立式加工中心上实行高速加工的方法

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从罗伯逊电加工（Robertson EDM）公司名称本身就可以清楚地意识到，改公司并不是以加工中心起家的专业化加工车间。这个车间设立在俄亥俄州的Edgerton市，拥有4台EDM线切割机床和1台EDM模具加工机床，但目前只有1台CNC加工中心——这是该车间购置的一台马扎克（Mazak）VTC-16B立式加工中心，性能十分可靠。
' A  x+ _% s4 \" B4 l) ]7 z5 X* R然而，随着车间的持续成功和业务量的不断提升，其工作的范围和工作的机遇也随之不断扩大。例如，为了承接大直径工件的车削加工业务，该车间最近追加投资，从Absolute机床公司购置了一台乔福（Johnford）ST-40A型斜床身车削加工中心，床身上的回转直径为 787mm（31in）。目前，该加工中心的工作量正在不断加大，为了迎接新的挑战，加工车间在VMC这类立式加工中心上实行了高速加工的方法。
“ 高速加工”这个术语，特别是在钢材加工应用领域，往往是针对在主轴上高速运转及切削深度较浅的高速进给小刀具而言的。尽管其切削深度较浅，但采用这一加工方法时，走刀速度很快，可以获得非常高的金属切削率。如果采用球端立铣刀，走刀速度甚至还可以进一步提高，尽管球端立铣刀的切削深度较浅，但却具有使轴向切屑变薄的优势。由于具有这样的效果，因此其切屑厚度要比每齿的前进量更小。这意味着每齿的前进速度可以进一步提高，每分钟几英寸的线性进给速度也可相应提高，甚至超越高速主轴已经允许的范围。
这就是高速切削加工。但恰恰相反，罗伯逊电加工公司的机床既没有特别高的主轴速度，也没有复杂的3D铣削加工工作可以从小直径球端刀具中获取效益。对于这一加工车间而言，在高速加工中，为提高进给速度而使切屑减薄的做法仍然是一种真正有价值的想法。为了提高其自身的金属切削速度，该车间采用了由伊斯卡（Iscar）公司设计提供的刀具，达到了使切屑减薄的目的。这种可转位刀片被称为“进给式铣刀”，其外形具有曲面的特点，它使切屑变薄成为可能。换句话说，切屑减薄不一定非要采用球端立铣刀或小直径刀具。至少这一方面的高速加工可以在中等速度的机床上应用，以达到比较标准的粗加工目的。
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图2 传动箱盖是采用高速进给刀具加工的另一零件。这一加工零件之前也曾经提到过
切屑减薄工艺的实际应用
7 X; J1 R  Q. p5 T5 M* JJeffrey Robertson先生是该车间的主要合作伙伴之一。伊斯卡公司负责当地机床销售和应用的代表是Greg Mallett先生。Mallet先生与罗伯逊先生同时看到了轴向切屑减薄可转位刀片的应用机遇，并共同为新车削加工中心所使用的刀具进行了策划。罗伯逊电加工公司用冷轧钢材料粗加工了一个夹具零件，该车间加工这一零件的方法为前后比较提供了一个良好的基础。由于这一零件太大，加工中心的行程不够，因此车间只好采用部分加工的方法来加工这一零件。
当该零件的前半部分采用19.05mm（0.75 in）半径的可转位刀片刀具加工以后，车间同意采用可使切屑减薄的19.05mm半径可转位刀片刀具加工零件的另一半。带有后者可转位刀片的刀具利用一个齿，而不是两个齿进行切削加工，但还是采用较浅的切削深度。然而，由于切屑减薄，获得了较高的进给速度，因此生产率提高。刀具的使用寿命也有所提高。
可转位刀片的曲面从2.7mm（0.106 in）半径开始，然后过渡到12.7mm（0.5 in）半径。由这一曲面形成的切削深度较浅，可以让每一齿的前进速度提高，因为切屑厚度要比每个齿的前进量更少，而不是相等。
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5 w4 _* I+ e, P- f( I3 z4 d这个零件的尺寸相对于工作区而言稍微超过了一点，加工时采用两种不同类型的可转位立铣刀，分两次装夹调试。车间采用了可使切屑变薄的可转位刀片后，获得了两种不同的切削性能，具体情况见本表。
4 p- Y4 O) K, }4 _* n. t利用切屑减薄优势的可转位铣刀
/ n: ?% x# T4 c车间以前使用可转位粗加工立铣刀
刀具直径（mm）
0 w3 E/ c0 L; U: x/ g19.05
* A1 N; ^, F, G19.05
齿数
$ y( L; o' z0 ]' c# w  R1
2
+ q' r9 a) o7 l8 B  z/ [冷却介质
空气
: B/ h9 J1 v! F! D3 }  k  T3 a4 w- j空气
转速（r/min）
3000
! p( y( C* W- s2000
; Z. _6 ^! ?8 ^" s, t& W% ^* q切削深度（mm）
( z+ [! l( O0 ~1 ]1.02
6 w% u4 ^) f5 c1 ^( t3 f3 B1.27
, B- u4 J7 I& F& |. [6 z切削宽度（mm）
* E& d+ z; |" P& _+ T6 X12.7
12.7
进给量（mm/z）
1.02
2 H! u' p5 ~( f- j8 J1 `( B" ?0.22
进给速度（mm/min）
: U: Q) |. `9 W! @$ S3048
889
刀具寿命（件数/刃）
& [& I7 r% g* j2 d4 A8 z, h+ u20
15
. ^. W% E1 n; x* f% K8 c切削时间（s）
9 ]' Z& ?2 P" G% }- l584
977
Mallett 先生说，刀具寿命的延长也应归功于刀具的这一曲面。他说，罗伯逊电加工公司之所以能够提高刀具使用寿命主要在于其切削加工比较稳定。在使用球端立铣刀的情况下，材料只与刀具全半径以下一个点的刀具曲面接触，它所产生的切削力不完全是横向推力，而是一个面向球端中心点的向上推力。换句话说，只有一部分切削力是沿着X轴和Y轴的方向运动。其他的切削力则是向着Z轴方向，即主轴的方向运动，三轴中，主轴的刚性最好。由于沿着刀具一侧方向上所受的力相对比较小，因此刀具发生偏置的机会也要少得多，故而切削也更加稳定。
" T, p4 }8 }( b3 n; \7 t& }实际上，车间内加工中心的生产能力已经有了很大的提高。现在，加工车间经常使用这种刀具作为钢材的粗加工使用，例如将它用于加工图2所示的传动箱盖，这就是这种刀具适合于某一零件加工的另一个实例。随着加工车间的不断发展，毫无疑问其加工中心的数量也会不断增加，也许以后还会增添一台高速加工机床。然而就目前的情况而言，较快的粗加工进给速度所提供的多余生产能力就足以满足目前生产的需要。
什么叫轴向切屑减薄工艺？
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采用球头铣刀加工，其切削状态不同于标准的铣刀，它与刀具的切削接触面小于其曲面的全部半径。切屑厚度和每齿的前进量也将有所不同——切削厚度较少。其原理如图所示。由于切屑较薄，因此可提高每齿的前进量，从而获得较高的线性进给速度，从而达到较高的金属切削速度，对于已经采用相对较浅切削深度的应用领域而言，采用这种工艺是比较合适的。
这种效果通常与高速加工中的球端立铣刀有着密切的关系。然而，它对使用圆形可转位刀片的铣刀和使用曲面设计的刀具也有好处，可达到减薄切屑的目的（例如像本文所提到的“进给铣刀”那样）。
从图也可看到作用力的方向。图中所示的刀具作用力并不是横向的，而是沿着虚线所指的对角线方向从材料一直延伸到曲面中心点。换句话说，某些作用力并不是完全沿着X轴和Y轴的方向运动，而是沿着Z轴方向运动，这是机床中刚性最好的一根主轴，可以使切削达到更加的稳定状态。
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