铣削过程中涉及的力可以量化,从而允许数学工具预测和控制这些力。精确计算这些力的公式可以优化铣削操作的质量(和盈利能力)。

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在铣削中,切削力施加在三个平面上,以使材料以切屑的形式变形和剪切掉。切向切削力克服了旋转阻力,占总力的 70%。进给力占总力的 20%。径向力倾向于推开刀具,占切削力的 10%。

刀具的前角控制着切削力和功率消耗的程度、切削刃的强度以及切屑流的方向。随着前角变得更负,切削力增加并且刃口强度提高。相关前角基于刀具的导程角,并且对于外圆车刀很常见。无论其他刀具角度的设计如何,都会应用独立的前刀角,并且是大多数旋转切削刀具和镗刀的典型特征。

刀具导程是切削刃进入工件时的接近角。导程控制径向和轴向切削力的方向,提供有效的切屑变薄,并保护切削刃的最薄弱部分。

刀具间隙是切削刃后面的斜角间隙,可消除切削刀具和工件之间的干扰。需要有间隙以减少摩擦或抛光并允许足够的切屑流动。不同的工件材料需要不同的后角,尤其是在工件预计会引起回弹的情况下。

铣刀的性能受到其最大切屑负载的限制。由于常用的速度和进给计算器仅显示每齿进给量,以fz表示,因此术语“切屑负载”和“fz”往往可以互换使用。这种常见的误解可能导致重大错误。

永远记住,切屑负载是指切屑厚度,而不是 fz。相反,fz 是刀具每转一圈一个刀片所产生的进给增量。切屑厚度是每个刀片通过切削弧前进时所消耗的量. 单次插入去除的金属看起来像一个非常薄的新月形。切屑厚度是新月形沿其弧线任意位置的厚度,这使得其厚度从零变化到通常等于 fz 的最大值。切屑厚度增加,直到它等于刀具中心线处的 fz。每齿进给量和切屑厚度仅在月牙与进给方向相交的点处相等,该点通常位于刀具中心线处。换句话说,对于给定的操作,fz 是一个常数,而切屑厚度是一个周期性变化的变量。

铣刀会消耗大量马力。很多时候,在决定特定操作时,缺乏马力是限制因素。在需要大直径刀具或大量切削的应用中,首先计算必要的马力要求是有利的。

注意:主轴效率“E”在 75% 到 90% 之间变化(E = 0.75 到 0.90)。

计算刀具马力 (HPC) 的合适公式为:

高性能计算 = MRR/K

例子:

切割宽度 (ae) 1.64"
切削深度 (Ap1) .200"
进料 (vf) 19.5 ipm
4140, 220 HB “K” 系数 1.56

MRR = Ap1 x ae x vf

MRR = .200 x 1.64 x 19.5 = 6.4 in3/min

对于电机的马力 (HPm),使用公式:

HPm = HPC/E

在确定马力消耗时,必须使用“K”因子。“K”因子是一个功率常数,表示每分钟可以通过一马力去除的金属立方英寸数。注意:“K”系数因材料的硬度而异。

工件材料 K 系数
工件材料 硬度 (HB) K 系数
钢,普通碳合金钢,5-200 1.64
工具钢、锻铁、铸铁 201-253 1.56

                                                                      254-286 1.28
                                                                      287-327 1.10
                                                                      328-371 0.88
                                                                      372-481 0.69
                                                                      482-560 0.59
                                                                      561-615 0.54

沉淀硬化不锈钢 150-450 1.27-.42

铸铁(灰色、延展性、可锻性) 150-175 2.27

                                                                        10-190 2.00
                                                                      176-200 1.89
                                                                      201-250 1.52
                                                                      251-300 1.27
                                                                      301-320 1.19

不锈钢、锻铁、铸铁 135-275 1.54-.76
(铁素体、奥氏体、马氏体) 286-421 .74-.50

钛 250-375 1.33-.87

高温合金,镍基和钴基 200-360 .83-.48

铁基 180-320 .91-.53

镍合金 80-360 .91-.53

铝合金 30-150 (500 kg) 6.25-3.33

镁合金 40-90 (500 kg) 10.0-6.67

铜 150 3.33

铜合金 100-150 3.33

                                                                       151-243 2.00

除了功率计算之外,周边铣刀的几何形状也很重要,即螺旋角和前角/后角。大多数外周铣刀都是用斜齿制成的。斜齿在单个点进入工件,冲击力在切割宽度上逐渐增加。如果工件的宽度是刀具轴向节距的整数倍,则可以设计螺旋刀具以几乎均匀的切削力进行切削,这说明了它们的广泛偏好。

对于直齿,当进入时的冲击发生在整个切削宽度上时,切屑负荷在退出时被释放,切削力下降到零,导致切削力剧烈波动。

前角可以是正的或负的。正前角具有具有高剪切角的小切削区,并且由于其切削作用而产生拉伸应力。相比之下,负前角具有较大的接触区和较低的剪切角,并且在切割时会产生压应力。一般来说。正前角建议用于铝和低碳钢,负前角是中硬钢的更好选择。

当需要坚固的刀片刃口时,通常需要使用正几何形状的圆形刀片。具有更多切削刃和高轴向力的圆刀通常推荐用于具有高冲击载荷和高强度材料的铣削。

刀具直径和齿距也是重要的考虑因素。一般来说,考虑到以下条件(所有条件相同,即恒定的切削速度、每齿进给量和齿距),应该使用能够传输所需功率并提供经济刀具寿命的最小刀具:

  1. 刀具直径越大,平均切屑厚度越小,因此单个齿上的力越小。
  2. 大直径刀具承载在大直径心轴上,能够传输更大的动力。
  3. 考虑到更多的齿数,大直径刀具将提供更长的刀具寿命,但由于刀具接近时间的增加,大直径刀具也表现出增加的循环时间。

选择齿距的因素有:

  1. 在恒定进给速度和相同直径的刀具下,齿数越少(粗齿距)意味着每齿的切削力越高。
    2、长切屑材料比短切屑材料需要更大的切屑空间,因此长切屑材料比短切屑材料需要更粗的螺距。
  2. 齿数应为刀具在最高进给率下的切屑加工留出足够的空间。
  3. 轻合金允许更高的进给率,因此适用的刀具应具有更少的齿数以提供更多的切屑空间。因此,更高强度的材料(铬钼钢或铬钨钢)具有更高的比切削压力,因此应使用中齿距或细齿距刀具将每个切削齿的力保持在限制范围内。

面铣用于在工件表面上创建一个平面(面)。切削平面通常垂直于旋转轴,并且刀具通常具有单排刀片。表面光洁度要求是确定最佳工具类型的重要输入。通常,端面铣削由提供导角的刀具执行,以延长刀具寿命并减少退出工件时的断裂机会。

面铣可以包括同时进行方肩铣操作。与面铣不同,方肩铣在切削平面平行于旋转轴的情况下进行,在工件外围形成平面或轮廓表面。典型的方肩铣刀通常具有一排或多排刀片。

槽铣在工件上创建一个槽或通道。切割平面既平行又垂直于旋转轴。开槽还可以包括同时进行侧面和底部切割。

刀具切削刃角度
切削刃的不同角度会产生不同厚度的切屑。例如,45 度铣刀具有相等的径向力和轴向力,从而降低了对主轴轴承的要求并实现了更高的进给率。这通常是面铣的不错选择,因为它提供了平滑的切削入口和出口,同时提供了高表面光洁度质量。

导程角越大,切屑变薄效果越低。因此,90 度刀具将具有高刀片载荷,因为对于给定的进给,切屑厚度最大。

一般来说
选择如何铣削给定零件涉及许多考虑因素。什么样的机床最好?有多少马力可用,机器的刚性如何?零件是如何固定的?夹子挡路了吗?刀具能否到达零件,刀具的刀尖直径是否合适?切屑会从工具上掉下来吗?

无论是面铣、外圆铣、槽铣还是特殊铣削,通常都需要考虑三个主要因素——金属去除率、表面光洁度和刀具寿命(每个刀具可能的零件数量)。尽管所有这些因素都对特定情况下哪种工具适用具有相当大的影响,但其中一个因素将占主导地位,而其他因素虽然重要,但仍处于次要地位。仔细分析和选择工具材料、结构和几何形状可以显着降低总体成本并优化您的生产过程。

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