航空工業(yè)從新的切削刀具開發(fā)中獲益

　　航空工業(yè)鋁合金零件的加工對(duì)刀具有很高的要求，刀具在具有高性價(jià)比的同時(shí)還必須滿足高質(zhì)量加工的需求。由于整體硬質(zhì)合金刀具有非常鋒利的切削刃和槽型，在鋁合金精加工中切削力小，并且具有容屑空間大、排屑順暢等優(yōu)點(diǎn)，因此整體硬質(zhì)合金刀具逐漸取代了傳統(tǒng)的高速鋼刀具。

　　此外，硬質(zhì)合金的彈性模量大約是鋼的3倍，這就意味著在負(fù)載相同的情況下，整體硬質(zhì)合金刀具的變形量僅為可轉(zhuǎn)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(wěn)地進(jìn)行切入和切出，排屑也很平穩(wěn)順暢，這些都有助于減小切削力的波動(dòng)從而抑制由此帶來的振動(dòng)趨勢。

　　可轉(zhuǎn)位刀片刀具系統(tǒng)可為鋁的粗加工和精加工帶來潛在的優(yōu)勢，特別是在使用25～100mm的中等至大直徑刀具時(shí)。用于鋁合金加工的可轉(zhuǎn)位立銑刀無需重磨，具有更好的安全性、通用性和更高的金屬去除率，具有無與倫比的性能。然而，很多情況下的精加工都不能達(dá)到所需的水平。但是，現(xiàn)在山特維克可樂滿的CoroMill 790通過全新的切削刃、刀片、刀片座以及夾緊技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)。

　　CoroMill 790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)，可以通過修改一系列參數(shù)來取得使用可轉(zhuǎn)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(wěn)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(zhuǎn)速下刀具的安全性。

　　加工鋁合金時(shí)，尤其在小余量切削的精加工時(shí)，可轉(zhuǎn)位刀片刃口通常顯得較鈍，常常會(huì)導(dǎo)致“犁削”效應(yīng)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(dǎo)致讓刀過大以及功率需求過高。上述問題因切削刃的需求而變得更為復(fù)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(qiáng)度。因此，考慮到切削力、切削刃切入、切屑形成、穩(wěn)定性以及刀片定位和夾緊，需要一種新的方法來使用可轉(zhuǎn)位刀片。

　　切削刃上所產(chǎn)生的切削力

　　當(dāng)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(xù)的切屑厚度，隨后當(dāng)切削力變化而反過來引起加工系統(tǒng)的振動(dòng)加劇時(shí)，該厚度可能還會(huì)繼續(xù)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。此類再生振動(dòng)也稱作顫振，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(dǎo)致切削刃和刀具損壞，此外還會(huì)對(duì)機(jī)床主軸產(chǎn)生不利影響。

　　為此，必須在切削開始時(shí)就抑制切削力的劇烈變動(dòng)，從而抑制振動(dòng)趨勢，這也是采用防振刀具的主要原因。 不過在許多情況下，這是通過對(duì)刀片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化而實(shí)現(xiàn)的。

　　建立合乎要求的模型（能夠準(zhǔn)確計(jì)算和預(yù)測切削力）是開發(fā)新刀片槽形的主要依據(jù)之一。 隨后，高級(jí)FEM仿真展示了許多答案，涉及刃線、前角和斷屑器的組合式設(shè)計(jì)以及刀片后刀面上的切削刃新特性的開發(fā)與優(yōu)化。這在很大程度上基于通過測定的模態(tài)參數(shù)而計(jì)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(qū)域與已加工面摩擦，吸收振動(dòng)能量，從而導(dǎo)致振幅衰減。從邏輯上講，該效應(yīng)也應(yīng)該能夠用于抑制其他類型的銑削振動(dòng)。該項(xiàng)技術(shù)所面臨的難點(diǎn)是如何合理地將專門設(shè)計(jì)的后刀面磨損帶用作主后刀面。為了獲得正確的阻尼效應(yīng)，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(dāng)精確，并且與刀片上的其它設(shè)計(jì)因素也應(yīng)具有正確的關(guān)系。

　　如果這種技術(shù)應(yīng)用得當(dāng)，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。山特維克可樂滿已獲專利的新型刀片設(shè)計(jì)的秘密在于，當(dāng)?shù)镀�有偏離工件的趨勢時(shí)，其刃帶將在刀具開始向后彎曲的瞬間與工件上相應(yīng)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。這意味著該刀片有持續(xù)的穩(wěn)定效應(yīng)，該效應(yīng)也是切削作用的一部分。專門設(shè)計(jì)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(duì)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(jié)果是：徑向切削力的變化相當(dāng)小。

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

　　直徑的因素

　　 對(duì)于徑向切削力的影響來說，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(wěn)定，它們對(duì)防振的要求也不一樣。此外還發(fā)現(xiàn)，進(jìn)給率不是影響徑向切削力的主要因素，在刀具的不同進(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少量變化。對(duì)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°。這種低熔點(diǎn)意味著無論切削速度有多高，切削區(qū)的溫度都不會(huì)超過625°。在出現(xiàn)過度磨損、對(duì)切削刃的強(qiáng)度沒有影響之前，硬質(zhì)合金刀片可以承受很高的溫度。

　　更高的切削速度對(duì)功率的要求隨之提高。事實(shí)上，鋁合金高速加工時(shí)的一個(gè)常見問題是需要很大的機(jī)床功率，這往往會(huì)導(dǎo)致單位功耗下金屬去除率偏低。因此，通常要求機(jī)床在高轉(zhuǎn)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。

　　從刀具的觀點(diǎn)來看，主切削力對(duì)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(duì)鋁合金銑削應(yīng)用有著很明顯的正面影響，具體表現(xiàn)在每道工序的生產(chǎn)效率更高，并且機(jī)床加工能力也更強(qiáng)。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(shè)計(jì)通過增大前角，同時(shí)與刀片幾何構(gòu)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CoroMill 790刀片設(shè)計(jì)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（如沿著整體硬質(zhì)合金立銑刀的螺旋線逐步切入），這將影響徑向切削力的大小、方向以及增長率，并由此影響刀具變形以及工件形狀誤差的大小。

　　山特維克可樂滿發(fā)現(xiàn)通過對(duì)新型CoroMill 790刀片槽形進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能夠以更大的速度和深度進(jìn)行切削，可產(chǎn)生有利的切入延長效應(yīng)——顯著減緩進(jìn)入時(shí)的沖擊效應(yīng)，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(yuǎn)離切削區(qū)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(wěn)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(yīng)力水平不會(huì)高于相對(duì)較鈍的切削刃。借助更加系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法、更完善精密的計(jì)算、仿真和測試手段，可以開發(fā)出更加合理的刀片結(jié)構(gòu)，切削性能更加優(yōu)異，而且足夠安全。