銑削加工的新發(fā)展
2024-5-16 來(lái)源：伊斯卡 作者：技術(shù)經(jīng)理 Andrei Petrin
現(xiàn)代銑削作為金屬切削方法，起源于18世紀(jì)后期，并迅速成為主要的加工技術(shù)之一。如今，我們很難想象一個(gè)沒(méi)有銑床的機(jī)械加工車間。可見銑削是加工制造中必不可少的工序。
當(dāng)今，我們正在見證制造業(yè)的重大變化，這將對(duì)銑削的發(fā)展方向產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。這些變化是由多種因素驅(qū)動(dòng)的，例如通過(guò)精密鑄造和鍛造提高金屬成型的精度、3D打印技術(shù)的廣泛使用、對(duì)新型復(fù)合材料和燒結(jié)材料的使用量與日俱增、提高高溫合金和鈦合金材料零件的生產(chǎn)率的需求，以及汽車行業(yè)對(duì)電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的關(guān)注，促成了這些變化。此外，多軸機(jī)床的進(jìn)步為復(fù)雜零件的精密加工開辟了新的可能性，并催生了新的用以提高生產(chǎn)率的切削方式。在現(xiàn)代的加工技術(shù)中，一個(gè)趨勢(shì)是顯著減少銑削加工的余量，提高工件表面質(zhì)量和精度。
因此，銑削的進(jìn)步是由人們對(duì)于銑削加工的更高生產(chǎn)率、更高精度和可持續(xù)發(fā)展的需求來(lái)驅(qū)動(dòng)的。銑削加工的主要發(fā)展可以概括如下:
1.快速去除金屬的重點(diǎn)是提高金屬去除率(MRR)，通過(guò)顯著提高切削速度或每齒進(jìn)給量來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的生產(chǎn)率。這是通過(guò)高速銑削(HSM)，以及在粗加工中的大進(jìn)給銑削(HFM) 等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。
2.精密銑削可實(shí)現(xiàn)更高的加工精度。
3. 多軸銑削的特點(diǎn)是利用多軸加工機(jī)床來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的銑削加工。
4.自適應(yīng)銑削旨在開發(fā)智能銑削系統(tǒng)，以適應(yīng)加工過(guò)程中不斷變化的條件。
5.可持續(xù)發(fā)展的銑削旨在減少銑削作業(yè)對(duì)環(huán)境的影響。它涉及環(huán)保切削液的開發(fā)，材料的回收和再利用，以及節(jié)能機(jī)床和銑刀的使用。
上述方面的發(fā)展離不開幾個(gè)關(guān)鍵部分的協(xié)同作用，即機(jī)床，切削刀具和計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)系統(tǒng)。例如，高速銑削需要能夠滿足極高轉(zhuǎn)速的機(jī)床技術(shù)，以及銑刀先進(jìn)的基體材料和涂層技術(shù)。同時(shí)，提高銑削加工的精度不僅需要銑刀有更高精度的公差，還需要改進(jìn)控制系統(tǒng)和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)。在多軸銑削的情況下，突破之處在于增加了可控制的運(yùn)動(dòng)軸，以及采用合適的銑刀切削幾何形狀。另一方面，自適應(yīng)銑削結(jié)合了創(chuàng)新，如使用最先進(jìn)的監(jiān)控系統(tǒng)、高靈敏度傳感器和高效算法，以實(shí)時(shí)優(yōu)化切削數(shù)據(jù)和刀具路徑。此外，可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)步需要節(jié)能的銑削方式，包括采用合適的機(jī)床、切削刀具和環(huán)保的冷卻技術(shù)。
可轉(zhuǎn)位銑削刀具反映了銑削方式的進(jìn)步，其特點(diǎn)是在加工中采用可換切削刀片。
a)優(yōu)化刀片的材質(zhì)是一個(gè)不斷的過(guò)程，改進(jìn)可轉(zhuǎn)位銑刀刀片的材質(zhì)，包括開發(fā)先進(jìn)的硬質(zhì)合金牌號(hào)、陶瓷和超硬切削材料。
b)涂層技術(shù)的發(fā)展：不斷研發(fā)新的涂層，以提高耐磨性和耐熱性，同時(shí)增強(qiáng)潤(rùn)滑性。
c)應(yīng)用優(yōu)化幾何外形的銑刀和刀片來(lái)完成銑削加工，在銑削過(guò)程中可以減少切削力以及控制切屑形狀和排屑方向。
d)有效利用刀具刀片材料，包括采用智能刀片設(shè)計(jì)，在不降低切削性能的情況下提供最大的可轉(zhuǎn)位切削刃。
此外，智能制造要求將數(shù)字化結(jié)合到銑削操作和銑削刀具中。就銑削刀具而言，數(shù)字孿生和適合的軟件應(yīng)用程序已經(jīng)成為一套綜合刀具體系的“標(biāo)配”。
那么刀具制造商應(yīng)如何應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)？哪些銑刀解決方案能夠順應(yīng)新興的趨勢(shì)？人們通常認(rèn)為，切削刀具的生產(chǎn)在金屬加工中是較為保守的部分，那么它是否可以及時(shí)響應(yīng)金屬加工領(lǐng)域當(dāng)前的需求？伊斯卡近期的發(fā)展深入解答了上述這些疑問(wèn)。
高速擺線銑削方法包括沿著曲線刀具路徑保持恒定的切削刃載荷，從而避免加工過(guò)程中載荷突然出現(xiàn)峰值。這種加工方式對(duì)于銑削深槽、凹槽和型腔是非常有效的，特別是在加工穩(wěn)定性較低的情況下。此外，在處理硬鋼或高溫合金(HTSA)等難加工的材料時(shí)，擺線銑削的加工效果十分顯著。
CHATTERFREE EC-E7/H7-CF是一個(gè)新的多刃整體硬質(zhì)合金立銑刀系列，可以用于擺線銑削。該系列的幾何設(shè)計(jì)包括變螺旋角和不等齒距，以提高動(dòng)態(tài)性能。這些立銑刀有一系列的切削長(zhǎng)徑比可供選擇。(圖1)
圖1 -用于擺線銑削的七刃整體硬質(zhì)合金立銑刀的設(shè)計(jì)采用了抗振的設(shè)計(jì)概念，以減少振動(dòng)強(qiáng)度。
得益于現(xiàn)代化的機(jī)床，在極高的主軸轉(zhuǎn)速下（最高轉(zhuǎn)速可達(dá)33000轉(zhuǎn)）也可以對(duì)鋁合金材料零件進(jìn)行高效銑削。為應(yīng)對(duì)這一加工挑戰(zhàn)，伊斯卡研發(fā)了90°可轉(zhuǎn)位銑刀，可容納大尺寸刀片，切削深度可達(dá)22 mm(.870”)。該刀具經(jīng)專門設(shè)計(jì)，可防止在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的高離心力而導(dǎo)致的刀片徑向位移。(圖2)
圖2 -可轉(zhuǎn)位銑刀，用于在極高切削速度下加工鋁，專門設(shè)計(jì)用于抵抗由于高離心力而可能產(chǎn)生的刀片徑向位移。
大進(jìn)給銑削(HFM)已成為一種被廣泛采用的方法，用來(lái)對(duì)平面和復(fù)雜型面進(jìn)行高效粗加工。伊斯卡提供廣泛的HFM產(chǎn)品，以滿足各種加工應(yīng)用的需求。近期，該系列又添加了新的產(chǎn)品。LOGIQ-4-FEED系列HFM刀具設(shè)計(jì)有特別的螺旋切削刃，現(xiàn)在還新增有更大尺寸刀片的刀具。這些新產(chǎn)品大大拓寬了刀具的應(yīng)用范圍，特別是在模具行業(yè)對(duì)大尺寸型腔進(jìn)行大進(jìn)給銑削的應(yīng)用。另一個(gè)新產(chǎn)品是NEOFEED，一個(gè)帶雙面方形刀片的HFM刀具系列，擁有8個(gè)切削刃，以降低加工成本。(圖3)
圖3 -在加工模具型腔時(shí)，使用帶螺旋切削刃的LOGIQ-4-FEED銑刀能夠提高大進(jìn)給銑削能力。
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多軸機(jī)床和CAD/CAM系統(tǒng)的進(jìn)步推動(dòng)了弧形銑刀和鼓形銑刀的使用，用最小的加工余量對(duì)復(fù)雜的形狀進(jìn)行精密銑削。這個(gè)產(chǎn)品系列包含三種不同的結(jié)構(gòu)：整體硬質(zhì)合金， MULTI-MASTER可換刀頭和單刀片設(shè)計(jì)(圖4)。
圖4 -伊斯卡的鼓形立銑刀包含了三種不同的設(shè)計(jì)理念。
當(dāng)銑削高溫合金(HTSA)時(shí)，使用陶瓷材質(zhì)能夠大幅提高切削速度。且切削速度可達(dá)1000m /min (3300 sfm)。伊斯卡最新的陶瓷刀具包括整體陶瓷立銑刀和帶雙面圓形陶瓷刀片的可轉(zhuǎn)位銑刀。雙面刀片的設(shè)計(jì)旨在最大限度地利用陶瓷牌號(hào)，如“黑色”陶瓷、晶須增強(qiáng)陶瓷和SiAlON(一種氮化硅基陶瓷)。
上述這些例子完美闡述了銑削刀具的主要發(fā)展方向。新需求的出現(xiàn)，需要新的解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)，而這些新的挑戰(zhàn)將推動(dòng)對(duì)創(chuàng)新刀具設(shè)計(jì)的探索。
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