更多地了解圆柱形铣刀

作者:Peter Zelinski 文章来源:MM《现代制造》 点击数:257 发布时间:2018-10-26
圆柱形刀具在工作时需要借助CAM软件,按适当角度加工切削形状,这就减少了仿形工件的加工时间,如模具。
更多地了解圆柱形铣刀

随着技术的发展,机床的运行已变得日趋复杂。五轴加工中心的准确控制可以实现复杂的刀具轨迹(图1)。因为CAM软件的应用性能也越来越好,提高了复合机床编程的简单性和效率。

图1 圆柱形刀具需要使用CAM软件,为保证精确的吃刀角度,需要依据不同圆柱形铣刀类型定制刀具轨迹
图1 圆柱形刀具需要使用CAM软件,为保证精确的吃刀角度,需要依据不同圆柱形铣刀类型定制刀具轨迹

同时,因为切削刀具外形仍然比较简单,标准铣刀还保持着基本形状,这些形状在编程工作开始之前就已经存在。但是切削刀具是否一定要保持简单的外形?事实证明并非如此。复合机床可以借助复合刀具铣削出复杂形状,复合刀具也开始有了自己正确的定位。

刀具制造厂商Emuge研发了一系列圆柱形铣刀(被称为“桶形刀具”),包括各种形状,可以高效地加工各种形状工件的表面,尤其是在模具加工方面。但是这些刀具对于运行轨迹的要求截然不同。为了有效地使用所需刀具的路径,这样可以让刀具的切割角度与零部件表面保持在一个精确的角度。为了满足上述需求,Emuge公司同CAM软件的提供厂商合作研发编程算法,实现了厂商对该系列刀具做出的承诺。

其中一个合作方是研发出Mastercam软件的CNC Software公司。其应用工程师Jesse Trinque是CNC Software公司研发团队的成员,曾参与了为圆柱形刀具定制化研发Mastercam软件的工作,并曾同多家使用该刀具的公司进行了合作。最近他从自身角度分析了这种新式铣刀的重要意义,以及这款切削刀具同CAM软件日益成为一个统一系统的重要意义。

“过去,CAM实际上并未对切削刀具进行建模。” Trinque先生表示,因为之前并不需要。切削刀具形状非常简单,端铣刀为圆柱形,球鼻立铣刀为圆柱形刀体和半圆形刀尖,这种简单的几何形状可以在CAM中得到准确地表现。圆柱形刀具的出现改变了这一点,这种切削刀具形状比较复杂,在加工形状复杂的工件时,需要实现准确的操作。CAM的研发一方在将软件应用于此类刀具时,正面临着这样的问题。

结果是几何仿形工件的表面铣削时间大大降低,圆柱形刀具可以完成同球鼻刀具相同的加工,但需要使用仿形刀刃沿仿形表面切削。但是球鼻刀具的刀刃半径同这种刀具的半径一样大。相比之下,圆柱形刀具如筒形或椭圆形刀具,可以通过一个细长刀具加工出大半径切削形状。Emuge公司产品系列还包括如镜片形和锥形等形状(图2)。

图2 Emuge公司提供的4种圆柱形刀具,从左向右依次为筒形、镜片形、锥形和椭圆形
图2 Emuge公司提供的4种圆柱形刀具,从左向右依次为筒形、镜片形、锥形和椭圆形

球鼻刀具的优势在于这种传统型刀具不限制吃刀角度。无论采用什么角度,刀尖都能加工出相同的圆形形状。Trinque先生称,球鼻刀具的缺点在于加工时间较长。这种刀具要求较小的跨度增量才能加工光滑表面,如果表面面积较大,则加工时间会较长。对于相同表面的加工,圆式分段刀具可以提高跨度并减少加工时间,但是这种刀具必须固定在正确的角度上才能发挥大直径刀型的优势。

Trinque先生称椭圆形刀具的运动范围不得超过15°,这样才能实现有效加工。锥形刀具的角度限制更为严格;吃刀角度变化不得超过0.1°。相比之下,球鼻刀具在运动范围方面不受限制,仍能实现有效加工(图3)。这也是初级加工中心通常使用球鼻刀具的原因,但是圆柱形刀具几乎全部都用在五轴机床上。

圆柱形刀具主要用于加工零部件上面积较大的位置,这可能意味着可以使用镜片式刀具加工模具型腔的底部,或者可以使用锥形或椭圆形刀具加工模芯的侧面。在上述两种情况中,如果使用球鼻刀具,表面加工可能需要数小时,而通过适当选用各类圆柱形刀具,可以在1h内完成加工。

图3 相较于球鼻式刀具,圆式分段铣刀使用半径大于球鼻铣刀刀球的刀刃,极大的提高了表面处理效率。图中所示的这种锥形铣刀是一种极端特例,其刀刃几乎是平直的,使用这种低曲度刀具时,需要精确掌握加工角度
图3 相较于球鼻式刀具,圆式分段铣刀使用半径大于球鼻铣刀刀球的刀刃,极大的提高了表面处理效率。图中所示的这种锥形铣刀是一种极端特例,其刀刃几乎是平直的,使用这种低曲度刀具时,需要精确掌握加工角度

圆柱形刀具不仅可适用于模具加工,航空航天领域中使用的大型零部件表面面积的加工,同样可以使用这种刀具,包括医疗植入物。使用圆柱形刀具加工这两类零部件还有另一个优势,这类零部件很可能已经在五轴机床上进行了加工(图3)。“我们最近刚刚帮助一家公司加工了一种钛金属膝盖部件。” Trinque先生表示。“部件已经在五轴机床上进行了加工,但是表面铣削时间只有70min。”圆柱形刀具可以将表面铣削时间缩短至10 min,同时质量更高(图4)。

图4 圆柱形铣刀均需要搭配五轴机床,尤其是模具仿形加工,保证所需的切削角度,此类刀具能够实现复杂的加工运动和复杂的编程
图4 圆柱形铣刀均需要搭配五轴机床,尤其是模具仿形加工,保证所需的切削角度,此类刀具能够实现复杂的加工运动和复杂的编程

尽管如此,球鼻刀具仍十分重要。复杂零部件的某些位置往往很难接触,只有球鼻刀具可以按照零部件的限制角度进行加工。实际上,Trinque先生称,这一点体现出了他所认为的同新式刀具采用相关的一个主要困难和理念转变。

“许多公司认为在确认过圆柱形刀具的加工效果后,都希望将其应用于各个方面。” Trinque先生表示。但是这种刀具往往具有局限性,它们并不适合粗加工。每种刀具都有自身的优势和局限性,此类刀具的各类应用可能会扩大编程工程师的选择范围,同时可能会改变工程师为实现某种加工而做出的决策重要性。“过去,可能使用某种刀具进行型腔加工。采用圆柱形刀具可能意味着现在正在考虑使用4种不同刀具轨迹,借助4种不同刀具对同一型腔的不同区域进行加工,以此提高生产率。” Trinque先生补充道。

逐渐地,这就变成了模具编程工程师需要如何思考的问题,Trinque先生认为未来的发展趋势是形状复杂的切削刀具。在加工仿形形状时,这种刀具可以将CAM软件实现的复杂性同五轴机床可以实现的复杂性结合起来。实际上,其他切削刀具制造厂商同样正在使用各种实用的刀形。CAM软件再也无法仅按照简单形状对刀具进行处理,如今Mastercam软件使用依据相关形状定制的刀具模型库配置圆柱形刀具,但是他指出这只是一个过渡阶段。随着不断发展,CAM软件用户将能够导入刀具形状,通过该软件使用用户需要CAM软件应用的最新刀形。