仿形铣刀的应用

2019-09-23 33

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可转位铣刀加工工件时总是伴随着振动，在车间里，可以感受到振动带来的熟悉的声音和感觉。当通过增大刀具的切削深度来提高金属切削率时，往往会损坏刀具的刃尖，缩短机床的寿命。

除了提高机床性能外，还有一种方法可以改善加工状况，那就是使用仿形铣刀。这种刀具又称做“钮扣刀具”。

仿形铣刀只是在传统的立铣刀基础上有一个简单的变化，与传统的菱形刀片或方形刀片不同，仿形铣刀使用圆形刀片。这个变化使仿形铣刀具备多种优点，其中大部分益处可以说是当今小切深，大进给，和高速加工发展趋势下的一个补充。本文将分别介绍这些优点：

进刀能力强
加强螺旋铣和斜面加工能力
切削刃强度更高
更多的切削刃参与加工
低功率下获得高切削率
接近精加工的粗加工

进刀

一些仿形铣刀可以象钻头那样，直接进刀，切入工件。如：端铣刀式仿形铣刀，但仅在制造商在刀具末端留有足够的间隙时才可以沿这个方向切削。套式仿形铣刀也可直接切入工件，但加工时功率消耗很大。

仿形铣刀不可能取代钻头，因为钻削时参与加工的面积较大，超过了这种刀具所能承受的切削深度。但仿形铣刀这种可以直接切入工件的能力解决了加工中一个令人头疼的问题：那就是在粗加工之前需要预钻一个起始孔。

因为普通的可转位立铣刀不能沿Z轴直接切入材料，所以需要预先钻一个起始孔。另一种进刀方法是通过一个斜面进入，通常需要应用CAM软件来完成。而使用仿形铣刀，这一步可以省去。可将刀具的进刀操作与型腔加工编为一个完整的程序，无需特别考虑刀具的进刀问题。这种可自由进刀的方式对于复杂型腔的粗加工，以及调用表面粗加工例行程序很有用。

螺旋插补

综合运用仿形铣刀和螺旋插补可以容易、快速地加工大直径孔。这种技术类似于螺纹铣削，三个轴（X、Y、Z）同时运动。但它又不同于螺旋铣削，因为用仿形铣刀加工不需要起始孔，就可以直接切入材料。此外，由于仿形铣刀有大的后角，螺旋插补过程中的升角可以很大，而且不用担心会摩擦到切削刃的底部。这个简单易行的过程带来很多好处，可以用相同直径的刀具加工不同尺寸的孔，只需将孔尺寸的变化编入程序。

一个典型的对比可以说明这种技术有提高效率的潜力。

切削刃强度

由于没有尖角，在可转位硬质合金刀片中，圆形刀片的切削刃强度最高。因此可用于重切削，或者不稳定条件下的粗加工。当需要使用长型刀具时，圆形刀片能承受更大的刀具偏转和振动，允许加工中提高转速、增大进给，同时减少崩刃的危险。

图1：切削深度小时，圆形刀片效率更高，较小的切深减少了切肖的厚度，因此需要的功率也低。

图2：仿形铣刀采用正的轴向减角，可使切削顺畅，切削刃的支承也更好

使用圆形刀片时，切削力可以得到有效的分布。而对于典型的直角铣刀，刀具压力主要为径向力，这导致了刀具变形大，增加了振动和刀具破损的可能。圆形切削刃均匀地分散切削力，将更多的切削力转化为轴向力。这正是使用加长型刀具时所希望的，因为减小径向力也就减小了刀具变形。

但使用卧式加工中心时则要小心。轴向力的增加可能使安装在机床角板上的夹具出现挠曲，这是因为该结构不象在立式加工中心上时那样稳固。在卧式加工中心上，挠曲会带来振动，进而会导致刀片出现轻微的崩刃。刀具寿命会因此而缩短，刀具破损的可能性加大。为了减少或避免这种情况，应该使用正轴向前角的刀具，这样可以减小对工件向下推的力。

切削刃数目

圆形刀片还有一个优点就是比普通的硬质合金刀片拥有更多可用的切削刃。根据刀片的尺寸以及切削深度，圆形刀片可以有4到8次有效的转位，材料去除量至少是普通菱形和方形刀片的两倍。这种优势可以减少操作者去工具室换新刀片的次数（保证了操作者的有效工作时间），减少了刀片的存货量（降低库存费用），降低了每条切削刃的成本。

例如，普通的菱形刀片价格大约为8美元一片，有两条可用切削刃，每条切削刃的成本为4美元。方形刀片的成本是10美元，那么平均到每条切削刃就是2.5美元。

将这些刀片的成本与圆形刀片比较，圆形刀片每片的价格会达到11美元（多数情况下还要少些）。

假设在最恶劣条件－重切削－下加工，刀片只可以转位4次，每切削刃的成本是2.75美元。更多的情况下，可以转位8次，那么每条刃的成本就是1.38美元。通过实际应用和成本比较，圆形刀片不仅比其它类型刀片的金属切削率高，其经济性也颇具吸引力。

高切削率、低能耗

如果使用恰当，圆形刀片可拥有很高的金属切削率，而不需要很高的机床功率。因为圆形刀片的强度高，可以在直角铣刀无法达到的进给率下加工工件，甚至允许在轻型机床上进行较大负载的粗加工。需要了解的关键问题是：切削深度越大，切屑也越厚，这将增大功率的消耗（见图1）。采用浅切削－切削深度为0.025到0.050英寸－普通的圆形刀片刀具可在0.040英寸的每齿进给率下加工钢材，某些时候，还可以达到0.06ipt。而大部分菱形刀片和方形刀片的最大值只有0.010-0.012ipt。

值得注意的是，一些钮扣刀具的使用者会遇到这样的问题，加工过程中，或是刀片磨损后，刀片会在刀具的安装座内发生移动。这两种情况都是由于刀具承受的压力过大，超过了刀片夹紧元件的夹持力。因此需要在设计刀具的时候综合考虑可能发生的情况。比如，有些刀具在用螺钉固定刀片的同时，上面还有一个小夹钳，这种双重夹紧的方式确保了刀片的安全。

仿形立铣刀的构造如图：
1.顶部夹钳保证刀片的夹紧：
2.正轴向前角可以支承切削刃；
3.刀片上的小平面用于正向锁定；
4.经刃磨的刀片保证加工精度；
5.邻近的刀片提供进刀能力

另一个重要的问题是刀片安装座的正向锁定功能。很多钮扣刀具用户使用便宜的压铸刀片，光滑的圆面无法径向锁定。作用在刀片切线方向切削力会导致刀片上的螺钉损失扭矩。刚度更大的仿形铣刀通过在刀片侧面增加锁紧面来解决这个问题-锁紧面与刀体的锁紧面紧密配合，使二者之间相对运动的可能性降到最低。

当要进行大进给率切削时，需要刀具能够给切削刃提供最大的支承力。使用负轴向前角的仿形铣刀（让刀片向下倾斜，朝向工件），用保守的加工参数，可以获得好的加工效果，但进给率很大时则会失败。这种设计本身就有缺陷，在切削刃受力的主要区域缺乏支承（见图2）。使用正轴向前角的仿形铣刀则可以给切削刃提供很好的支承，这是因为切削刃后面的硬质合金与切削力接近于平行。这种方式使用硬质合金，可以让用户感受到硬质合金吸收压应力的能力。

但这种情况下，刀具夹紧的刚度很重要。因此强烈推荐使用短型的立铣刀夹头或者套式铣刀夹头。

使用恰当的加工，即使是只有10或15马力的机床，也可以获得有竞争力的切削，而且减少设置步骤，工厂的生产安排也更灵活。

接近精加工的粗加工

将圆形刀片用于粗加工，给半精加工或精加工提供了更好的“准备工作”。用直角铣刀进行粗加工，向下切削时，会留下一个台阶。每一遍走刀的切削深度越大，这种台阶效果就越明显。这种不平的工件表面会导致半精加工时刀具受力不均，给刀具带来冲击，并导致刀具变形，这样就不可能从粗加工直接过渡到精加工。不仅需要半精加工，而且还要进行多次精加工。

使用圆形刀片大大减少了上述情况的发生。不象直角刀具那样留下台阶，而只有一些很小的“褶皱”，且高度很低，可以轻松地加工掉。在切削深度小的情况下，圆形刀片也是最佳选择，“褶皱”的高度变得更小，粗加工后的工件表面比较平整，可以很容易进行半精加工。某些时候，甚至可直接进行精加工。

螺旋插补周期的比较

如图所示：工件材料为4140钢，直径为4英寸的孔，使用直径为1英寸的仿形铣刀，转速为4000rpm,进给量200ipm,切削深度为0.035英寸

一般来说，工厂用钻头和圆弧插补立铣刀来加工大直径孔。比如，用这种方法在一台15马力的立式加工中心上铣削一个直径为4英寸，深3英寸的孔。

先用直径为1.25英寸的可转位钻头钻一个通孔，仅耗时1.5分钟。然后用直径为1英寸的可转位立铣刀，运行圆弧插补闭环程序进行加工，加工参数为：切削深度为0.1英寸，切削宽度为0.7英寸，转速达2300rpm，进给率为25ipm。圆弧插补的加工周期为35－45分钟，这样两种刀具总的加工时间达到45分钟。

现在，在同一台机床上用螺旋插补的方式加工同样的孔。使用装有圆形刀片的直径为2英寸的套式立铣刀。假设刀具有4面刃，刀片的内切圆直径为0.5英寸。

典型的加工参数是：转速为1500rpm，进给率为61ipm，切削深度为0.06英寸，螺旋加工至4英寸直径处。大约50个循环后就可以铣穿工件，再走刀5遍就可以到达刀片的中心线，即完成了加工。

每遍走刀的直径等于4英寸孔径与2英寸刀具直径之差，也就是2英寸。刀具所运行的总长度为每圈6.28英寸（直径为2英寸的圆的周长）乘以55，即345英寸。进刀量为61ipm时，加工时间需要5.5分钟。

换句话说，这个例子中的螺旋插补可以使加工时间缩短87％，而且节约了一把刀。

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