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现代钢材粗加工用HPC铣削刀具

时间: 2011-07-01 08:00 来源: 作者: Stefan Lux博士< 点击:
几乎二十年以来,高速切削 (HSC) 一直都被认为是高速生产加工的同义词。今天,人们的注意力越来越多地集中到了HPC(高生产率切削或高性能切削)这一新名词上了。

1. 什么是HPC铣削?

通常,HPC铣削被描述为能满足提高金属去除率要求的铣削加工,这是决定一个加工过程性能潜力的关键技术量值,与传统的加工技术相比,要提高200%到500%。更广义的解释就是,HPC这一名词还意味着对整个加工工艺链进行优化,目标是将生产成本降低10%到30%。

2. HPC与HSC之间有什么区别?

粗加工的目的主要是使金属去除率达到最大:由于事实上无论增加轴向或径向进给来加工3D曲面,都会严重地受到HSC技术的制约,要想提高加工率,就只有借助于增加切削速度了。然而,还会有其它实际的和技术上的制约。

同时增加轴向和径向的吃刀量,以及增加进给速度(提高vf 的速度并不一定会提高HSC的切削速度),应该能够对提高加工效率有所帮助。

一方面,这些铣削工艺的一个结果就是,与传统铣削加工的效率相差无几。另一方面,在一定的切削速度下提高进给速度会导致的每齿进给速度提高,因此,就增加了上的机械载荷。不管被选定的切削刃的几何形状和刀具材料如何,在加工过程中都会产生相当高的切削力,这反过来又会提高对工作环境的要求。

基于这一背景,提出的主要的问题就是,高切削率粗加工用刀具是否应该采用不同的刃部几何形状。

3. 高性能切削中产生的切削力和磨损现象

我们进行了很多实验,以确定不同形状的切削刃对加工过程中切削力的影响。图1显示用带有轮廓的刀具铣削10秒钟以后,在固定条件下的切削力曲线和具有平滑切削刃的刀具进行切削时的相应的曲线。


图1 使用成形的和非成形的刀具切削刃时的切削力测量

如果两种刀具的算术平均切削力关联设定的话,则通过试验可以确定,有轮廓外形的刀具的切削力降低了23.5%。就最大限度地利用主轴输出功率这个问题来说,设计具有轮廓外形切削刃的HPC粗铣刀似乎是一个极好的选择。

除了高速金属切削和优化利用主轴输出功率的要求以外,在铣削加工的经济性中,刀具的使用寿命也是一个关键性的因素。

图2显示了这两种刀具有代表性的磨损现象。在使用了极短的时间以后,有轮廓外形的硬质合金切削刃上会产生局部切屑现象,特别是在轮廓突出部位切屑量更多。高的进给速度和HPC铣削中大的吃刀量,再加上轮廓外形突出部位上的切削刃的横向支撑力被降低,超过了当今最先进的微粒碳化物金属品质的刚性极限, 就会产生极大的机械负载。


图2 成形的和非成形的刀具切削刃的磨损演变

4. 选择平滑切削刃还是选择成形切削刃?

当使用硬质合金端铣刀时,以上讨论的成形刀具在金属切削方面的优点,在技术上绝对不能用在HPC切削工艺中。硬质合金端铣刀使用寿命过短,会使刀具的使用成本大大增加,从而会对这种加工方法的经济性产生严重的质疑。

接受加工力量大这一事实,将非成形硬质合金端铣刀的刀具设计成与被加工材料范围相匹配的几何形状,这似乎是适合HPC加工的一个思路。

5. 强度达到68HRC的钢材的粗加工

当加工具有更高强度值的钢材时,相应的切削刃上不能有过大的机械负荷。此外,当刀具与工件咬合时,由于进刀冲击力的影响,切削刃上就会有产生切屑的危险。考虑到使用有几何形状的非成形硬质合金端铣刀中产生的这些现象,选定了一个最大的负切削角γ = -10°。使用传统的公差角,允许有大于90°的大楔入角,这会极大地平衡刀具的切削刃。此外,凹槽螺旋角被设计得非常大,可达γ = 55°,以便在“剥皮切削”概念下,加工易碎的硬质材料时,矫正切削接合力。


图3 铣削硬度钢时,HSC-HPC金属切削速度的比较

在图3中,显示了这一刀具使用理论性能潜在的优势,这是一个极好的示例,同时还比较了HPC刀具加工硬度为54HRC的钢材和用HSC铣削加工技术加工同样材料硬度等级的材料时的性能。
尽管有较高的切削速度,以及在这种情况下,较高的HSC加工每齿进给速度,但是通过有效地增加吃刀量,则金属的切削速度就会增加10倍。

6. 钢铁整体加工中的HPC概念


图4 HPC刀具NX, HX,和SX的应用范围

在切削角/切削槽螺旋升角三种不同组合中,采用这一技术方法,就可囊括所有的钢材加工范围(图4),其具有的高性能加工能力(=金属切削速度)就可以转变为客户的直接受益(=降低了生产成本)。(end)

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