便並且刀具的結構、幾何參數要合理。
數控銑床上使用最多的是可轉位面銑刀和立銑刀,因此我主要介紹面銑刀和立銑刀參數的的選擇。
3.1  面銑刀的選擇,可轉位面銑刀可分為粗齒、細齒和密齒三種。粗齒容削量大主要用於粗加工,細齒主要用於加工具有斷續加工表面的鑄件和連續表面的鋼件。密齒主要用於加工薄壁零件。面銑刀的直徑一般在φ16mm ~ φ630mm 之間,選擇銑刀的直徑盡可能大,盡量一次包容工件的整個加工寬度,以提高加工精度和效率,減小接刀刀痕。面銑刀的前角選擇與車刀相似,只不過銑刀的沖擊更大一些,故前角選擇比車刀要小一些,前角的選擇是根據工件材料和刀具材料來選擇的,一般可按表1進行選擇。
 
工作材料→
鑄鐵
黃銅、青銅
鋁合金
刀具材料↓
高速鋼
10°~20°
5°~15°
10°
25°~30°
硬質合金鋼
-15°~15°
-5°~5°
4°~6°
15°
(表一)
銑刀的磨損主要在後刀面上,故要加大後角,後角一般在5°~12° 之間,工件材料越軟後角應越大,反之。主偏角在45° ~ 90° 之間選取,工件材料為鑄鐵時選45°,鋼材時選75°,銑削凸肩平面或薄壁零件選90°。
3.2  立銑刀的選擇,銑削內輪廓時,立銑刀的直徑應小於零件內輪廓的最小曲率半徑,一般為最小曲率半徑的0.8~0.9 倍,下刀量一般為刀具直徑的四分之一或六分之一。加工不通孔時,立銑刀切削刃長度應長於零件深度的5mm ~10mm 長度。加工肋時,刀具直徑為5 ~ 10倍的肋的厚度。
當然選擇好的刀具必然使得加工效率和加工質量大大提高,但由此所帶來的刀具價格也會大大攀升,因此選擇刀具不僅僅要考慮加工效率和加工質量,最值得關注的還是加工成本,故在滿足了加工質量的前提下,是要提高加工效率還是要降低成本,那麼合理的選擇刀具才是其平衡點。
 
四、     銑削用量的選擇
銑削用量的確定應根據加工性質、加工要求、工件材料及刀具材料和尺寸等查閱銑削用量手冊、刀具產品目錄推薦的參數並結合實踐經驗。通常考慮如下因素:刀具差,不同廠家生產的刀具質量,銑削用量應根據實際使用的刀具結合現場經驗加以調整。機床特性,銑削用量受機床電動機的功率和機床剛性的限制,必須在機床規定的範圍之內進行選擇,否則可能造成悶車、機床變形或機床振動。
銑削加工用量包括主軸轉速、背吃刀量和側吃刀量、進給量和切削速度。
4.1  背吃刀量和側吃刀量的選取主要由加工餘量和表面質量的要求決定,在工件表面粗糙度要求為Ra12.5~25µm 時,如果圓周銑削的加工餘量小於5mm ,端銑的加工餘量小於6mm,則粗銑一次可達要求;在工件表面糙度要求為Ra 3.2 ~ 12.5µm ,分粗銑和半精銑兩步銑削加工,粗銑時,圓周銑削取5mm,端銑取6mm,粗銑後留半精銑餘量0.5~1.0mm;在工件表面粗糙度要求為Ra0.8~3.2µmm,可分粗銑、半精銑、精銑三步銑削加工,半精銑時端銑背吃刀量和圓周銑側吃刀量取1.5~ 2mm,精銑時端銑背吃刀量取0.5~1mm,圓周銑側吃刀量取0.3~0.5mm
4.2  銑削寬度。銑削寬度與刀具的直徑成正比,與銑削深度成反比,一般銑削寬度為0.6~0.9倍的銑刀直徑。
4.3  進給量(f mm/z)和進給速度(vf mm/min)。進給量是指刀具轉一週,工件與刀具沿進給方向的相對位移量。進給速度指單位時內工件與刀具沿進給方向的位移量,故vf=nf n 為機床轉速),f=zfz z 為刀具的齒數,fz 為每齒進給量, vf=nzfzFz 的選擇與工件材料和刀具材料有關,如表2
工作材料
每齒進給量fz
粗銑
精銑
高速鋼
硬質合金鋼
高速鋼
硬質合金鋼
0.1~0.15
0.1~0.25
0.02~0.05
0.1~0.15
鑄鐵
0.12~0.2
0.15~0.30
(表二)
4.4  銑削速度Vc(m/min)的確定。根據選定的背吃刀量、進給量和刀具的耐用度選擇切削速度,是根據生產實踐經驗在機床說明書允許的切削速度範圍內查表選取或者參考有關切削用量手冊選用如表3所示。
工作材料
硬度/HRS
銑削速度VC(m/min)
高速鋼銑刀
硬質合金鋼銑刀
<225
225~325
325~425
18~42
12~36
6~21
66~150
54~120
36~75
鑄鐵
<190
190~260
160~320
21~36
9~18
4.5~10
66~150
45~90
21~30
(表三)
在選擇切削速時,還應考慮:應儘量避開積削瘤產生的區域;斷續切削時,為減小沖擊和熱應力,要適當降低切削速;在易發生振動的情況下,切削速度應避開自激振動的臨界速度;加工大件、細長件和薄壁件時,應選用較低的切削速度;加工帶外皮的工件時,應適當降低切削速度;工藝系統剛性差的應減小切削速度。
4.5  主軸轉速 n (r/min) 。主軸轉速一般根據銑削速度進行計算確定。 n=1000Vc/Πd (d 為刀具直徑)
 
五、     小結
數控銑削過程中,銑刀和銑削用量的選擇具有很大的靈活性,只有真正理解了銑刀和銑削用量的選擇原則和目的,並在實踐中不斷進行總結再結合現場的生產狀況進行合理的選擇銑刀和銑削用量,才能真正使銑削加工做到高效率和高質量。
資料來源

[資料來源]金屬加工世界 作者:唐少琴