CNC插銑加工大幅提高切削效率和刀具壽命

在提高金屬切削效率上所取得的許多重大進(jìn)展，都是刀具制造商、機(jī)床制造商和軟件開發(fā)商共同努力的結(jié)果。插銑（Z軸銑削）加工就是一個很好的例子。

插銑加工時，旋轉(zhuǎn)的刀具沿著Z軸方向直接向下切入工件，并沿Z軸向上退刀，然后在X軸或Y軸方向橫移一段距離，再進(jìn)行與上一次切削部分重疊的垂直切削，切除更多的工件材料。

插銑加工有許多好處。尤其是在長懸伸加工中（如銑削深模腔），傳統(tǒng)的平面銑削方式（即從工件一側(cè)銑到另一側(cè)）為了盡量減小會引起顫振的側(cè)向力，不得不降低切削速度。而在插銑時，切削力直接傳入機(jī)床主軸和工作臺，因此可獲得比傳統(tǒng)銑削方式高得多的金屬去除率。據(jù)AMT軟件公司介紹，該公司開發(fā)的Prospector CAM軟件包中納入了插銑功能，與使用紐扣型面銑刀的傳統(tǒng)平面粗銑相比，插銑加工的金屬去除率至少可以提高50％。

由于插銑能最大限度地減小作用于機(jī)床零部件的橫向負(fù)荷，因此能用于剛性不足的老式機(jī)床或輕型機(jī)床，以提高生產(chǎn)率。斗山機(jī)床公司營銷經(jīng)理John Ross對插銑可以減小作用于低性能機(jī)床上的切削力的說法表示贊同，但他補(bǔ)充說，在結(jié)構(gòu)設(shè)計有利于插銑加工的新型機(jī)床上，能夠最大限度地發(fā)揮該工藝的優(yōu)勢。他指出，由于插銑切削力直接傳入機(jī)床主軸和工作臺，因此可以最大限度地減少因工件夾持不牢而產(chǎn)生的各種問題。

英格索爾（Ingersoll）刀具公司模具生產(chǎn)線產(chǎn)品經(jīng)理Bill Fiorenza表示，插銑有助于減少傳入刀具和工件中的切削熱。他說，“插銑加工時，傳入工件的熱量并不多，因為刀具旋轉(zhuǎn)時切入和切出工件的速度很快。只有移動步距的很小一部分工件與刀具接觸。”

在切削難加工材料（如不銹鋼、高溫合金和鈦合金）時，這一特點特別具有優(yōu)勢。Fiorenza在進(jìn)行插銑演示時解釋說，“通常，金屬切屑的溫度很高，你甚至可以在切屑堆中烤熱一塊三明治。然而，當(dāng)插銑加工結(jié)束時，你可以馬上把自己的手放在工件上，而且摸起來感覺比較涼。” 減少切削熱除了可以延長刀具壽命以外，還能最大限度地減小工件變形。

【值得一試的插銑加工】

插銑可以大大加快高端、復(fù)雜零部件的生產(chǎn)節(jié)奏。山高（Seco）刀具公司銑削產(chǎn)品經(jīng)理Gary Meyers表示，“插銑工藝應(yīng)用最多的領(lǐng)域是模具制造和航空工業(yè)，因為這些行業(yè)的零件類型非常適合插銑加工。”模具制造商需要在整體工件上銑削各種復(fù)雜形狀以形成模具型腔，而許多航空零件也是用整塊毛坯加工出來的。他說，“這些工件的切削量大得驚人，在某些情況下，需要從毛坯上切除50％－60％甚至更多的工件材料。”

ESPRIT CAM軟件的開發(fā)商DP科技公司產(chǎn)品經(jīng)理Kenyon Whetsell指出，除了復(fù)雜零件制造商以外，通用型機(jī)加工車間也能通過應(yīng)用插銑技術(shù)而獲益。金屬加工微信，內(nèi)容不錯，值得關(guān)注。他說，“有些車間還在使用2.5軸加工技術(shù)，它們的機(jī)床型式較陳舊、剛性較差，夾具的夾持力也不足，但仍然希望能提高生產(chǎn)率。這些車間可以利用2.5軸插銑技術(shù)來達(dá)到這一目的。”

肯納公司可轉(zhuǎn)位銑刀全球產(chǎn)品經(jīng)理Juan Seculi認(rèn)為，“插銑工藝廣泛適用于大尺寸和中等尺寸零件的復(fù)雜形狀和型腔加工，在這種加工中，銑刀的長徑比至關(guān)重要，而傳統(tǒng)的銑削策略會產(chǎn)生顫振和振動，縮短刀具壽命。”他說，肯納公司最近重建了其Z軸插銑刀銷售平臺，以滿足用戶不斷增長的需求。“時間已經(jīng)證明，Z軸插銑刀的銷售量在不斷增加，年增長率達(dá)到40％。”

【插銑刀的設(shè)計特點】

刀具制造商已經(jīng)開發(fā)出能充分發(fā)揮插銑技術(shù)優(yōu)勢的各種插銑刀。山高刀具的Meyers說，此類刀具的切削力基本上都直接傳回Z軸。插銑刀的幾何形狀與90°方肩銑刀非常相似。不同之處在于插銑刀片的前置角與垂直面偏離了幾度，可能為87°，而不是90°。“如果用90°銑刀向下插銑側(cè)壁，則刀片的整個切削刃都會與側(cè)壁發(fā)生摩擦。如果刀具前置角為87°，則切削刃與工件側(cè)壁之間存在余隙。” 插銑刀要用刀片底部的切削刃進(jìn)行切削，避免用刀片側(cè)面切削，因為從底面到側(cè)面的過渡部位是刀片最薄弱之處，而且用刀片側(cè)面加工可能引起會導(dǎo)致振動的徑向切削力。

Meyers補(bǔ)充說，雖然用刀片側(cè)面進(jìn)行切削的情況并不多見，但在一些稱為“向上（或向下）仿形銑”的加工中，銑刀可以在向上和向下的行程中插銑加工出復(fù)雜形狀。一個簡單的例子就是利用底部根切方式來銑削加工直側(cè)壁，“你可以先向下插銑，然后向內(nèi)移動，并銑削工件的根部。”

Meyers認(rèn)為，插銑技術(shù)的局限性在于刀具實際切削直徑與刀體直徑之間的差距。為了向切削刃提供盡可能大的支撐，標(biāo)準(zhǔn)面銑刀的刀體需要加大到盡可能接近刀具的整個切削直徑。對用于仿形銑削的插銑刀來說，刀片的切削直徑超出了刀體直徑。金屬加工微信，內(nèi)容不錯，值得關(guān)注。他說，“但超出量有一定的限制，因為插銑刀片的伸出量不能太大。”

Meyers表示，雖然插銑是一種典型的粗銑加工，但其技術(shù)和刀具同樣適用于半精加工和精加工。他建議，為了獲得更好的加工表面光潔度，應(yīng)該減小徑向吃刀的走刀步距，與用球頭立銑刀進(jìn)行三維精銑時所采用的減小步距加工方式相同。

Meyers解釋說，從本質(zhì)上講，走刀步距是基于刀片寬度和切削刃對工件材料的切入量來確定的。刀具產(chǎn)品樣本推薦的步距尺寸會產(chǎn)生一定的殘留高度，它決定了某種特定插銑刀的加工表面粗糙度。

肯納金屬公司的Seculi表示，插銑刀的設(shè)計正在不斷改進(jìn)和完善。例如，肯納Z軸插銑刀的新特點包括：在刀體上設(shè)計的鋸齒形結(jié)構(gòu)能提高成屑和排屑性能，冷卻液出口的設(shè)計能改進(jìn)切削熱的控制和排屑性能。他說，“這些和刀體一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計與采用大正前角的前刀面相結(jié)合，可以減小切削力，降低對機(jī)床功率的要求，從而延長刀具壽命和提高加工可靠性。”

【CAM插銑編程需要考慮的因素】

Fiorenza指出，雖然插銑技術(shù)的應(yīng)用已有至少15年的歷史，但近年來，加工車間正越來越清楚地認(rèn)識到，插銑可以獲得更高的材料去除率，而且由于走刀路徑的編程和驗證變得更容易，插銑加工的應(yīng)用也變得比過去更容易。越來越多的CAM系統(tǒng)已有專門用于插銑加工的算法。此外，利用切削仿真軟件，加工車間可以在運(yùn)行插銑循環(huán)程序之前，驗證其可靠性。Fiorenza說，“你的確需要對刀具沿走刀路徑的運(yùn)動進(jìn)行驗證，因為專用插銑刀通常都不是中心刀具。”在使用非中心刀具時，如果選用的走刀步距不合適，或不清楚工件的加工余量，都有可能造成打刀。

據(jù)Meyers介紹，一些車間采用數(shù)控加工中的G81鉆削循環(huán)程序來執(zhí)行插銑加工。但在這種加工中，當(dāng)銑刀從向下插削返回時，其刀片可能會與工件側(cè)壁發(fā)生刮擦。

為了解決這一問題，專門編制的CAM插銑循環(huán)程序在刀具到達(dá)下插底部，準(zhǔn)備退刀返回其行程頂點之前，將其沿X軸或Y軸方向移動0.025－0.050mm。刀具后移可以避免退刀時刀片與已加工表面發(fā)生刮擦。

Meyers說，“也可以手動編制插銑循環(huán)程序。在某些情況下，如果是下插深度相同的簡單插銑，你可以只編寫一個子程序，確定刀具在X軸或Y軸的運(yùn)動。但手動編程的工作量很大，只有在確有必要和無需編寫加工代碼的情況下才采用。”

DP技術(shù)公司的Whetsell說，“我們嘗試優(yōu)化插銑加工循環(huán)，使用戶能充分發(fā)揮插銑刀在每次切削中的最大潛力，以盡可能少的走刀次數(shù)，切除盡可能多的工件材料。確定編程參數(shù)時，需要對刀具切入工件的軸向吃刀量進(jìn)行動態(tài)計算，目的是在每一次插銑走刀中，最大限度地利用刀片的切削能力。這就需要知道工件毛坯和加工后成品零件的尺寸。”

只要知道了零件的最終尺寸，就能確定銑刀的插銑深度，而知道了工件毛坯的尺寸，就能確定從何處開始插銑。金屬加工微信，內(nèi)容不錯，值得關(guān)注。Whetsell說，“這基本上就是現(xiàn)階段對以前曾進(jìn)行插銑加工的工件毛坯的編程信息。在DP公司的ESPRIT CAM軟件中，我們將其稱為‘毛坯自動編程’。”

Whetsell說，“在X軸或Y軸方向切削后退刀的編程變得有些棘手，因為你不能讓刀具正好退到其后的工件材料中，你也不希望將刀具退到剛才切削產(chǎn)生的殘留材料中。”

CAM軟件能以各種不同的方式編制插銑加工程序。Whetsell說，“例如，你可以不定義走刀步距或徑向切寬，你可以定義殘留高度（比如說0.25mm），CAM軟件就能計算出實現(xiàn)該殘留高度的插銑次數(shù)。” DP技術(shù)公司正在為ESPRIT軟件開發(fā)專用的插銑加工循環(huán)，一些用戶已通過該軟件包先進(jìn)的編程界面編制了插銑加工程序。

肯納公司的Seculi介紹說，插銑加工采用的切削參數(shù)和專業(yè)術(shù)語與其他銑削方法有所不同。例如，為了防止顫振，當(dāng)插銑刀懸伸較長時，要采用較低的切削速度。在描述插銑加工時，平面銑削中用于表示軸向切深的Ap的含意也發(fā)生了變化，因為它被定位于插銑刀的徑向而不是垂直軸方向。在Z軸插銑加工中，沒有軸向切深尺寸，只有徑向切深（即走刀步距）和徑向吃刀尺寸。

切削深度通常與刀片尺寸有關(guān)。肯納公司建議，在插銑加工時，應(yīng)始終保持切削深度大于刀片切削長度的15％。如果切削深度變得接近或小于刀片的刀尖圓弧半徑值，則徑向切削力就會增大，從而喪失插銑技術(shù)的一些優(yōu)勢。

【插銑與大進(jìn)給銑削】

插銑是一種具有高生產(chǎn)率的金屬切削策略。選擇采用該技術(shù)還是其他銑削策略取決于多種因素。

為了最大限度地發(fā)揮插銑優(yōu)勢，需要使用專用插銑刀和精心進(jìn)行CAM編程。在許多情況下，大進(jìn)給銑削可以成為更簡便易行的插銑替代方案，大進(jìn)給銑刀基本上都是具有大前置角的直刃銑刀。大前置角使切屑變薄，為了保持足夠的切屑厚度，就必須提高進(jìn)給率。大進(jìn)給銑刀以大進(jìn)給率、小切深量快速切除金屬材料，同時可將作用于機(jī)床和刀具的橫向負(fù)荷減至最小。

英格索爾刀具公司的MAXline產(chǎn)品經(jīng)理Tom Noble認(rèn)為，零件的特征尺寸和結(jié)構(gòu)可以幫助加工車間決定應(yīng)該采用插銑還是大進(jìn)給銑削。他說，“如果需要加工一個小凹腔，采用插銑可能比較合適。由于徑向移動距離短，因此無需徑向銑削太多材料。但是，如果需要銑削的面積相當(dāng)大，采用大進(jìn)給銑削可能效率更高。” 大進(jìn)給銑削確實存在橫向負(fù)荷，但通過采用小切深、快進(jìn)給和多次走刀，可將其減至最小。

該公司的Fiorenza指出，用直徑50mm以上的插銑刀進(jìn)行長懸伸插銑可能非常有效。而大進(jìn)給銑削可能更適合小直徑銑刀的長懸伸銑削。他說，“當(dāng)?shù)毒邞疑扉L度增大到直徑的4倍或6倍時，就會開始出現(xiàn)某些類型的顫振。你可以采用大進(jìn)給銑刀和0.38－0.50mm的小切深來應(yīng)對這些加工。可能還需要采用一些抗振刀具結(jié)構(gòu)，如整體硬質(zhì)合金刀柄和模塊化刀頭。”

Noble認(rèn)為，選擇銑削方法的一個關(guān)鍵考慮因素是車間的日常加工任務(wù)，“比如說，如果你平時要進(jìn)行大量三維銑削，并希望也能做一點插銑加工，我會建議你采用大進(jìn)給銑刀，用它也可以進(jìn)行有限的插銑加工。但對于型腔銑削、直壁和溝槽銑削以及大批量加工，你則應(yīng)該投資購買專用插銑刀。”

【選擇合適的插銑機(jī)床】

雖然通用型機(jī)床具有“一機(jī)多用”的優(yōu)點，但為了最大限度地提高生產(chǎn)率（以及減小變形），采用專用機(jī)床往往是更好的選擇。生產(chǎn)立式加工中心（VMC）、臥式鏜銑床等產(chǎn)品的斗山機(jī)床公司可提供從輕型攻絲中心到用于模具重載切削的高速五軸加工中心的各類機(jī)床。金屬加工微信，內(nèi)容不錯，值得關(guān)注。營銷經(jīng)理John Ross表示，該公司可為不同的加工（乃至不同的地域）量身定制機(jī)床。例如，有些機(jī)床采用直線導(dǎo)軌，而另一些機(jī)床則采用更結(jié)實的硬軌。“當(dāng)我們進(jìn)入美國加州一些地區(qū)主要切削輕型材料的市場時，直線導(dǎo)軌機(jī)床正好對路。而當(dāng)我們進(jìn)入中西部地區(qū)一些加工航空材料和高溫合金的市場時，用戶則需要能承受較大切削力、更堅固耐用的硬軌機(jī)床。”

采用直線導(dǎo)軌的高速模具加工機(jī)床在快速切除少量工件材料時性能優(yōu)異，而采用插銑技術(shù)可以進(jìn)一步提高其粗加工能力。但這種機(jī)床承受切屑負(fù)荷的能力卻不及硬軌機(jī)床。

Ross指出，斗山的Mynx系列立式加工中心是能夠最大限度發(fā)揮插銑優(yōu)勢的加工平臺，其剛性在斗山VMC中最高。該機(jī)床的基座采用整體鑄造，1500mm×750mm工作臺能夠加工大型模具或航空鑄件。

斗山公司應(yīng)用工程師Steve Sigg指出，“機(jī)床主軸越粗大，銑削能力就越強(qiáng)。”在重載切削時，插銑技術(shù)可以幫助用戶對一些難加工材料（如Inconel合金和不銹鋼）進(jìn)行高效粗銑加工，而用面銑刀對這些材料進(jìn)行徑向加工效率很低。當(dāng)?shù)毒邞疑炝枯^大時，橫向銑削力會引起過度振動，而插銑加工也能很好解決這一難題。

他順便提到，制造商開始對插銑加工感興趣的另一個原因是，隨著美國制造業(yè)的復(fù)興，一些模具加工任務(wù)正不斷從中國回流到美國。