航空工業(yè)從新的切削刀具開(kāi)發(fā)中取益

此外，硬質(zhì)合金的彈性模量大約是鋼的3倍，這就意味著(zhù)在負載相同的情況下，整體硬質(zhì)合金刀具的變形量?jì)H為可轉位刀具的三分之一。整體硬質(zhì)合金立銑刀還可以做成螺旋刃，這樣就能平穩地進(jìn)行切入和切出，排屑也很平穩順暢，這些都有助于減小切削力的波動(dòng)從而抑制由此帶來(lái)的振動(dòng)趨勢。

可轉位刀片刀具系統可以為鋁粗加工和精加工帶來(lái)潛在的優(yōu)勢，特別是使用25至100mm的中等至大直徑刀具時(shí)。用于鋁合金加工的可轉位立銑刀無(wú)需重磨，具有更好的安全性、通用性和更高的金屬去除率，具有無(wú)與倫比的性能。然而，很多情況下的精加工都不能達到所需的水平。但是，現在山特維克可樂(lè )滿(mǎn)的CoroMill790通過(guò)全新的切削刃、刀片、刀片座以及夾緊技術(shù)可以實(shí)現這點(diǎn)。

CoroMill790的改進(jìn)

在研發(fā)用于鋁合金加工的新型立銑刀概念時(shí)，可以通過(guò)修改一系列參數來(lái)取得使用可轉位刀片進(jìn)行徑向銑削時(shí)關(guān)鍵性的突破。主要的技術(shù)難點(diǎn)包括：平穩的切削作用;良好的切屑形成;極高的材料去除率;低功耗;很好的表面粗糙度和最小的接刀痕跡;確保高轉速下刀具的安全性。

加工鋁合金，尤其是在小余量切削的精加工時(shí)，可轉位刀片刃口通常顯得較鈍，常常導致“犁削”效應的產(chǎn)生，切削刃也容易猛然切入工件，引起切削力突然增加。切削力的突然增加導致讓刀過(guò)大以及功率需求過(guò)高。上述問(wèn)題因切削刃的需求而變得更為復雜，精加工時(shí)必須使用鋒利的正前角切削刃，而粗加工時(shí)為確保金屬去除率，要求切削刃具有足夠強度。因此，考慮到切削力、切削刃切入、切屑形成、穩定性以及刀片定位和夾緊，需要一種新的方法來(lái)使用可轉位刀片。

切削刃上所產(chǎn)生的切削力

當銑削刀具的切削刃切入工件時(shí)，猛然的撞擊將引起刀具的振動(dòng)。所產(chǎn)生的切削力主要取決于切屑厚度，該厚度與進(jìn)給成一定比例。最初誘發(fā)的刀具振動(dòng)將改變后續的切屑厚度，隨后當切削力變化而反過(guò)來(lái)引起加工系統的振動(dòng)加劇時(shí)，該厚度可能還會(huì )繼續增加。切削力的方向和變動(dòng)幅度在很大程度上決定了振動(dòng)趨勢。此類(lèi)再生振動(dòng)也稱(chēng)作顫振，如果不加以抑制，切削力的變化幅度就會(huì )增大，從而使切削后的表面粗糙度下降，產(chǎn)生接刀，甚至導致切削刃和刀具損壞，此外還會(huì )對機床主軸產(chǎn)生不利影響。

為此，必須在切削開(kāi)始時(shí)就抑制切削力的劇烈的變動(dòng)從而抑制振動(dòng)趨勢，這也是采用防振刀具的主要原因。不過(guò)在許多情況下，這是通過(guò)對刀片結構參數進(jìn)行優(yōu)化而實(shí)現的。

建立合乎要求的模型(能夠準確計算和預測切削力)是開(kāi)發(fā)新刀片槽形的主要依據之一。隨后，高級FEM仿真展示了許多答案，涉及刃線(xiàn)、前角和斷屑器的組合式設計以及刀片后刀面上的切削刃新特性的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化。這在很大程度上基于通過(guò)測定的模態(tài)參數而計算出的振動(dòng)波形。

刃帶的因素

眾所周知，在銑削鑄鐵時(shí)，后刀面的磨損會(huì )形成一定程度的振動(dòng)阻尼。后刀面的磨損區域與已加工面摩擦，吸收振動(dòng)能量，從而導致振幅衰減。從邏輯上講，該效應也應該能夠用于抑制其他類(lèi)型的銑削振動(dòng)。該項技術(shù)所面臨的難點(diǎn)是如何合理地將專(zhuān)門(mén)設計的后刀面磨損帶用作主后刀面。為了獲得正確的阻尼效應，它在刀片上的位置、角度、寬度以及用在切削刃上的范圍都需要相當精確，并且與刀片上的其他設計因素也應具有正確的關(guān)系。

如果這種技術(shù)應用得當，起緩沖作用的后刀面刃帶可抑制刀具變形量的增加，從而控制切屑厚度與徑向切削力。山特維克可樂(lè )滿(mǎn)已獲專(zhuān)利的新型刀片設計的秘密在于，當刀片有偏離工件的趨勢時(shí)，其刃帶將在刀具開(kāi)始向后彎曲的瞬間與工件上相應形成的已加工曲面接觸--從而防止在加工期間刀具振幅的增加。這意味著(zhù)該刀片有持續的穩定效應，該效應也是切削作用的一部分。專(zhuān)門(mén)設計的主后角刃帶與工件之間偶爾短暫的接觸非常輕柔，不會(huì )對刀具切削性能、磨損發(fā)展或毛刺形成產(chǎn)生任何影響，其結果是：徑向切削力的變化相當小。

該技術(shù)成功的關(guān)鍵在于主后角刃帶相對于刀片幾何構型和刀具直徑的尺寸和位置。然后，通過(guò)具有切削過(guò)程仿真的有限元分析來(lái)評估切削合力、切屑形成以及刀中應力水平的分布。

直徑的因素

對于徑向切削力的影響來(lái)說(shuō)，小到中等直徑刀具剛性不好，較易發(fā)生偏斜，而大直徑刀具則比較穩定，它們對防振的要求也不一樣。此外還發(fā)現，進(jìn)給率不是影響徑向切削力的主要因素，在刀具的不同的進(jìn)給之間(通常每齒進(jìn)給量為0.25mm和0.35mm)，徑向切削力的大小只有些許的變化。對于典型的直徑25mm鋁合金立銑刀，其刀片上的刃帶呈1°、0.1mm寬，并且與曲線(xiàn)形切削刃完全匹配。

鋁合金是一種具有良好可加工性的材料，其材料單位切削力約為鋼的三分之一，熔點(diǎn)為625度。這種低熔點(diǎn)意味著(zhù)無(wú)論切削速度有多高，切削區的溫度都不會(huì )超過(guò)625度。在出現過(guò)度磨損、對切削刃的強度沒(méi)有影響之前，硬質(zhì)合金刀片可以承受很高的溫度。

更高的切削速度對功率的要求也會(huì )隨之提高。事實(shí)上，鋁合金高速加工時(shí)的一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題是需要很大的機床功率，這往往會(huì )導致單位功耗下金屬去除率偏低。因此，通常要求機床在高轉速下仍能提供盡可能大的輸出功率--在高速加工鋁合金時(shí)，由于刀具的改進(jìn)而使所需功率降低是非常有益的。

從刀具的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，主切削力對功率需求具有決定性影響。降低單位材料去除量所需的功率對鋁合金銑削應用有著(zhù)很明顯的正面影響，具體表現在每道工序的生產(chǎn)效率更高，并且機床加工能力也更強。前角除了決定切削是否輕快之外，也會(huì )影響到主切削力。新型刀片設計通過(guò)增大前角，同時(shí)與刀片幾何構型的其余部分相互匹配，可盡可能地減少切削力，利用新型的CoroMill790刀片設計大大降低了功率要求。

輕松切入

在銑削加工時(shí)，為了防止初始切削力的急劇增加，切削刃需要盡可能地逐步切入工件(如沿著(zhù)整體硬質(zhì)合金立銑刀的螺旋線(xiàn)逐步切入)，這將影響徑向切削力的大小、方向以及增長(cháng)率，并由此影響刀具變形以及工件形狀誤差的大小。

特維克可樂(lè )滿(mǎn)發(fā)現通過(guò)對新型CoroMill790刀片槽形進(jìn)行設計，使其能夠以更大的速度和深度進(jìn)行切削，可產(chǎn)生有利的切入延長(cháng)效應--顯著(zhù)減緩進(jìn)入時(shí)的沖擊效應，從而使零件徑向銑削面的接刀誤差最小化。此外，也可以大大降低軸向切削力，這意味著(zhù)加工表面上由刀具施加的壓力變小，這是在加工薄壁零件時(shí)需要考慮的因素。

通過(guò)加深刀片前刀面上的斷屑槽，降低了切削力，優(yōu)化切屑成形和排屑--飛出并遠離切削區和工件表面。這種槽形的刀-屑接觸面更小，有更低的摩擦力和更平穩的切削作用，能采用更大的切削深度。

盡管刀片的切削刃看上去因其更加鋒利和斷屑槽更深而顯得較脆弱，但實(shí)際上其應力水平不會(huì )高于相對較鈍的切削刃。借助更加系統化的設計方法、更完善精密的計算、仿真和測試手段，可以開(kāi)發(fā)出更加合理的刀片結構，切削性能更加優(yōu)異，而且足夠安全。