优化切削效率和生产能力

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优化切削效率和生产能力
  高速加工(HSM)已经成为并将继续是生产航空航天部件的良好加工策略。主轴转速高、进给速率快与切削深度小相结合，在常常具有精细的薄壁和底座的框架部件等零件上加工出必要的表面光洁度和精度。然而，如果说航空航天工业在零件生产方面有一个最为重要的“速度”，那么这个速度就是零件彻底加工并作好装配准备的速度。Sandvik Coromant (新泽西州费尔劳恩)认为，在必须快速切除大量材料的情况下，可以帮助加工车间从HSM方式改变为速度稍慢、效率更高的切削工艺。该公司称之为高效加工(HEM)。  
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8 w! l1 Y; N* `. r    顾名思义，HEM的焦点是优化切削效率，以获得最大的材料切除率。与HSM不同的是，HEM通常将主轴转速控制到一定的程度：既产生很大的切削力矩和功率，又允许较大的吃刀深度。HEM也不同于传统的大余量切削，在大余量切削方式下，刀具充分切入材料，而HEM仅利用刀具有效直径的一小部分进行切削，为提高进给速率和材料切除率酌留余地。  

6 I2 l# t! a$ ~. I& R  E. n    在生产航空航天部件时，HEM或许不会取代HSM，HSM固有的快速浅切削仍将是半精加工和精加工某些关键零件特征所必须的。然而，若要粗加工铝和钛而不造成零件损伤或刀具过早磨损，HEM的潜在好处是值得考虑的，特别是在加工某些航空航天零件的情况下，每个毛坯工件可能最多有95%终成切屑，HEM尤其具有重要意义。
  
    Sandvik Coromant航空航天开发经理Brian Davis在是届Q&A年会上讲解了HEM技术与HSM技术相融怎样可以成为最快生产航空航天部件的最佳途径。
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    HSM与HEM之间的基本差异是什么HSM在可能达到的主轴速度和进给率方面取决于机床，对指定以很浅的吃刀深度加工的几何特征来说，还取决于刀具。HEM策略则更注重于全过程和零件，力图循环时间最小化。  

# `7 M+ T# R9 Y- U8 J9 Y! C; j( n    HEM与HSM共有的一个方面是缺乏通用的加工参数集。假如向10个机械师询问HSM的定义，很可能得到10个不同的答复。Sandvik Coromant认为HSM涉及的主轴速度大于18,000 r/min，吃刀深度一般会在0.010" (精加工，0.25mm)~0.100"(粗加工，2.5mm)范围内。相反，HEM的主轴速度可能远远低于HSM，但是HEM的吃刀深度是HSM的许多倍。这些参数总是因工件类型而大相径庭。
  
   哪种机床最适合于HEM？最适宜于HEM的机床是50#锥度卧式加工中心。用于HEM的卧式加工中心不仅要有12,000~15,000r/min的最高主轴速度，而且必须提供很高的可用功率和切削力矩。  
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3 z% l, j" l8 _! d$ r# F( [2 b这个简单曲线表示切削功率与主轴转速的关系。为了进行高效加工，应选择切削功率和切削力矩同时胜任切削工序的最高主轴速度。  

   在HSM方式下，主焦点是进给速率和主轴转速，但切削力矩同HEM的其它指标一样重要，因为它是材料切除率最大化的关键。为了确定HEM工艺的初始主轴速度，了解切削力矩与功率在机床主轴速度范围内的关系是有益的。在最大主轴速度下，机床不可能提供最大力矩；速度太高时，力矩开始下降。了解上述关系的目标是确定机床在怎样的最高主轴速度下同时提供胜任切削工序的力矩和功率。这个目标速度因材料和机器而异。  

    例如，铝合金比较软，一般可以采用很高的切削速度。然而由于切削力矩总是在主轴速度过高的情况下减小，一台大功率机床在切削铝件的过程中有可能停止转动。同样，切削钛合金需要高力矩，但是主轴速度往往比切削铝件时低得多。  
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    HEM切削负载高于HSM，卧式切削除了提供一个刚硬稳定的平台控制切削负载以外，使大量的切削能够从零件上脱落下来，以免发生常见于立式切削的排屑不畅、切屑再次被切的现象。显然，很长的航空航天部件，如加强杆，可能需要大型立式龙门机床。冷却液贯穿主轴的冷却方式不仅对延长刀具寿命很重要，而且有助于切削区排屑。另外，必须考虑机床是否具有输送大量切屑的能力。

    HSM和HEM在刀具方面的主要差异是什么？整体式硬质合金刀具一般应用于HSM，而且这些刀具往往具有多晶金刚石(PCD)镀层。可转位镶刃刀具同样可以使用，但是它们的直径一般不大于2"(50mm)。HSM快速浅切削专用的刀刃非常锋利，为排屑流畅提供可能性。这些刀具可能对HEM不适用，因为它们不适合于深切削。在某些情况下，不太昂贵的无镀膜硬质合金刀具可以提供较好的材料切除率，其吃刀深度和刀刃强度较大，因此吸收较大的切屑载荷。可转位镶刀更常用于HEM。
  
    当HEM涉及到快速大余量切除材料时，不要把HEM与传统的大余量切削或重切削混为一谈。传统大余量切削的目标多半是使刀具始终在切削长度和宽度上完全切入材料，而且一般在相当低的进给速率和主轴速度下进行。  
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    高效加工可以用来粗加工铝件的壁面或隔墙。一个方法是采用交迭、交错(在隔墙的两面)“台阶支撑”走刀方式，对被加工面的反面产生额外的支撑力。

4 A; j- d* i: S/ }    许多现代化的可转位镶刃铣刀具有最优的吃刀深度比(通常为刀具直径的30~40%)。在仅以刀具直径几分之一的深度下走刀，可以大大提高进给率，这增加了材料切除率。这种径向吃刀不仅提供最好的进刀角度，而且提供足够的排屑空间并确保冷却液达到刀刃上。

   从刀具的最优吃刀深度比开始是合适的，只要我们知道切削过程是稳定的。如果某个设置是微弱的或者一个零件设计容易在切削压力下发生变形，建议着手采用一半的吃刀深度比。  
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# I  _* R/ [  e' d8 o) @   HEM可以用于薄壁加工吗？HSM普遍应用于薄壁型零件，由于吃刀量很小，走刀过程不易引起薄壁变形。台阶支撑式铣削使一些薄壁铝件可以采用HEM，尽管吃刀深度较大。采用这种技术时，刀具在薄壁的两个面从上到下交替走刀。第一刀的切削深度远远小于以后的走刀，使切削点背面的材料发挥支撑作用。  

   在这些情况下，钛合金特别容易变形，弹性模量低，使之在走刀以后回弹到原来的位置。为此，加工钛质薄壁时应采用HSM，此时刀具通过加工表面的速度非常快，致使材料不太可能离开刀具。  
HEM适合于锻件吗？HEM在大型锻件粗加工中可能非常有用。例如，钛合金起落架支撑梁可能从2,000磅的锻件开始加工，加工完毕变成600磅的零件。这些锻件具有很大的拔模斜度和锯齿状飞边，HSM过程需要花费特别长的时间清除这些缺陷。最好的办法是首先采用HEM粗加工，然后采用HSM进行半精加工和精加工，以控制零件变形并提供良好的表面光洁度。  
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  尽早参与  
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  Davis指出，航空航天工业与其它工业不同，其差别在于前者不需要年年都出新型飞行器或新型重要部件。在安全规章和对工艺的一致性和可靠性要求方面，航空航天技术也是表率。正是由于这些原因，许多制造方法在零件的早期设计阶段就锁定了。刀具制造商在设计阶段参与得越早，从零件生命周期的起点确定使用正确的刀具的可能性越大，而且长期的回报和效益越大。