航空工業(yè)從新的切削刀具開發(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從而抑制由此帶來的振動趨勢。

可轉(zhuǎn)位刀片刀具系統(tǒng)可以為鋁粗加工和精加工帶來潛在的優(yōu)勢，特別是使用25至100mm的中等至大直徑刀具時。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CoroMill790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)。

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，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，尤其是在小余量切削的精加工時，可轉(zhuǎn)位刀片刃口通常顯得較鈍，常常導(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，精加工時必須使用鋒利的正前角切削刃，而粗加工時為確保金屬去除率，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，猛然的撞擊將引起刀具的振動。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)的振動加劇時，該厚度可能還會繼續(xù)增加。切削力的方向和變動幅度在很大程度上決定了振動趨勢。此類再生振動也稱作顫振，如果不加以抑制，切削力的變化幅度就會增大，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，此外還會對機(jī)床主軸產(chǎn)生不利影響。

為此，必須在切削開始時就抑制切削力的劇烈的變動從而抑制振動趨勢，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)而計算出的振動波形。

刃帶的因素

眾所周知，在銑削鑄鐵時，后刀面的磨損會形成一定程度的振動阻尼。后刀面的磨損區(qū)域與已加工面摩擦，吸收振動能量，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。該項技術(shù)所面臨的難點(diǎn)是如何合理地將專門設(shè)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(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，并且與刀片上的其他設(shè)計因素也應(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)計的秘密在于，當(dāng)?shù)镀衅x工件的趨勢時，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)計的主后角刃帶與工件之間偶爾短暫的接觸非常輕柔，不會對刀具切削性能、磨損發(fā)展或毛刺形成產(chǎn)生任何影響，其結(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估切削合力、切屑形成以及刀中應(yīng)力水平的分布。

直徑的因素

對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)意味著無論切削速度有多高，切削區(qū)的溫度都不會超過625度。在出現(xiàn)過度磨損、對切削刃的強(qiáng)度沒有影響之前，硬質(zhì)合金刀片可以承受很高的溫度。

更高的切削速度對功率的要求也會隨之提高。事實(shí)上，鋁合金高速加工時的一個常見問題是需要很大的機(jī)床功率，這往往會導(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，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(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，也會影響到主切削力。新型刀片設(shè)計通過增大前角，同時與刀片幾何構(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CoroMill790刀片設(shè)計大大降低了功率要求。

輕松切入

在銑削加工時，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。

特維克可樂滿發(fā)現(xiàn)通過對新型CoroMill790刀片槽形進(jìn)行設(shè)計，使其能夠以更大的速度和深度進(jìn)行切削，可產(chǎn)生有利的切入延長效應(yīng)--顯著減緩進(jìn)入時的沖擊效應(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)力水平不會高于相對較鈍的切削刃。借助更加系統(tǒng)化的設(shè)計方法、更完善精密的計算、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。