什么是高速加工,你怎么能做到


在过去的14年里,我一直与一些在高速切削等领域处于行业领先地位的公司合作。

我将分享我所学到的关于什么是高速切削以及你如何在你的商店成功地做到这一点。

什么是高速加工?

对很多人来说,这个术语可能有点含糊。对于所有夸耀我工作过的高速切削的公司,他们对它的含义有轻微的不同的定义。

例如,一家公司将其定义为具有超过20,000 rpm的主轴速度。根据该定义,默认情况下,带有0.005“端盖的微机械线是HSM。这并没有真正捕捉意图。

另一家公司将其定义为任何一种快速去除材料的加工。同样,这不是最明确的定义。一个150马力的轧机与一个8″直径的壳轧机面对一个钢板将快速去除材料,但这是一个真正的老派的方法。这并不能很好地定义高速切削。

那么什么是高速加工呢?

以下是我能给出的最好、最简单的定义:

高速加工是一种加工方法,专注于极快但轻,低压切割。结果是材料去除率的整体提高。

这种解释是一种很好的方法,可以将默认被认为是高速切削的东西与真正能够切割的东西分开(看到我在那里做了什么吗?)

最终,高速切削在一个梯度上工作。它可以在不同程度上实现,但这些原则可以应用于各个领域。

这不仅仅是RPM的问题。高速切削的目的是利用高速来实现高的材料去除率。为了成功地做到这一点,有八个支柱概念需要被理解。在这里,他们是:

  • 刀具和工件的刚度
  • 工具平衡
  • 工具谐波测试
  • 控制工具加载
  • 芯片变薄
  • 刀具的选择
  • 材料的理解
  • 机器要求

虽然这些概念中的许多都高度适用于标准加工,但它们被带到一个全新的水平与高速切削。事实上,当你第一次在商店中设置这个时,可能需要一些“开发阶段”才能将其处理好。

那么为什么这是这样的挑战,你怎能成功地做到这一点?

为什么高速加工具有挑战性

如果你只是简单地控制速度并给控制器提供反馈,很可能会发生非常糟糕的事情。

高速加工是可以以其他方式弥补的全部。简单地推动工具更加努力,将使它们突破。你需要在一个深思熟虑的方式方面接近这个。

除此之外,高速加工还有一些共同的挑战。在这里,他们是:

  • 很多金属工作 - 硬化。在高转速下运行可能意味着在切割过程中产生更多热量。当加热时,一些金属非常努力,如果措施未被采取措施减少热量,则会导致灾难性的工具故障。
  • 高速切削会增加振动或颤振的风险。这大大降低了工具的寿命,并且很容易损坏和报废部件。
  • 切割力实际上可以很高。一个常见的问题是为了从持有人退出并导致主要问题的工具。
  • 这是高性能加工!不是所有机器,尤其是较大的机器都是为了完成任务。
  • 实现这些速度的刀具路径更加先进。它们需要额外的培训,以及扎实的CAM套件才能成功。
  • 建立真正高性能的高速切削是非常昂贵的。

这不是一个详尽的列表,但它可以让你知道为什么很多商店犹豫不决。如果处理不当,你会造成很多伤害。

如果你所做的一切都在你的机器上撞上了RPM,你就不会充分利用HSM。让我们走出高速加工的支柱概念,以及如何将它们付诸实践。

1 -工具和工件的刚性

振动是高速加工中的敌人#1。在应用这种方法时,这通常是最大的挑战。如果你不能让你的刀具尖叫,你的刀具生活将是可怕的,如果不是废料,那么垃圾就会看起来像垃圾。

当刀具啮合工件,并开始去除材料,有一个连接链。每个人都允许一定数量的振动来传递。这是它通常的组成部分:

  • 机床主轴刚性
  • 刀柄与主轴的连接
  • 工具上的任何扩展之间的连接
  • 刀柄和刀具或刀片之间的连接
  • 工件和工件夹持器之间的连接
  • 工件夹头与机床工作台之间的连接
  • 机床工作台刚性

所有这些都必须牢固,以防止刀具和零件的切削刃之间的振动。就像链条一样,最薄弱的环节会拖垮整个系统。

所有这些都适用于传统加工。但是对于高速切削,你对设备的性能要求很高。这意味着这种设置需要显著地更加可靠。需要特别注意如何最大限度地利用每一个元素。

多年来,有几项进展使这一目标更有可能实现。让我们来做一些概述,看看他们如何使高速切削可行。

工具锥度

刀柄和机床主轴之间的连接是至关重要的。有许多不同风格的联系在这个领域提供优势。

HSK茶点

例如,HSK风格的刀柄多年来一直被认为是高速切削的金标准。HSK是“空心锥柄”的德语缩写。它的原理很有趣。

当金属在夹持下轻微变形时,接头往往具有减振性能。这本身可以成为一篇完整的文章来解释为什么会这样,但是现在让我们把它放在那里。

HSK工装从内部夹紧,夹紧压力实际上使金属轻微弯曲。其结果是一个难以置信的刚性,阻尼振动连接。

基本上,它使您的工具非常可靠。根据一些研究,HSK连接件的硬度比CAT、BT或SK等普通圆锥连接件高5倍。

其他工具蜡烛

还有一些其他类型的工具连接,在类似的原理下工作。例如,Kennametal具有生产KM刀具控件的权利。

也有改进,已经做了标准陡峭锥度连接,提高了刚度。例如,新的DIN标准规定的更紧的公差使配合更精确,这意味着更牢固的连接。还有一种工具夹可以在法兰和锥度上进行双接触,就像流行的Big Plus™系统一样,可以增加刚性。

刀的控制

也有一些非常好的方法来抓住立铣刀,更有利于高速切削。

标准Weldon Shank Endmill保持器不适合HSM。既不是标准的耳垫 - 它们都只是允许太多的振动。

热收缩和液压工具,然而,工作很好。液压夹紧具有固有的振动阻尼特性,热收缩夹紧工具非常好。

还有其他真正有效的系统,如Duo-Lock™,防止拔出。当工具振动并从刀架中拔出时,就会发生拔出。这意味着工具比机器想象的要长,这很有可能是灾难性的。

工件夹紧

由于固定是一个巨大的主题,我将保持这个高水平。

您的夹紧需要真正坚持,以坚持这些切割力量。在一个虎钳中坚持下1/8“的底部1/8”非常不太可能为您提供您正在寻找的结果。

有些商店用燕尾虎钳把零件锁好。有些使用非常坚固的边缘夹,比如凸轮锁系统。许多人用钳子来咬原料。

对于航空航天部件来说,这真的很棘手。它们通常是非常薄壁的,所以如果你不采取特殊措施,在切割它们的时候,这些部件本身就会像铃声一样响。

2 -工具平衡

对于致力于HSM的商店,这是必须的。许多刀架均衡到货架上的10,000 rpm等级。事情是,HSM经常在这方面进行,通常在20k转/分和铝中。

如果工具没有适当平衡,振动确实会损坏机床主轴轴承。它还将显著减少刀具寿命,并给你一个肮脏的表面光洁度。

这是真正挑剔的东西。一个不平衡的工具会导致振动。为了说明这是多么重要的是,Sandvik做了一个有趣的测试。

他们在平衡工具上贴了个小标签,然后以每分钟15000转的速度运行。那个贴纸让这个工具在那个速度下失去了3磅的平衡。

随着工具变得越来越长,并且以更高的RPM运行,这变得非常关键。

刀具平衡成本

不是每个车间都在平衡他们的工具的原因是,1)设备可能很昂贵,2)它需要更多的时间来设置工具。

平衡设备本身的价格范围很大。处理工具速度较慢的基本型号的起价大约为1万美元,而且还是名牌产品。从那以后,你可以花6万美元购买更自动的东西。

除了最初的花费,平衡工具也需要时间。每次你把一个新的立铣刀放入刀架,你需要重新平衡。这意味着捆绑人员。换句话说,平衡工具的好处应该大于花费。

3 -工具谐波测试

这已经存在了很长时间,现在就像出来的时候一样实际。有些人将此称为“戒指测试”。

基本上,每个工具组件都会具有其谐振的频率。当切削刃撞到金属时,这在整个工具中发出震动。如果这种频率与刀具组件的频率不良,则振动将被放大而不是抑制,事物可以爆炸。

谐波测试仪有一个击打器,将敲击工具组件的顶端附近。传感器将读出振动。计算机将绘制一个图表,显示该工具可以在“安全”和“不安全”的RPM范围内运行。

Blue Swarf可能是制造这些测试器的最知名的公司。从经验来看,我可以告诉你,这个系统使一个巨大的差异,当你切割铝22000 RPM 3/4″立铣刀14″规格长度。

基本上,它可以帮助您发现在将工具装入机器并点击绿色按钮之前,请帮助您找到“甜蜜点”为此高的RPM。

4 -控制工具负载

即使有一个经过环测试的平衡工具,你也可以得到极端的振动。如果您的工具负载在工作时不断变化,您可能会遇到喋喋不休的大问题。

在紧急关头尤其如此。使用标准的线性刀具轨迹,当刀具将自己推入角落时,会有非常高的径向啮合。通常情况下,刀具接触会加倍。这种过度的啮合通常会导致颤振,这缩短了刀具的使用寿命,并在刀具振动时凿出零件。

在弯角之外,你需要小心引线和引线。如果你把材料放在一条直线上,就会对工具造成相当大的冲击。

这对传统加工来说不是什么大事。但是以每分钟30英寸的速度进入材料和以每分钟800英寸的速度撞击是完全不同的两件事。

切割的直接脱离也可以对工具施加冲击。

一种解决方案是在切口内或外画弧线。这对减轻打击和均匀地加载切割压力有很大帮助。

您还希望良好地利用剥离和牵引铣削紧密区域。Trochoinal Milling可用于加工槽和其他紧密区域,如口袋中的角落。如果您想了解更多关于如何正确应用这些技术的信息,那么您可能需要阅读本文

5 -薄片稀释

这不仅仅是爬坡与传统铣削(上铣削与下铣削)的问题。

通过使用低径向切割深度,削皮铣削是著名的(如果你不熟悉这一点,那么你真的应该阅读上述链接的文章),你最终会得到更小,更薄的芯片。

这允许真的

虽然你可以在一定程度上把这些原理应用到像铝这样的软材料上,但你真的可以在钛、铬镍铁合金和其他高温合金等奇异金属上看到这种发光。铝通常是黄油状的,你可以相当用力地用切割器把它切开。高温合金则不是这样。他们太超级了。

这一点的另一个主要优点是薄芯片允许真正快速的热分散。芯片远离零件的热量,并且当工具与芯片的接触较少时,取出较少的热量。

正如你可能想象的那样,高速加工有潜力很多热量,所以你能做的任何事情来防止它堆积只会有帮助。

这是切割铝的一个优势,但对于加工硬化材料,如钛、不锈钢和铬镍铁合金,这是绝对必须的。如果你不能将热量从芯片中释放出来,金属就会变硬,折断你的刀具,形成一个很难去除的硬点。

6 -刀具选择

用于高速切削的刀具不同于你将用于更传统的加工的刀具。基本要求是匹配刀具几何形状的材料需求,稳定刀具,并最大限度地提高刚度。

再说一次,这是一个很大的话题,但这里有一些亮点:

刀具几何

由于高速切削要求很高,我们需要尽我们所能确保没有弱点。

通常,尖角是压力真正集中的地方。在高速切削这样的高性能应用中,更大的角半径将在分散应力和提高刀具寿命方面产生巨大的不同。

真正简单地把它尽可能实用,这是我所经历的。如果我要用1/2“端盖进行一些加工,这些是我的典型选项:

  • 0.030“ - 总比没有好
  • 0.060″-明显的改进
  • 0.090“ - 作品很棒
  • 0.120″-在范围内,它并不真正重要,可能部分几何将使这比它的价值更烦人。

我发现这些在从软铝到4340钢到钛和Inconel的一切都井中工作。尽可能保护您的EndMill角。

虽然这一元素在隔板上的相同的元素,但其他事情是非常重要的。

高速切削加工和铝

芯片间隙是非常重要的,但这不是什么特定的高速切削。然而,真正起作用的是芯片在工具的凹槽上滑动的容易程度。

这就是为什么很多商店真的想使用抛光硬质合金。代替具有产生摩擦的磨削标记,抛光碳化物端盖允许芯片易于滑出工具,制作光滑,低热切割。它实际上最终有明显增加的工具寿命。

当使用硬质合金切割机时,还有一件非常有趣的事情:切边。

现在我们都知道,在切割带刀片的钢时,有一个略微圆润的切削刃是多么重要。但对于铝制刀具,你通常希望它像剃刀一样锋利。

但是,与HSM,它不同。这些速度的剃刀锋利的端盖实际上会咬到材料中。这意味着在切割时会有不均匀的力量,这可能导致振动。

我发现稍微圆润的立铣刀更稳定。切削压力加载工具,结果是稳定的。在我工作过的一家商店,我们会先在笛子上放一块磨石,然后再把笛子的边缘稍微磨碎。结果,它比锋利的还要好用。

HSM工具用于钛和Inconel

这和铝完全不同。我们采用相反的方法,而不是在齿间留出大的间隙来清理切屑。我们把尽可能多的笛子装在一个刀具上。

这是常见的看到半英寸的立铣刀从6到10长笛。这样做有两个主要好处。

更多的凹槽意味着更高的进料速率。

对这些合金最好的高速切削技术是剥离铣削。由于刀具的径向啮合较低,切屑又小又薄。这意味着您不需要大量的芯片清除。最终,你可以在刀具上装更多的齿,并使用更高的进给速率来保持所有这些齿忙碌。

更小的凹槽意味着更大的芯直径,这使工具更强大。

因为这些凹槽又小又浅,所以被磨掉的碳化物更少。该工具的芯直径明显大,工具更强。这意味着在它崩溃之前,它可以承受更多的虐待。你真的可以推动这些东西。

7 -材料理解

在一天结束的时候,你需要理解你正在使用的材料。与钛相比,铝的高速加工是不同的。

例如,刀具的转速钛通常是相当低的粗加工。通常你会在200 SFM左右运行。不过,在完成过程中,速度可以大大提高。通常你会在300 SFM或更高的水平上完成。

在所有诚实中,钛粗加工通常以更传统的方式进行。我从来没有能够在钛中击败LINGE铣削的材料去除率。然而,如果暴跌铣削不实用,高速剥离是一个很好的选择。

铝不能更加不同。由于材料如此柔软,因此只要您可以保持负载一致,您可以将切割器埋入刀具。这里真正重要的是工具平衡和检查谐波。

这里的底线是你需要熟悉不同的材料。仅仅因为你用铝做了高速切削,并不意味着你能和钛做竞争。

最终,通过专门研究几种不同类型的材料,商店汽车真正发展出高性能技术以尽可能地提高效率。

8 -机器要求

真的,你不需要有百万美元的机器来做高速加工。即使是在入门级,现代机器在处理它方面也越来越好。

别误会我。那些昂贵的大机器令人惊叹。牧野Mag 3是一个铝制型材,需要大量现金(或良好的信用),它是一个绝对的野兽。我曾在辛辛那提的一个大型龙门磨厂工作过它能在离主轴100英尺的地方喷出铝屑。操作员的工作是试着把芯片铲得比机器制造芯片的速度快。这台机器有3倍于100马力的主轴,所以操作员从未赢过。

但你也可以在价值20万美元的机器上做一些实实在在的工作。由于开销较低,这个选项可能很有意义。

你不太可能成功的唯一情况是,如果你试图以这样的速度推一台90年代的旧磨坊。它可能会死掉。这些机器有自己的位置,但不是在高速切削领域。

那么,有哪些关键特性可以让你真正利用高速加工的优势呢?

块向前看和处理

高速加工意味着控制器需要快速处理大量运动。块预读意味着控制器将提前读取代码并计划基本的动作。从本质上讲,机器“学习”了刀具路径,而不是简单地阅读。

如果控制器无法跟上代码,那么机器将最终犹豫,并且您将不会在您编程时尽快进入任何地方。

我并不是说如果没有稳定的控制器速度和良好的前瞻性,高速切削是不可能的,但它肯定不会很容易。

与材料匹配的RPM和扭矩

高性能铝剖面与高性能钛加工中心截然不同。您需要利用正确的机器抵御正确的工件以获得最佳循环时间。

以下是你正在做什么和你需要做什么的参考:

材料/过程 RPM 转矩
Ti64 -粗 很高
Ti64——完成 高的
7075 -粗 很高 高的
7075 - 整理 很高
4340 -粗 高的 高的
4340年完成 高的

基本上,一个12000转/分的机器高扭矩不会是一个高性能的铝。如果你真的需要打败竞争对手,那就用机器来匹配材料。

一个快速的机器

好的,这可能看起来很明显(高速加工需要一个可以高速移动的机器),但让我们刚刚过于专门的机器需要做的事情。

显然,进给速度需要很高。如果您的程序被设置为比机器所能提供的更高的馈送速率,您就不会神奇地让机器运行得更快。

但是这里的一个常见的事情是机器需要快速改变方向。由于立即停止或改变方向,因此机器需要具有真正响应的加速和减速。

因此,在决定购买机器之前,我建议做一些事情来“测试”一台潜在的机器,看看它是否合适。

设计一个需要快速移动的部件。也许是像狭缝一样的东西,可以改变方向,形成一个紧密的锯齿形。请机器销售商在保持精度为0.0005″的同时,尽快对这个形状进行精加工。

如果移动足够复杂,你可能会看到具有快速加速/减速的机器和不够快的机器之间相当明显的区别。

你应该看到它切一个实际的部分的原因是,许多机器有一个“高速模式”,在这种模式下,精度牺牲了速度。这些机器移动得像闪电一样快,但我看到过它们在0.020左右被击中″。这显然对你的通关没有帮助。

最终,高速切削越来越成为一种规范而不是专业。机器和工具变得更快更好。为了竞争生产合同,商店需要加快他们的游戏,推动他们的设备交付。

那么你们车间是做高速加工的吗?

这不需要花费几百万。很多事情都可以通过一些新设备或方法上的简单改变来完成。主要需要的是一种愿意尝试不同做事方式的商店文化。

这些是高速加工的一些基础知识,但这绝不是详尽的清单。其他元素如高饲料切割机,可变螺旋端盖,高性能工具涂料,冷却剂/润滑递送系统,插入几何形状,以及十几个东西都可以实现高速成功。

你觉得有什么值得补充的吗?你的店有什么不同的做法吗?请在下面的评论中发表。

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如果你在高速切削方面做得很好,就没有必要把它和高速切削区别开来。只要把循环时间降低,好零件就行了。

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高速加工的关键技术是切屑减薄、通过谐波测试实现的高转速、均匀的刀具载荷、剥离铣削(高轴向切削深度和低径向切削深度,允许高进给速率)和摆线铣削(复杂刀具轨迹的均匀刀具载荷)。

乔纳森·梅斯

在过去的14年里,我一直从事制造和维修工作。我的专业是机械加工。我管理过一个多轴数控机床车间,用于航空航天和医疗原型和合同制造。我也做了很多焊接/制造,以及特殊的工艺。亚博体育下载现在我经营着一家咨询公司,帮助别人解决制造方面的问题。

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