CAM新技术--刀具咬合铣削技术

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在竞争日益激烈的市场中，能够以低价格提供品质优良的部件，在投标过程中是至关重要的。确定投标价格的一个关键因素就是加工时间。现在人们所使用新的铣削技术——刀具咬合铣削技术，可以提高生产力，降低成本。
9 {9 u9 L2 [% _2 B大多数CAM系统使用轮廓平移技术生成刀具轨迹，并且沿此刀具轨迹以高速加工（HSM）的方式进行切削（图1）。高速加工采用高进给速度，但它并不能实现最高的生产率。以轮廓平移方法生成的刀具轨迹在刀具行进到某个拐角时，作用在刀具上的负载会急剧增加。在高速加工时为了防止刀具破损和颤振，加工必须在一个非常浅的切深条件下进行。如果采用一个非常浅的切深进行加工，就必须要多次走刀才能达到完整的切深要求，因此工件加工的时间必然会增加。

图1 大多数CAM系统使用轮廓平移的技术生成刀具轨迹，并且沿此刀具轨迹以高速加工（HSM）的方式进行切削，图中所示为从一个模具的底部显示型腔的加工刀具咬合控制铣削
刀具咬合控制铣削的目的是实现尽可能高的生产率，这就需要完全控制切割的环境，以最大限度完全沿刀具轨迹进行优化切割。进行切割优化要使用最匹配的刀具对相关材料进行切削，同时使切屑形成最佳的几何轮廓就显得很为重要了。这就需要控制进给速度、主轴转速、切深和刀具与被切削材料的咬合。也就是说，在进给速度、主轴转速、切深和刀具与被切削材料的咬合程度都保持在优化值时，才能实现最高的金属材料去除率（MRR），同时优化切屑的外形轮廓尺寸。
. C7 p; Z( t& ?+ r5 D5 Y在进行刀具咬合控制的铣削时，在恒定的跨距、进给速度、主轴转速以及切深条件下，机械师只需了解如何操作性能优化后的侧铣操作。有了这一信息，通过刀具咬合控制的CAM系统就可以生成一个刀具轨迹，对于任何几何形状的工件，每一部分均可进行切削，整个过程如同一个简单的侧铣操作一样。这样沿刀具轨迹的所有部位的加工均可以实现最高切削率（MRR），从而大大缩短了加工时间。优化的铣削切屑也在很大程度上延长了刀具寿命，大幅度减少了加工时所生成的热量，降低被加工工件的变形，保持刀具的负载恒定，提高几何精度的同时完全消除了抖动。
* |8 f2 f+ D6 o) S" l更大的切深
! g8 O4 j, ~/ O2 {4 v  \高速加工（HSM）可能使用的切深约为刀具直径的0.2倍，而刀具咬合控制铣削可以采用的切深为刀具直径的1.5~2.0倍，甚至更多。加大了切深后，可以在走刀次数很少的情况下完成工件加工的切深要求，从而大幅度缩短工件加工所耗费的时间。高速加工技术（HSM）只是刀具的顶端进行切削，这将导致刀具端面过热和迅速磨损。刀具咬合控制的铣削加工操作，更多使用刀具的键槽，这样可以使负荷、热量和磨损均匀分布在刀具的更大的区域内，从而延长刀具的寿命。
" Q% X: d& y/ s6 r切屑外形尺寸的控制
有些人认为控制金属材料去除率（也称为“恒定容量铣削”）可使生产率最大。这是不正确的，控制切屑外形轮廓尺寸，特别是切屑厚度，是实现最高生产率所必需的。而这只能通过控制刀具与加工材料的咬合量来实现。刀具轨迹控制刀具与被加工材料的咬合量，采用恒定进给速度、主轴转速和切深的加工方式，即将其定义为具有恒定金属材料去除率的加工方式。更重要的是，一个恒定的金属切屑外形几何尺寸（包括恒定的切屑厚度）是优化切削和实现高生产率的关键要素。
1 A$ W* T1 @2 p4 }* `3 V刀具轨迹
在恒定金属材料去除率的方法中没有进行刀具咬合量控制，当刀具行进到拐角处时由于过薄的切屑会产生太多的热量，进给速度必须降低，尤其面对那些特别坚硬的材料时。额外的热量是引起刀具迅速损耗的原因，必须通过减少金属材料去除率的方法加以克服。
控制刀具的咬合所采用的刀具轨迹与轮廓平移方法生成的刀具轨迹有很大的区别（图2）。利用现成的计算能力，有可能生成一个大部分刀具行程与最终加工出的部件的最后形状并不相像的刀具轨迹。整个刀具轨迹是预先设定的，在这种情形下，刀具咬合量不会超过用户的指定加工参数。

0 F6 m# o4 i$ v& ^, C2 q, }, w图2 控制刀具咬合所采用的刀具轨迹与轮廓平移方法生成的刀具轨迹有很大的区别高性能的数控机床并不需要利用刀具咬合控制铣削，通过降低刀具的负载，数控机床的负载也会同样降低，这样旧机床就可以很快增加生产率了。刀具咬合加工控制的刀具轨迹可以沿整个轨迹进行平稳的切削。当刀具行进到拐角时不会再有刺耳的尖叫声，没有必要进行不断调整进给速度或切深的尝试，也没有必要再有一个待命的操作员时刻准备在出现操作失误时按下关机按钮。这就是长寿命刀具连续平稳的切削操作，理想的熄灯式操作。
: A3 r7 k/ ]' i0 Z) J" D: W' G益处
$ s; i+ b% N6 o# W通过刀具咬合控制铣削技术提高生产率，同时可以实现控制所有切屑的几何尺寸，这是极不寻常的。对于那些坚硬材料的加工，来自许多客户的报告显示，生产率提高超过原来两倍，与此同时刀具的寿命延长了一倍。对于相对较软的金属材料，这种技术同样可以通过加大切深幅度同时使用大咬合角度来有效的增加生产率。
沿刀具轨迹完整地优化切削从而优化了生产率。要完整地沿刀具轨迹对部件的外形轮廓尺寸进行优化切削，就必须要控制进给速度、主轴转速、切深和刀具与被加工材料的咬合量。这种方法允许非常高的切削率，同时具有的高速度、高进给速率和大切深可以在很大程度上缩短加工时间，大幅延长刀具寿命。
文章关键词： CAM 刀具 铣削