航空工業從新的切削刀具開發中取益

航空工業鋁合金零件的加工對刀具有很高的要求，刀具在具有高性價比的同時還必須滿足高質量加工的需求。由于整體硬質合金刀具具有非常鋒利的切削刃和槽型，其在鋁合金精加工中切削力小，幷且具有容屑空間大，排屑順暢等優點，因此整體硬質合金刀具逐漸取代了傳統的高速鋼刀具。

此外，硬質合金的彈性模量大約是鋼的3倍，這就意味著在負載相同的情况下，整體硬質合金刀具的變形量僅爲可轉位刀具的三分之一。整體硬質合金立銑刀還可以做成螺旋刃，這樣就能平穩地進行切入和切出，排屑也很平穩順暢，這些都有助于减小切削力的波動從而抑制由此帶來的振動趨勢。

可轉位刀片刀具系統可以爲鋁粗加工和精加工帶來潜在的優勢，特別是使用25至100mm的中等至大直徑刀具時。用于鋁合金加工的可轉位立銑刀無需重磨，具有更好的安全性、通用性和更高的金屬去除率，具有無與倫比的性能。然而，很多情况下的精加工都不能達到所需的水平。但是，現在山特維克可樂滿的CoroMill790通過全新的切削刃、刀片、刀片座以及夾緊技術可以實現這點。

CoroMill790的改進

在研發用于鋁合金加工的新型立銑刀概念時，可以通過修改一系列參數來取得使用可轉位刀片進行徑向銑削時關鍵性的突破。主要的技術難點包括：平穩的切削作用；良好的切屑形成；極高的材料去除率；低功耗；很好的表面粗糙度和最小的接刀痕迹；確保高轉速下刀具的安全性。

加工鋁合金，尤其是在小餘量切削的精加工時，可轉位刀片刃口通常顯得較鈍，常常導致“犁削”效應的産生，切削刃也容易猛然切入工件，引起切削力突然增加。切削力的突然增加導致讓刀過大以及功率需求過高。上述問題因切削刃的需求而變得更爲複雜，精加工時必須使用鋒利的正前角切削刃，而粗加工時爲確保金屬去除率，要求切削刃具有足够强度。因此，考慮到切削力、切削刃切入、切屑形成、穩定性以及刀片定位和夾緊，需要一種新的方法來使用可轉位刀片。

切削刃上所産生的切削力

當銑削刀具的切削刃切入工件時，猛然的撞擊將引起刀具的振動。所産生的切削力主要取决于切屑厚度，該厚度與進給成一定比例。最初誘發的刀具振動將改變後續的切屑厚度，隨後當切削力變化而反過來引起加工系統的振動加劇時，該厚度可能還會繼續增加。切削力的方向和變動幅度在很大程度上决定了振動趨勢。此類再生振動也稱作顫振，如果不加以抑制，切削力的變化幅度就會增大，從而使切削後的表面粗糙度下降，産生接刀，甚至導致切削刃和刀具損壞，此外還會對機床主軸産生不利影響。

爲此，必須在切削開始時就抑制切削力的劇烈的變動從而抑制振動趨勢，這也是采用防振刀具的主要原因。不過在許多情况下，這是通過對刀片結構參數進行優化而實現的。

建立合乎要求的模型（能够準確計算和預測切削力）是開發新刀片槽形的主要依據之一。隨後，高級FEM仿真展示了許多答案，涉及刃綫、前角和斷屑器的組合式設計以及刀片後刀面上的切削刃新特性的開發與優化。這在很大程度上基于通過測定的模態參數而計算出的振動波形。

刃帶的因素

衆所周知，在銑削鑄鐵時，後刀面的磨損會形成一定程度的振動阻尼。後刀面的磨損區域與已加工面摩擦，吸收振動能量，從而導致振幅衰减。從邏輯上講，該效應也應該能够用于抑制其他類型的銑削振動。該項技術所面臨的難點是如何合理地將專門設計的後刀面磨損帶用作主後刀面。爲了獲得正確的阻尼效應，它在刀片上的位置、角度、寬度以及用在切削刃上的範圍都需要相當精確，幷且與刀片上的其他設計因素也應具有正確的關係。

如果這種技術應用得當，起緩衝作用的後刀面刃帶可抑制刀具變形量的增加，從而控制切屑厚度與徑向切削力。山特維克可樂滿已獲專利的新型刀片設計的秘密在于，當刀片有偏離工件的趨勢時，其刃帶將在刀具開始向後彎曲的瞬間與工件上相應形成的已加工曲面接觸--從而防止在加工期間刀具振幅的增加。這意味著該刀片有持續的穩定效應，該效應也是切削作用的一部分。專門設計的主後角刃帶與工件之間偶爾短暫的接觸非常輕柔，不會對刀具切削性能、磨損發展或毛刺形成産生任何影響，其結果是：徑向切削力的變化相當小。

該技術成功的關鍵在于主後角刃帶相對于刀片幾何構型和刀具直徑的尺寸和位置。然後，通過具有切削過程仿真的有限元分析來評估切削合力、切屑形成以及刀片中應力水平的分布。

直徑的因素

對于徑向切削力的影響來說，小到中等直徑刀具剛性不好，較易發生偏斜，而大直徑刀具則比較穩定，它們對防振的要求也不一樣。此外還發現，進給率不是影響徑向切削力的主要因素，在刀具的不同的進給之間（通常每齒進給量爲0.25mm和0.35mm），徑向切削力的大小只有些許的變化。對于典型的直徑25mm鋁合金立銑刀，其刀片上的刃帶呈1°、0.1mm寬，幷且與曲綫形切削刃完全匹配。

鋁合金是一種具有良好可加工性的材料，其材料單位切削力約爲鋼的三分之一，熔點爲625度。這種低熔點意味著無論切削速度有多高，切削區的溫度都不會超過625度。在出現過度磨損、對切削刃的强度沒有影響之前，硬質合金刀片可以承受很高的溫度。

更高的切削速度對功率的要求也會隨之提高。事實上，鋁合金高速加工時的一個常見問題是需要很大的機床功率，這往往會導致單位功耗下金屬去除率偏低。因此，通常要求機床在高轉速下仍能提供盡可能大的輸出功率--在高速加工鋁合金時，由于刀具的改進而使所需功率降低是非常有益的。

從刀具的觀點來看，主切削力對功率需求具有决定性影響。降低單位材料去除量所需的功率對鋁合金銑削應用有著很明顯的正面影響，具體表現在每道工序的生産效率更高，幷且機床加工能力也更强。前角除了决定切削是否輕快之外，也會影響到主切削力。新型刀片設計通過增大前角，同時與刀片幾何構型的其餘部分相互匹配，可盡可能地减少切削力，利用新型的CoroMill790刀片設計大大降低了功率要求。

輕鬆切入

在銑削加工時，爲了防止初始切削力的急劇增加，切削刃需要盡可能地逐步切入工件（如沿著整體硬質合金立銑刀的螺旋綫逐步切入），這將影響徑向切削力的大小、方向以及增長率，幷由此影響刀具變形以及工件形狀誤差的大小。

山特維克可樂滿發現通過對新型CoroMill790刀片槽形進行設計，使其能够以更大的速度和深度進行切削，可産生有利的切入延長效應--顯著减緩進入時的衝擊效應，從而使零件徑向銑削麵的接刀誤差最小化。此外，也可以大大降低軸向切削力，這意味著加工表面上由刀具施加的壓力變小，這是在加工薄壁零件時需要考慮的因素。

通過加深刀片前刀面上的斷屑槽，降低了切削力，優化切屑成形和排屑--飛出幷遠離切削區和工件表面。這種槽形的刀-屑接觸面更小，有更低的摩擦力和更平穩的切削作用，能采用更大的切削深度。

儘管刀片的切削刃看上去因其更加鋒利和斷屑槽更深而顯得較脆弱，但實際上其應力水平不會高于相對較鈍的切削刃。借助更加系統化的設計方法、更完善精密的計算、仿真和測試手段，可以開發出更加合理的刀片結構，切削性能更加優异，而且足够安全。


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