径向变薄切削,这是在过去十年间里大家普遍讨论的一个话题,因为铣削加工每天都会遇到这种事情,这是一个存在的真实现象,有的时候我们通过验证和经验来判断,但是这些情况都不准确,也很难确定。现在我们可以通过切削厚度控制提高您的铣削效率,这是一个强大的加工程序,他给了我们一个提高生产率和降低生产成本的机会。


铣削加工中的切削厚度

铣削过程中切削厚度是不均匀的。假设在顺铣时,切削厚度是开始厚,逐渐变薄,这样,每种材料都能够得到一个最大的切削厚度。对于恒定的主轴转速和进给速度,较长的切屑是因为切削较深或者较宽,在大多数CAM系统里面参数如图1。

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图1

人们常常混淆切削刃载荷和切削厚度的概念,我们知道,在铣削加工中,uf=fznz,式中,uf是进给速度(mm/min);fz是每齿进给量(mm/z);n是转速(r/min);z是齿数。当且仅当切削宽度大于或等于50%的刀具直径时,每齿进给数值为每齿切削厚度。当切削宽度小于刀具直径的50%时,最大每齿切削厚度小于每齿进给数值。参考图1。刀具制造商推荐的每齿进给数值是通过进给量精确计算出来的,但是他们没有考虑到切削厚度。

径向变薄切削减薄现象应用是有一定限制因素的,变薄切削计算仅适用于当切削宽度趋近于恒定的时候,以及当切削宽度由小开始的时候。换句话说,精铣垂直侧壁时才是真正令人满意的,那时切削宽度较小并且变化最少。这种方法,大约只有1%的材料去除是这种通用的概念,而大多数也就是99%的材料去除的环境下不是这种情况,所以他不适用于粗加工。

如果径向变薄切削应用于粗加工(恒定材料去除应用于粗加工),那么生产效率就可以有一个飞跃的提升。在粗加工工序中也能看到类似的控制,那么我们的重点就放在了切削厚度控制上。

 

不同的切削宽度

在粗加工中切削宽度是有规律的,尽管粗加工切削宽度虽然在物理上不可能没有差异,但是可以控制所产生的刀具路径冲击最小化。

所有的操作者都清楚地知道,传统的刀具路径会造成刀具不均匀的载荷。大多数时候都是一个方向上的变化,从一个切削结束到下一个切削开始,或通过一个区域的中心运动,例如在图2中红色区域的描述,这些地方刀具载荷增加,是由于切削宽度增加的直接结果。由于切削宽度增减,切屑会越长,其厚度也相应增加。如果你增大进给速度,使切削厚度在其最大额定上,当这些载荷增加,其结果可能会很糟糕,所以应用变薄切削计算传统的粗加工程序中是一个简单的方法。

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图2

在市场上的高速铣削刀具路径,解决这些切削宽度变化各有不同,但其中大部分都不能产生一个恒定的切削宽度,对于载荷在尖点处的描述(图2),使用一些铣削参数尽量避免产生这种路径。但是,也有一个例外,这些刀具路径工艺减少实际刀具路径长度的百分比,变化固定路径宽度。传统的刀具路径在许多情况下路径宽度不变,而与新的高速技术相比,几乎没有恒定的切削宽度。

所以我们确定,这些新的刀具路径均优于传统的方法,至少对于特定的几何结构,他们避免了许多载荷突变。但他们实际上越来越远离固定切削宽度这个理想的加工条件,通常情况下切削厚度随路径的变化而变化 ,因此刀具上的载荷增加,这种情况发生在现有的所有路径上。这是一个简单的几何公式,是无法避免的。每当一个沿直线切削到凸曲线(通常是G3的运动,假设顺铣),刀具和材料间的接触角发生变化,发生这个现象时,切削深度、切削宽度仍然不变,参考图3。这种情况发生在任何情况的刀具路径,即使是那些在管理刀具接触角的路径。这是一个切削材料与圆角刀具简单的函数,因此在铣削时是无法回避的。

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图3

现在我们已经清楚了接触角增加是不可能避免的事实。但是产生这种角度变化是非常快的,而且这种动态的是最不利的方面。如图4所示。当前刀具加工的轮廓,也就是刀具横断面上直线与圆弧的焦点处,接触角发生增长。根据先前的切削,当切削中心为当前相同点时,留下一个短短的相同点也是正常的。这种情况是因为刀具路径同心。正是这种几何构造,确保了刀具载荷的尖峰永远存在。

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图4


要产生一致厚度的切屑,必须驱动切削刀具沿着一个路径并保持同一宽度切削,那就是使刀具载荷固定的情况下刀具以圆弧方式跨越更大距离和时间间隔。幸运的是现在最新GibbsCAM版本里面应用了这项刀具路径技术。这种理想的连续恒定切削宽度路径的切削在过去几年中数千案例里面得到了验证。在加工中这种变体螺旋路径的组合使产生相同切削控制成为可能,使机床和刀具加工起来更加流畅,进一步缩短了加工周期。


切削厚度控制(ACTC

GibbsCAM公司在最新版本上添加了一个特定的用户参数来控制最大切削厚度。这个参数与主轴转速、进给速度和侧向步距(切削宽度)紧密相连。当平行或者交叉切削时,保持完全不变的粗开切削宽度实际上是不可能的。但是GibbsCAM刀具路径包含了一个非常高效的恒定宽度切削,这个要比高速切削和传统路径工艺都要好。其刀具路径避免了同心圆弧的产生,相反,会产生连续的不等距非同心圆弧,在一定程度上会减轻切削厚度迅速增减的问题。

新的GibbsCAM刀具路径构建,确保了每一个顺时圆弧的开始都要比路径上原来自身圆弧要早,如图5所示。这个并不排除接触角有增加,但是它分布面积较大,另外,这个只是在瞬间增加,开始就立即减少,而不是像其他刀具路径那样持续在整个圆弧周期内增加。在路径中包含了变体螺旋的切削方式,在切削过程中包含了圆弧切削和进给速度变化,厚度控制(ACTC) 使其成为可能。ACTC不仅仅是一个切削厚度计算器,实际上它控制了整个铣削过程,显著提高生产力,事实上,提高生产率的最高水平,是建立在如果您在使用切削厚度控制的前提上。

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图5

基于切削刀具的主轴转速、进给速度、侧向步距和切削刃数量,ACTC计算和显示刀具路径所产生的切削厚度。现在有许多新的可能性存在,一个典型的切削厚度方法,用户可以选择调整实际切削厚度。每齿进给数值与进给速度重新计算,这将增加进给速度(和每齿进给数值)以便产生切屑最大厚度等于原始数值,这将缩短的加工周期超过原始值。或者不调整进给量,产生新的切削厚度,主轴转速提高或者步距提高,这三个数值当中任何单一数值都可以任意计算。

以上的操作都很好理解,但刀具路径的性质使他更加适合我们使用。在一个简单的用户界面下的选项,这个肯定是方便的,再配合一个新的用户界面,一定会产生我们所期望的刀具路径。使用过GibbsCAM的用户发现变体螺旋刀具路径的组合,在使用得好的情况下使加工周期减少90%,即使平均下来也会在50%~70%这个范围。与传统方法相比刀具切削深度明显的更深,主轴转速和进给速度快几倍,但切削宽度通常是大大减少。


典型的航空结构件加工案例

例如,我们针对一个典型的航空结构件进行加工,这种零件的特点是尺寸大、多型腔、薄壁的特点。而且这种材料多为板材,加工时材料去除率达到90%以上,正是因为这样的特点,所以在粗加工时如果能够提高效率,对于整个加工来讲有很大的意义。在加工时我们考虑了零件变形、材料去除率和数控机床最大加工能力等因素。

下面是加工时所用的部分参数:常规机床加工钛6AI4V, 曲面速度:400 SFM,每齿进给:0.0065in/z(1/2英寸直径,5切削刃),两个刀具直径切深,侧向步距为刀具直径的7%,转速3056 RPM,进给速度:100IPM,通过使用该策略和以上参数,使加工周期减少了65%。见图6。这种方法不但在效率上有很大的提升,而且对于控制材料变形也起到了很好的抑制作用。 在刀具使用上也得到了很好的优化,单个刀具加工时间要比之前延长15%左右。

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图6

在使用GibbsCAM的加工策略时,我们还可以使用下面的一些方法,来减少我们的加工周期。这个参数组合所产生实际切削厚度为0.003in,略高于一半的每齿进给数值,这个切削厚度在长时间的加工中已经被验证是非常有效的。通过ACTC的增强,只需要单一的参数调整就可以达到性能的提升,现在转速和进给速度都会很好的结合起来,产生均匀的切削方式、好的切削间隙、优越的散热空间和延长刀具寿命,所以我们还可以继续增加切削宽度。

选择计算出一个新的进给速度,一倍的侧向步距和保持在0.0033in实际的切削厚度,使用加工时间节省了35%,一倍的侧向步距使路径减少了50%长度。保持实际切削厚度0.0033in和一倍的侧向步距,实际进给只是减少了26.5%,但是,由此实际加工时间显著的减少。5刃的刀具可以轻松地减少切削宽度的增加,在这些参数下机床工作非常好,因此,一个加工周期由最初减少65%,到使用GibbsCAM刀具路径减少35%,这些都是利用ACTC所见到的最直接结果。

在铣削的世界里,我们将发挥出物理极限,切削宽度也会进一步增加。但是,我们必须小心不能超过刀具切除厚度最大极限,因为我们要使刀具加工的时间更长。使用这种路径会对我们加工较硬工件发挥巨大作用,这种刀具路径将帮助我们更有效的提升加工效率。