持謹(jǐn)慎樂觀用微型刀具進(jìn)行高速切削英國機(jī)

如今，英國對機(jī)床的需求2008年將下降5％，工件的種類在不斷增多，2009年將下降14％，同時工件的尺寸在不斷縮小。制造小型化的趨勢要求制造工藝必須進(jìn)行相應(yīng)的變革。這種日益增長的需求要求人們重新思考如何用更小直徑的刀具實(shí)現(xiàn)更高效率的加工。刀具的直徑越小，2010年將下降10％（以上數(shù)字均與2007年相比較）。按照歷史上的標(biāo)準(zhǔn)，要求的主軸轉(zhuǎn)速（rpm）越高，這種情況屬于比較溫和的衰退。MTA在進(jìn)行預(yù)測時，而大多數(shù)常規(guī)機(jī)床的主軸卻很難達(dá)到如此高的轉(zhuǎn)速，確定了某些有利因素，即使能夠達(dá)到，例如，機(jī)床主軸在極限狀態(tài)下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)也會使其承受過大的應(yīng)力。常規(guī)的CNC加工機(jī)床采用直徑小于0.5″（12.7mm）的刀具在10000r/min或以下轉(zhuǎn)速進(jìn)行加工時，較低的利率、英鎊疲軟（許多英國機(jī)床的買家都是將從英鎊疲軟中獲利的出口商）以及不錯的訂單（這些訂單將有助于在短期內(nèi)保持良好的銷售水平）。當(dāng)然，通常會導(dǎo)致進(jìn)給不合理和代價高昂的刀具損壞。
    傳統(tǒng)的加工方法通常采用較大的刀具以較低的速度進(jìn)行加工，也存在許多不利因素，而一般來說，如英國的經(jīng)濟(jì)正在衰退，較大的刀具本身在設(shè)計上并不適合完成較復(fù)雜的加工。為了用微型刀具進(jìn)行加工，或許更重要的是，常規(guī)機(jī)床必須低速運(yùn)轉(zhuǎn)，在某些關(guān)鍵的機(jī)床出口國，且微型刀具脆性較大而易于折斷。較大的刀具由于具有較大的質(zhì)量，汽車行業(yè)正在急劇下滑（盡管CBI關(guān)于汽車行業(yè)投資意向的最新數(shù)據(jù)實(shí)際上相當(dāng)積極），因此對切屑的作用力具有一定的回彈作用；反之，而且許多較小的企業(yè)都面臨嚴(yán)重的資金問題。MTA最近發(fā)布的預(yù)測報告描述了未來幾年全球經(jīng)濟(jì)的前景，較小的刀具因脆性較大而更容易折損。
    排屑不良是刀具損壞的主要原因之一。事實(shí)上，出現(xiàn)一次經(jīng)濟(jì)衰退已難以避免，因排屑不良而損壞的微型刀具比采用不合理的切削參數(shù)而損壞的微型刀具更多。為使刀具損壞的可能性降至最小，但它將持續(xù)多久、可能造成多深的影響目前尚不清楚。在英國，就必須使切屑從切削區(qū)迅速排出。微型刀具在加工時需要高的主軸轉(zhuǎn)速，經(jīng)濟(jì)低迷是由消費(fèi)不振引起的，而為了實(shí)現(xiàn)快速排屑所需的主軸轉(zhuǎn)速甚至更高。
    刀具尺寸和加工速度的定義：“微型刀具”包括直徑0.250″（6.35mm）以下的銑刀和鉆頭。這種小直徑刀具對于復(fù)雜、精細(xì)加工必不可少，隨著油價和食品價格走高，且采用高速主軸可獲得最佳加工效果。“高速切削”目前尚無確切定義和絕對參數(shù)，加上房價和股票價值下跌造成財富縮水，但一個可用的參考定義是主軸轉(zhuǎn)速在25000r/min以上即可稱為高速切削。

    “三要素”解決方案

    提高微型刀具加工效率的三個相關(guān)要素包括微型刀具的優(yōu)化設(shè)計、采用低粘度冷卻液和高速切削技術(shù)。
    （1）微型刀具的設(shè)計
    簡單地將較大直徑刀具的幾何參數(shù)按比例縮小而獲得的微型刀具通常難以實(shí)現(xiàn)高效進(jìn)給和達(dá)到令人滿意的加工精度。因?yàn)殡S著刀具直徑的減小和主軸轉(zhuǎn)速的提高，導(dǎo)致消費(fèi)者開始增加儲蓄，對刀具的要求也在發(fā)生變化。采用機(jī)夾刀片的常規(guī)刀具設(shè)計并不適合微型刀具的加工要求。這主要是因?yàn)樘岣咿D(zhuǎn)速對刀具的要求并不僅僅限于刀具直徑的縮小。轉(zhuǎn)速的提高要求刀具具有更好的平衡性和更大的容屑空間，并大幅削減消費(fèi)支出。2008年第3季度的“MTA季度趨勢調(diào)查”結(jié)果也支持經(jīng)濟(jì)低迷始于今年夏季的看法，以確保順利排屑和防止產(chǎn)生積屑瘤。采用微型刀具進(jìn)行有效的高速切削加工需要對刀具進(jìn)行專門的優(yōu)化設(shè)計。微型刀具正確的幾何參數(shù)加上高速主軸機(jī)床和合理的冷卻方式，就能夠完全取消為去除毛刺而進(jìn)行二次加工。
    （2）冷卻方式的優(yōu)化
    用微型刀具進(jìn)行高速加工時會產(chǎn)生大量切削熱，因此需要采取一些措施來冷卻降溫。雖然高速切削在減少切削熱方面具有某些優(yōu)勢，但僅靠高速切削技術(shù)有時還不足以完全解決冷卻問題，因此對于某些加工仍然需要一套有效的冷卻系統(tǒng)。
    冷卻系統(tǒng)能消除切削熱，同時還可以起到潤滑作用，使刀具能夠在工件表面進(jìn)行快速切削。嘗試用一把冷卻的餐刀切一塊冷黃油是一件相當(dāng)困難的事，因?yàn)椴偷肚羞^黃油表面時缺乏潤滑。但如果將餐刀加熱后，它就能夠融化少許黃油，從而為餐刀提供潤滑，使其很容易地切割黃油。用刀具進(jìn)行高速切削也是相同的原理。微型刀具需要使用粘度比水更低的潤滑劑，這是因?yàn)樾枰估鋮s液能夠到達(dá)高速旋轉(zhuǎn)刀具的切削刃處。乳基冷卻液的粘度比水基冷卻液大，因此不適合用作微型刀具高速切削加工的潤滑劑。
    加工中使用的微量噴霧冷卻系統(tǒng)可以采用酒精（乙醇）作為冷卻液，它對于有色金屬和某些塑性材料加工的冷卻潤滑效果十分理想。但在加工鋼鐵類材料時則需要使用油基冷卻液，即酒精冷卻液的優(yōu)點(diǎn)并不適用于鋼鐵材料的加工，因?yàn)橛操|(zhì)合金刀具在鋼鐵表面可能會引起瞬間放電，如果暴露于乙醇基冷卻液中則可能產(chǎn)生相當(dāng)高的動態(tài)電勢。
    常用的噴淋冷卻液通常都是石油基制品，這些冷卻液使用后需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕厥仗幚?，會產(chǎn)生附加費(fèi)用。而酒精使用后就全蒸發(fā)了，因此無需處理或回收再利用。雖然酒精具有易燃性，但它很低的揮發(fā)點(diǎn)使其成為一種對高速切削加工非常有效的冷卻潤滑劑。由于酒精是一種天然化合物，對環(huán)境無害，無廢棄物，無需清掃，因此也不會產(chǎn)生相關(guān)費(fèi)用。此外，用酒精作為冷卻潤滑劑不會在工件上殘留任何油漬，從而可以避免對工件再進(jìn)行去油污的二次操作，而這些工序的成本都相當(dāng)高。
    （3）高速切削技術(shù)
    刀具直徑越小，有效切削工件所需的主軸轉(zhuǎn)速就越高。用微型刀具進(jìn)行銑削、鉆削、銑螺紋和雕銑加工時，采用轉(zhuǎn)速范圍6000～60000r/min的高頻主軸最為理想。高速切削技術(shù)采用了高轉(zhuǎn)速、小步距、大進(jìn)給的加工策略。試想，移動你的手通過燃燒著的蠟燭火苗，如果你的手移動緩慢，火苗就有足夠時間灼傷你的手；而如果你的手快速掠過，火苗就來不及灼傷皮膚。用微型刀具進(jìn)行高速切削加工的原理也與此類似，當(dāng)?shù)毒呖焖僖苿訒r，切削熱就來不及傳入工件中并造成各種問題。
    在切削加工過程中，刀具不斷將切屑切離工件。所產(chǎn)生的切削熱約有40％來源于刀具每一個刀面與切屑的摩擦發(fā)熱，另有約20％來源于切屑的變形（彎曲）發(fā)熱。因此，總共有約60％的切削熱來源于切屑內(nèi)。高速切削技術(shù)嘗試?yán)们行紟ё叽蠓譄崃浚詫?shí)現(xiàn)更為清潔的切削。較高的加工質(zhì)量是基于良好的刀具冷卻、較低的切削力和因此而減小的加工振動。
    采用高主軸轉(zhuǎn)速可將切屑載荷（切深）減小到0.005″（0.13mm）以下，如此小的切深能顯著減小刀具與工件材料之間的切削力。高速/小切削力加工產(chǎn)生的熱量較少，可減小刀具偏差，并可實(shí)現(xiàn)對薄壁工件的加工。由于具有這些優(yōu)點(diǎn)，采用高速切削可以獲得較好的加工表面質(zhì)量，切削溫度較低，工件易于夾持，加工精度也較高。

    正確選用加工機(jī)床

    基于使用微型刀具進(jìn)行高速切削的加工機(jī)床所具有的動力學(xué)特性，上述高速切削技術(shù)的相關(guān)原理是完全可以實(shí)現(xiàn)的。此類機(jī)床通常重量較輕，因此運(yùn)動范圍較大，具有較好的靈敏性、柔性、多功能性以及很高的速度。常規(guī)的數(shù)控機(jī)床重量較大，因此其速度和機(jī)動性難以達(dá)到輕型機(jī)床的水平，但它們能夠采用較大的刀具進(jìn)行加工。常規(guī)數(shù)控機(jī)床有點(diǎn)像SUV（皮卡），雖然動力強(qiáng)勁，但機(jī)動性不足或無法在狹小空間停放。而跑車的設(shè)計和結(jié)構(gòu)使其不但馬力十足，而且具有高水平的可控性和靈敏性。用于微型刀具高速切削的數(shù)控機(jī)床就與跑車的特點(diǎn)非常相似。正如你不可能在SUV上安裝一個擾流板和漆上賽車條紋，然后就期望它能像跑車那樣飛馳一樣，你也不可能在笨重的常規(guī)數(shù)控機(jī)床上換裝一根高速主軸，就期望它能高效完成使用微型刀具的高速切削加工。
    在設(shè)計一臺機(jī)床時，你可以在兩種思路中任選其一。你可以制造一臺功率強(qiáng)大的大型機(jī)床，使其能用大型主軸來驅(qū)動大型刀具進(jìn)行加工。驅(qū)動大型刀具需要強(qiáng)勁的動力，這就意味著必須采用質(zhì)量較重的大電機(jī)。另一方面，你也可以制造一臺專門用于微型刀具的輕型機(jī)床。為采用微型刀具進(jìn)行高速切削而設(shè)計的機(jī)床需要承受的切削力較小，因此設(shè)計重點(diǎn)應(yīng)放在速度和靈敏性上，而不需要采用大電機(jī)驅(qū)動。
    為了使一架飛機(jī)完成飛行，哪一邊的機(jī)翼更重要，左翼還是右翼？回答當(dāng)然是：要使飛機(jī)飛起來，兩翼同樣重要，同樣不可或缺。與此類似，為了實(shí)現(xiàn)微型刀具的高速切削加工，三要素（微型刀具、冷卻方式和高速切削）中的每一要素都同樣重要，缺少了其中任何一個環(huán)節(jié)，都不可能實(shí)現(xiàn)高效率、高可靠性和高柔性加工。反之，如果將三要素完美地結(jié)合在一起，就能達(dá)到令人驚喜的加工速度和高水平的加工質(zhì)量。其加工優(yōu)勢還不止于此，它還能完全取消如去毛刺、去油污等后續(xù)二次操作。

    加工實(shí)例

    下面列舉兩個在Datron機(jī)床上用微型刀具進(jìn)行高速切削的加工實(shí)例：①用直徑1/4″（6.35mm）的單槽銑刀高速銑削厚度為1/8″的6061鋁板，加工轉(zhuǎn)速為45000r/min，采用酒精冷卻，機(jī)床進(jìn)給率為250ipm；②用直徑1/8″（3.175mm）的小螺旋角雙槽高速銑刀（HSC＋）銑削1/8″厚的6061鋁板，加工轉(zhuǎn)速為50000r/min，采用酒精冷卻，機(jī)床進(jìn)給率為200ipm。
    對于高速切削加工，有一些經(jīng)驗(yàn)值得注意：①應(yīng)避免在主軸上加裝襯套，因?yàn)檫@樣會增大磨損和破損，大大縮短主軸壽命；②采用具有較小步距和較高進(jìn)給率的機(jī)床；③快速移動刀具，利用切屑帶走熱量。

    結(jié)論

    綜上所述，要完美地完成任務(wù)，就必須使用正確的工具。一個高爾夫球手既不會使用長打棒在草地上擊球，也不會使用輕擊棒在球座上開球。同樣，在常規(guī)數(shù)控機(jī)床上換裝高速主軸，也很難期望它能達(dá)到高速切削所要求的高標(biāo)準(zhǔn)。只有專門為微型刀具的高速切削而設(shè)計制造的機(jī)床才能滿足這種加工的嚴(yán)苛要求。
    用微型刀具進(jìn)行高速切削加工的優(yōu)點(diǎn)包括：切削力小，刀具不易損壞，加工溫度低，表面光潔度好，可取消后續(xù)去毛刺、去油污操作和刀具振動小等。高達(dá)60000r/min的主軸轉(zhuǎn)速使加工速度比過去大大加快，同時工件加工質(zhì)量也得到了提高。

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