余擺線銑和螺旋銑基礎(chǔ)試驗分析和應(yīng)用(上)

東華大學(xué) (上海 201620)章宗城

高效加工的特征是:①增加單位時間切除切屑量。②減少工序數(shù)。③刀具壽命長，可以連續(xù)長期加工，從而使總的成本下降。在較復(fù)雜型面加工時，立銑刀用得很多。為實現(xiàn)立銑刀高效加工，在切削條件選擇方面，有選小側(cè)吃刀量ae、高轉(zhuǎn)速和大側(cè)吃刀量ae、較低轉(zhuǎn)速這兩種方案，前者多用于直徑較小的整體立銑刀加工，后者多用于直徑較粗、裝可轉(zhuǎn)位刀片立銑刀加工。

側(cè)吃刀量也有稱之為“周期進(jìn)給量”PF。下面對此作一些基礎(chǔ)的試驗和分析，并分別對上述兩種方案進(jìn)行說明。

一、高轉(zhuǎn)速、小側(cè)吃刀量

第一種方案是對較小直徑的整體立銑刀，選高轉(zhuǎn)速、小側(cè)吃刀量ae(對立銑刀而言是沿其側(cè)面徑向的吃刀深度)，以提高加工效率(見圖1)。通常沿刀具軸向切入工件的距離ap一般稱切深，我國標(biāo)準(zhǔn)按嚴(yán)格定義命名為背吃刀量。

圖1 銑削的側(cè)面加工

整體立銑刀，特別是在精加工時，每刃齒的進(jìn)給量fz選得不大，但轉(zhuǎn)速n 很高，因此進(jìn)給速度F=nfzz (刃齒數(shù))可達(dá)到很大，單位時間金屬切除量=Faeap表示的生產(chǎn)效率就高。由計算式可知，刃齒數(shù)選得多也可提高每分鐘進(jìn)給量F 和生產(chǎn)效率。選擇了小的ae，就有可能將它實現(xiàn)在淬火鋼和難加工材料的側(cè)面切削上。為了驗證第一種方案的可行性，作了一系列基礎(chǔ)性試驗。

基礎(chǔ)試驗一:用直徑同為10mm，以ae=2mm、ap=1.5mm，fz大致相同，刀具材料與轉(zhuǎn)速不同的四種立銑刀同時側(cè)面銑削50 鋼(硬度200HBW)。①高速鋼2 刃無涂層2MS 型，n=600r/min，fz=0.067mm。②高速鋼涂層為(AlTi)N 的2 刃VA -2MS 型，n=1 400r/min，fz=0.068mm/z。③整體硬質(zhì)合金2 刃帶涂層(AlTiSi)N 的VC-2MS 型，n=3 100r/min，fz=0.063mm/z。④整體硬質(zhì)合金6 刃帶涂層(AlTiSi)N 的VC-MD 型，n=9 500r/min，fz=0.065mm/z。前兩種因低速，在普通機(jī)床上即可試驗，后兩種在高速機(jī)床上試驗。由以上試驗條件可知，盡管每刃齒進(jìn)給量fz大致相同，但四種立銑刀轉(zhuǎn)速不同，齒數(shù)有異，每分鐘進(jìn)給量不同，每分鐘的金屬切除量就不相同，切除量單位是mm3/min，四種刀具的切除量值分別為2.4、5.7、11.7 和27.8。可知刀具材料、涂層、結(jié)構(gòu)改善后，能應(yīng)用高速機(jī)床、多齒刀具，以實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速，每分鐘大進(jìn)給，可使生產(chǎn)效率提高10 多倍。

基礎(chǔ)試驗二:切削力試驗分析。在上述條件下，立銑刀轉(zhuǎn)速提高，刀具對工件材料剪切角度變化，切屑變薄，經(jīng)測定，實際切削力反而下降了。

基礎(chǔ)試驗三:進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)速n 和降低側(cè)吃刀量ae。側(cè)吃刀量ae和每齒進(jìn)給量取得小，刀具材料好，能適應(yīng)高轉(zhuǎn)速。以上優(yōu)質(zhì)的第四種即6 刃VCMD 效率最高。若取更高的轉(zhuǎn)速25 000r/min，每刃齒的進(jìn)給量保持為0.067mm/z，側(cè)吃刀量ae則再減到1mm 和0.5mm，背吃刀量不變。挑戰(zhàn)加工高硬度模具鋼HPM1 (40HRC)，其硬度幾乎高出50 鋼一倍，不但可以切削，而且每分鐘的切除量可分別增加到150mm3/min 和75mm3/min。側(cè)吃刀量為0.5mm 時，雖然每分鐘切除量比其為1mm 時的少，但觀測刀具的磨損量卻很少，可繼續(xù)使用，持續(xù)加工了共170m才磨損，總切除量1 275mm3。而徑向切深為1mm 的加工了55m 就磨損，共切除825mm3。故知取小的每刃齒進(jìn)給量和側(cè)吃刀量，盡管切削速度和轉(zhuǎn)速提得更高，不但效率進(jìn)一步提高，而且可以加工較硬材料，立銑刀的壽命還可延長。取得了多方面的效果。減少了停機(jī)重磨時間和管理費(fèi)用，大大地降低了總成本。

基礎(chǔ)試驗四:刀具材料與結(jié)構(gòu)的比較試驗與分析。基礎(chǔ)試驗一實際是用了不同的材料和涂層，這里分析并測定一下四種刀具的硬度與結(jié)構(gòu)。無涂層的高速鋼硬度不足1 000HV，高速鋼的VIOLET 涂層(Al，Ti)N 是很優(yōu)異的涂層，硬度達(dá)到2 800HV。切削速度與轉(zhuǎn)速提高，切削溫度也高，必須采用更耐高溫、紅硬性更高的刀具材料與涂層。試驗較好和最好的VC-2MS 和VC-MD 采用了超細(xì)硬質(zhì)合金基體和加上運(yùn)用Miracal 技術(shù)代號為VC 的涂層，這種涂層氧化開始溫度從一般涂層的600°上升到840°，硬度上升到3 200HV。四種立銑刀每刃齒的進(jìn)給量大致一樣，6 刃齒的VC-MD 比其他2 刃齒的齒數(shù)多3 倍，轉(zhuǎn)速比其他3 種加快幾倍甚至數(shù)十倍，因齒數(shù)增多，故單位時間實際分配到每刃齒的負(fù)荷不高，它的刀齒螺旋角較大，切削平穩(wěn)，故由于以上原因使VCMD 型立銑刀勝出。三菱目前又進(jìn)一步開發(fā)了代號為VF 的涂層，其氧化開始溫度達(dá)到1 300°，硬度達(dá)到3 700HV，與基體結(jié)合力也更高，摩擦系數(shù)更低。預(yù)計使用它將達(dá)到更好效果。

基礎(chǔ)試驗五:側(cè)面銑削徑向接觸弧度大小的比較試驗和分析。立銑刀銑側(cè)面(見圖2)，此時接觸的立銑刀外圓弧是徑向切深ae的一段，其高度是軸向切深ap。每刃齒每轉(zhuǎn)切除金屬面積為A=ap·ae，同樣的面積可由不同的ap和ae值構(gòu)成。即A=ap1·ae1=ap2·ae2。由圖2 可知，ae小則接觸圓弧與接觸時間短，排屑容易，切削溫度低。盡管轉(zhuǎn)速高，但這個較低溫度使得總體溫度受到限制，故有可能少用或不用冷卻潤滑液，或僅用壓縮空氣風(fēng)冷。

圖2 相同切屑面積不同切深分配

以上基礎(chǔ)試驗與分析證明了第一種方案的可行性。將這一方案與機(jī)床現(xiàn)代數(shù)控功能相結(jié)合，用于槽加工、圓弧加工、型面加工、孔加工和螺紋加工等方面，具體是采用兩種插補(bǔ)方法即余擺線加工法和螺旋銑孔法。

1.余擺線加工法

余擺線亦稱次擺線、延長外擺線，即動圓沿一定直線作無滑動的滾動時，動圓外或動圓內(nèi)一點(diǎn)的軌跡。它又可稱長(短)幅旋輪線。余擺線加工是用直徑比槽寬小的立銑刀用側(cè)面進(jìn)行圓弧銑削的方法加工槽、型腔等，故其特征是:①將通常的立銑刀一半圓周弧長進(jìn)行的槽加工變?yōu)樾〔糠謭A弧進(jìn)行的側(cè)面加工。②一般選立銑刀直徑為槽寬的60%～80%左右(見圖3)。理論上一把立銑刀可加工比它任意寬的槽。

圖3 普通銑槽和余擺線法加工槽

這種方法的優(yōu)點(diǎn)是:①改善了硬質(zhì)合金立銑刀的切削條件，發(fā)熱少，振動減少，可高速切削，排屑方便，刀具壽命可延長很多。②立銑刀切入和貫通后的切出時不需減速，提高了加工效率。③切削輕快，刀具損傷折斷率大為減少，可實行夜間操作、無人操作。④對不銹鋼、耐熱鋼等難加工材料的切削亦能勝任。⑤若能使用優(yōu)質(zhì)刀具材料、涂層與結(jié)構(gòu)的立銑刀，譬如前述的VC-MD 型等，因耐高溫，其切削深度又小，尚可加工55～65HRC 的淬硬工件，實現(xiàn)硬切削。⑥粗、精加工可用一把刀具，簡化節(jié)省了相關(guān)時間和費(fèi)用。

其缺點(diǎn)是:①加工前需編程。②必須使用高速機(jī)床，若使用普通低速機(jī)床，則效率可能比直接銑槽還要低。③切削長度加長了，使用高速鋼刀具不行。

(1)加工實例一:同尺寸、材料槽用不同直徑、齒數(shù)和結(jié)構(gòu)立銑刀加工比較。在鉻鉬鋼SCM315 上切寬10mm、深12mm 槽，均用涂層VC 的超微粒硬質(zhì)合金立銑刀，但型號不同。一把是中等長度4 刃φ8mm、牌號VC-4MC、螺旋角30°;一把是中等長度6 刃φ6mm 并具有大螺旋角45°，牌號VC-6MH。兩者均用新的余擺線方法切槽。因為材料相同，故切削速度亦相同，均為75m/min。但因直徑不同，故φ8mm 刀的轉(zhuǎn)速為3 000r/min，φ6mm 刀的轉(zhuǎn)速為4 000r/min。兩者的每刃齒進(jìn)給量相同，均為0.027mm/z。因φ6mm 刀的轉(zhuǎn)速快、刃齒數(shù)多，其每分鐘進(jìn)給量F 按前述公式計算為650mm/min，φ8mm的僅為324 mm/min。雖然φ6mm 刀轉(zhuǎn)速高，但切削時接觸工作圓弧較短，發(fā)熱少，磨損與壽命大致相當(dāng)，且φ6mm 刀的單價較低，因此在采用余擺線加工法時，合理選擇直徑較細(xì)、轉(zhuǎn)速高的立銑刀，既可獲得較高的生產(chǎn)效率，又比較經(jīng)濟(jì)。一般螺旋角大，參與切削長度長，切削力在長刀刃上被分散，故振動減輕、磨損減小，加工精度及加工表面質(zhì)量高。要注意的是若螺旋角過大，垂直向下分力增大，則排屑性能會變差。本例都采用余擺線加工法，所選兩種刀都提高了效率，同時指出了更優(yōu)化的途徑。

(2)加工實例二:新法與老法的比較。在淬火模具鋼SKD61 (50HRC)上，銑寬10mm、深10mm槽。還是用兩把材料涂層相同但直徑不同、加工方法不同的立銑刀作比較。用余擺線法的是φ6mm 的VC-MD，用老銑槽法的是φ10mm 的VC-MD。二者的刃數(shù)均為6。由于是加工高硬的淬火鋼，用老法的參與切削的刀刃圓弧長(1/2 周長)，切削溫度高，為此不得不減低切削速度用 30m/min，轉(zhuǎn)速為960r/min，進(jìn)給速度計算為200mm/min，軸向切深為1mm，切10 次完成加工。新方法因刀具工作弧度小，發(fā)熱少，切削力小，故選用v=150m/min 高速切削，轉(zhuǎn)速達(dá)8 000r/min，在這樣的高轉(zhuǎn)速進(jìn)給速度高達(dá)2 900mm/min，且軸向切深ap一次達(dá)到10mm，徑向切深ae取得很小為0.3mm。新法的效率比老法高4 倍。

圖4 所示為槽寬t、最大切削角θ 和此時的相關(guān)切削深度x，按此推算出合理的加工余量值a，可供參考使用(見附表)。

圖4 切削角、槽寬、加工余量相互關(guān)系

余量a 的推薦值 (單位:mm)

2.螺旋銑孔法

孔加工通常有在實體材料上加工出孔的鉆孔;在原有孔基礎(chǔ)上將孔擴(kuò)大的擴(kuò)孔、鏜孔;進(jìn)一步提高孔精度、表面質(zhì)量的鉸孔、精鏜孔、磨孔。以往銑孔這一詞很少見到。切削技術(shù)發(fā)展至今，用銑刀作螺旋運(yùn)動進(jìn)給(公轉(zhuǎn))本身又自轉(zhuǎn)的辦法高效加工孔的方法已經(jīng)實現(xiàn)。本質(zhì)上它和余擺線加工一樣，是立銑刀用其小部分圓周對工件進(jìn)行高速小切深的圓弧切削。圓柱立銑刀作余擺線運(yùn)動用于銑槽等，作螺旋線運(yùn)動用于銑孔。各種標(biāo)準(zhǔn)的螺紋立銑刀作螺旋運(yùn)動用于銑內(nèi)螺紋孔。兩法都在高效加工和加工難加工材料方面發(fā)揮了獨(dú)到的優(yōu)勢(見圖5)。

圖5 螺旋銑孔法加工示意圖

過去鉆孔主要用麻花鉆，其明顯的特點(diǎn)是具有兩條用以容屑排屑的螺旋槽，兩槽間的距離構(gòu)成鉆芯，鉆芯在鉆頭前端構(gòu)成橫刃，橫刃處于鉆頭中心，具有很大的負(fù)前角，該處切削速度又為零，根本不能切削，全靠機(jī)床軸向向下的推力將中心這部分材料擠潰才加工出孔來，強(qiáng)度較小的材料還可以，強(qiáng)韌的難加工材料、淬硬材料就難了，這是其固有缺點(diǎn)之一。鉆孔時，鉆頭三面被工件材料包圍，切削刃一直在工作，連續(xù)作業(yè)，切削溫度持續(xù)提高，鉆頭易磨損，加工質(zhì)量差，這是其固有缺點(diǎn)之二。為保持鉆頭一定的強(qiáng)度和剛性，鉆頭的螺旋槽不能做得太寬太深，這樣就影響了容屑、排屑，且切屑與加工表面直接接觸摩擦刮擦，孔的內(nèi)壁加工質(zhì)量不高，這是其缺點(diǎn)之三。而螺旋銑孔時，銑刀的中心已不是工件的中心，屬偏心加工，刀具的直徑不等于工件的直徑。孔比刀具大，散熱情況大大改善，銑孔和余擺線銑削一樣，只是刀具的部分圓弧參與切削，刀刃是斷續(xù)切削，不切削時，該部分刀刃被空冷，故生成切削熱大大減少。工件孔比刀具大，又是極利于排屑的。

螺旋銑孔至少需4 個參數(shù):①立銑刀自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速N1。②立銑刀的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速N2。③立銑刀偏離工件中心距離(偏心距)e。④沿孔軸線立銑刀的軸向進(jìn)給速度F。

螺旋銑孔法可以顯著提高加工孔的質(zhì)量，較順利地加工難加工材料和復(fù)合材料的孔，可達(dá)到較高的質(zhì)量要求，減免后加工工序，從而縮短了加工周期。且一把刀可以加工比它粗的不同直徑的孔、復(fù)雜形狀的孔，縮短了研發(fā)專用刀具的時間和成本。可以少用、不用冷卻潤滑液，易于實現(xiàn)自動化。

通常除了特殊的立銑刀，一般螺旋銑孔都需要在工件上預(yù)先加工出一個較小的孔。下面舉兩個加工實例。

(1)在模具鋼SKD61 (47HRC)上螺旋銑孔，使用能加工淬火鋼的VC-2MB 球頭立銑刀(φ6mm)，工件上已有底孔φ5.8mm，要求加工孔徑為φ6.3H7，孔深21mm。取刀具轉(zhuǎn)速為2 650r/min，進(jìn)給速度F=50mm/min，螺旋進(jìn)給的距離等于0.02mm/r，可知半分鐘不到就加工完了。還達(dá)到了H7 的較高精度要求，表面粗糙度值達(dá)到Ra=0.19～0.25μm，圓度達(dá)到4.4～6.4μm。

(2)在模具鋼SKD11 (62HRC)型腔中用φ10mm 的球頭立銑刀螺旋加工φ15mm 孔，轉(zhuǎn)速為5 000r/min，每轉(zhuǎn)進(jìn)給量0.3mm/r 順銑，壓縮空氣冷卻，高效順利地實現(xiàn)了加工。型腔的其他部位的形狀，為提高加工效率，也有可能用余擺線方法進(jìn)行加工。

利用同樣原理尚可進(jìn)行螺紋銑削。圖6 所示為用以色列Vargus 公司的硬質(zhì)合金整體特殊螺紋立銑刀一次鉆孔并切出頂端倒角，如步驟②所示;還可以圓弧切入作行星運(yùn)動切出退刀槽，如步驟④所示;尚可銑螺紋，如步驟⑤所示。其余各步驟為開始的定位①，刀具的圓弧切入、退讓，圓弧退出等。德國BASS 公司也有類似的刀具。

圖6 特殊結(jié)構(gòu)立銑刀的多工序一次加工

(待續(xù))