鋁合金加工的新水平

　　航空工業從新的切削刀具開發中獲益

　　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有非常鋒利的切削刃和槽型，在鋁合金精加工中切削力小，并且具有容屑空間大、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況下，整體硬質合金刀具的變形量僅為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，這些都有助于減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為鋁的粗加工和精加工帶來潛在的優勢，特別是在使用25～100mm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，很多情況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CoroMill 790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。

　　CoroMill 790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跡、確保高轉速下刀具的安全性。

　　加工鋁合金時，尤其在小余量切削的精加工時，可轉位刀片刃口通常顯得較鈍，常常會導致“犁削”效應的產生，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為復雜，精加工時必須使用鋒利的正前角切削刃，而粗加工時為確保金屬去除率，要求切削刃具有足夠強度。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。

　　切削刃上所產生的切削力

　　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。所產生的切削力主要取決于切屑厚度，該厚度與進給成一定比例。最初誘發的刀具振動將改變后續的切屑厚度，隨后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決定了振動趨勢。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，從而使切削后的表面粗糙度下降，產生接刀，甚至導致切削刃和刀具損壞，此外還會對機床主軸產生不利影響。

　　為此，必須在切削開始時就抑制切削力的劇烈變動，從而抑制振動趨勢，這也是采用防振刀具的主要原因。 不過在許多情況下，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（能夠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。 隨后，高級FEM仿真展示了許多答案，涉及刃線、前角和斷屑器的組合式設計以及刀片后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

　　眾所周知，在銑削鑄鐵時，后刀面的磨損會形成一定程度的振動阻尼。后刀面的磨損區域與已加工面摩擦，吸收振動能量，從而導致振幅衰減。從邏輯上講，該效應也應該能夠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后刀面磨損帶用作主后刀面。為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范圍都需要相當精確，并且與刀片上的其它設計因素也應具有正確的關系。

　　如果這種技術應用得當，起緩沖作用的后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后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。專門設計的主后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產生任何影響，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后角刃帶相對于刀片幾何構型和刀具直徑的尺寸和位置。然后，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，在刀具的不同進給之間（通常每齒進給量為0.25mm和0.35mm），徑向切削力的大小只有少量變化。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，并且與曲線形切削刃完全匹配。

　　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為鋼的三分之一，熔點為625°。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°。在出現過度磨損、對切削刃的強度沒有影響之前，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決定性影響。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產效率更高，并且機床加工能力也更強。前角除了決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余部分相互匹配，可盡可能地減少切削力，利用新型的CoroMill 790刀片設計大大降低了功率要求。

　　輕松切入

　　 在銑削加工時，為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線逐步切入），這將影響徑向切削力的大小、方向以及增長率，并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CoroMill 790刀片槽形進行設計，使其能夠以更大的速度和深度進行切削，可產生有利的切入延長效應——顯著減緩進入時的沖擊效應，從而使零件徑向銑削面的接刀誤差最小化。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——飛出并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。

　　盡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，切削性能更加優異，而且足夠安全。