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【天富娱乐客户端】金属铝的加工:工具和机器性能优化最大金属去除率

速度改变了规则,更快的主轴速度会影响所有金属切削应用。为了使高速主轴的金属去除率最大化,请遵循一些基本的模具注意事项并以合适的rpm进行铣削。

铝是最容易加工的金属之一。如今,这就是使其具有竞争力的挑战所在。

更快的主轴速度会影响所有金属切削应用,但是速度对铝规则的改变比对其他金属的改变更大。在钢和较硬的合金中,较高的速度与较小的切削深度相结合,从而使工艺的基本限制保持不变。最大金属去除率仍由工具和机器的性能极限设定。

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然而,铝是最常见的机加工金属中的独特之处,因为高主轴转速通常与重切削相结合。速度与深度的结合使颤抖成为更加重要的问题。结果,以高主轴转速粗加工铝的车间面临的不是两个过程限制,而是三个。机器和工具的局限性一如既往,现在,主轴和工具系统的谐波特性也带来了局限性。

这些谐波效应的主要结果是,就金属去除率而言,最高速度不再是最佳速度。取而代之的是,任何以15,000 rpm或更高的速度运行的铣削工艺都可能会提供一些最佳的主轴速度,即“最佳点”,在这种情况下,切削比在较高和较低速度设置下的切削明显稳定得多。最佳转速rpm值可以使切削深度是其他速度的两倍。它可以允许切削深度的三倍。这就是为什么对铝进行有效的高速加工需要一种知识(基本振动分析)的方法,而该车间以前可能从未需要这种知识。

本文介绍如何执行该分析。

投资回报-更高的铝金属去除率-从未比现在更有价值。速度不仅改变了有效铣削的规则,还增加了对铣削工作的需求。如今,可以更快地加工铝材的自由度使飞机机架中的许多昂贵组件得以经济地替换为用铝坯料加工成一件的精密结构。在许多情况下,超过90%的原始库存变成了制造这些零件的芯片。这就是为什么高金属去除率如此有益的原因。

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辛辛那提机器公司(Cincinnati Machine)是一位致力于帮助工厂实现高金属去除率的既得利益者。俄亥俄州辛辛那提市的制造商提供了一系列用于铝铣削的高速机床。该范围的最末端是该公司新推出的“ Hypermach”系列高速卧式机床,用于大型飞机部件。直线电机为Hypermach模型提供了高进给率和高线性加速度。主轴选件包括提供100 hp和24,000 rpm的型号。为了从本机和其他高端机器上获得最大的效率,为每个应用程序找到合适的速度是关键。

在辛辛那提机器公司协助客户完成这项工作的员工中,总工程师Sinan Badrawy是本文的大部分出处。Badrawy博士是他称为“动态黑手党”的一组人,这是少数金属加工行业研究人员(一次或多次隶属佛罗里达大学),他们专门研究动态振动分析,并将其应用于机械加工。在这项研究中通常使用的工具包括一个灵敏的锤子,用于像锤一样“振铃”主轴,并与电子传感器耦合以绘制所产生的振动。用于分析这些振动的数学工具包括与您和我所数的数字相去甚远的数字,即所谓的“虚数”。

但是Badrawy博士坚持认为,无需任何这些工具,也无需一定程度的动力学,就可以对加工中心的最佳位置进行诊断。

例如,当今有可用的软件,仅通过听与PC相连的麦克风的颤动,就可以计算出最佳的主轴转速。该软件与一些测试切割相结合,可以发现理想的加工参数。

但是,仅进行测试切割就足够了。车间可以利用其现有资源找到最佳的主轴速度和切削深度。最昂贵的投资可能就是在机器上花费时间。

Badrawy博士说,第一步是要了解您追求的最佳主轴转速的性质。

您可能会认为铣削中的颤动完全是切削刃碰到工件的产物,换句话说就是“砰砰砰”,而颤抖就是由此产生的。

该图像在某种程度上是正确的,但它遗漏了一些基本信息。“砰砰砰”描述了强制振动。另一方面,颤振是一种自激振动。

有什么不同?就像吉他和小提琴之间的区别一样。吉他的声音直接来自单个脉冲,即手指拔弦的声音。但是小提琴的声音是持续不断的音调,以摩擦为生。弓弦越过琴弦,声音从产生的谐波共振中扩散出来。

同样,加工中的颤动不是从切削刃“拔出”的结果,而是这些冲击力与已加工表面之间持续相互作用的结果。先前加工的表面由于先前的走刀而产生波纹。即使表面看起来镜面光滑,也存在波纹。切削刃碰到工件产生的振动是颤动的一个原因,而波纹是另一原因。

最有效的方法是这两个组件的协调速度。当相反的情况成立时,颤振处于最糟糕的状态-当切削刃的振动随着表面波纹的镜像移动时。在振动分析的语言中,此条件是“异相180度”。理想状态是波纹度和切削振动同相的时候。在这种速度下,负载恒定,切割顺畅,刀具可以进行更深的切割而不会产生不利影响。的确,这是一个可以磨的最佳选择。

并非所有的铝铣削工艺,即使是在高速,甚至在高切削深度下,都将具有如此出众的优势。在至少三种情况下,可能不需要搜索最佳位置。

前两个案例已经被提及。一种是主轴转速很低。各个过程的精确程度会有所不同,但是在速度范围的尽头,自然过程阻尼将足够强大,足以在颤振开始之前将其抑制。

另一种情况是切割深度较浅时(例如0.050英寸及以下)。在切削力较低的地方,颤振并不重要。

最后一个可能不需要寻找最佳位置的情况是,有关该过程的所有事情都非常僵化。也就是说,工件固定装置是刚性的,主轴具有很高的动态刚度,并且可以牢固地固定在刀架上,刀架本身紧凑,切削刀具非常短。当满足所有这些条件时,颤动可能不会发挥主要作用,最高速度的确可能是最佳速度。

问题在于,大型飞机结构部件通常无法提供使用最短可用工具的豪华体验。深度较大的口袋可能需要更长的距离,如果颤振进入,则远离主轴的刀尖会拉得更远。也许找到最佳位置可以在飞机加工工作中实现如此大的工艺改进的主要原因是这些零件通常要求工具的刚性不如理想。

切割案例

颤振的一个有趣特征是,以发生颤振的某种速度进行一次切割的声音可以包含足够的数学信息来确定稳定的切割速度。因此,有些软件工具和分析仪使用麦克风来监听切削,然后根据此输入计算最佳主轴转速。

“预测”最佳速度的另一种方法是通过锤击测试,由Badrawy博士等专家进行。该测试完全不需要切割。但是,它确实需要了解大多数商店中不存在的振动分析。

另一方面,切削测试依靠的是任何在商店里用铝加工的铝材已经具备的知识,即如何通过铣削,以及颤音的外观和听起来如何。

但是,可能需要大量切割。不能过分强调以下几点:谐波特性不是主轴固有的,也不是机床固有的。而是整个主轴系统的特征+刀架+刀具+刀规长度。更改这些组件中的任何一个,您将拥有一个不同的系统,为此必须找到不同的最佳切割参数。

结果,每种不同的工具设计都需要进行自己的分析。

这意味着您可能使用了太多工具。如果您打算在自己的铝铣削过程中充分利用谐波的最佳点,则可能有必要减少可用工具的范围,只是为了限制所需的测试量。

在波音公司致力于以谐波优化速度运行的工厂中,确实是这种情况。向该商店发送工作的程序员一旦根据个人喜好选择了工具。要充分利用这些优势,就需要他们从通用列表中选择工具。这是找到最佳位置的所有刀具,刀夹和主轴组合的列表。

您自己的测试应记录此相同信息。例如,记录使用的主轴。配备冗余机器的车间在这里得到了休息,因为可以预期具有相同主轴的相同机器具有相同(或至少足够相似)的谐波特性。

还要记录特定的工具和刀夹样式,以及可能会改变长度的工具所夹持的长度。

您要学习的信息仅在将相同的组合再次组合在一起时才适用。

这是为该特定系统找到最佳切割参数的方法:

程序

最高主轴转速是任何起点的最佳起点,因此应以最高转速铣削一次。

芯片负载无关紧要。对于实际的生产加工,切屑负载的选择非常重要(请参见下面的“切屑负载”),但是由于切屑负载不会影响谐波影响,因此在测试期间只要每个切屑负载使用相同的切屑负载,任何合理的值都可以切。

对于径向切削深度,选择一个将保持恒定直到发现最佳点的任意值-例如,切削直径的50%。

对于轴向切削深度,请先开始光照并保持增加,直到颤动建立为止。例如,从0.10英寸开始,如果在此轴向深度没有颤动,则以0.15、0.20等通过,以此类推,直到发生颤动为止。

切削工具设计、制造和应用的趋势变化

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对于颤振之前达到的最大深度,请计算金属去除率。MRR等于进给率×轴向切削深度×径向切削深度。

注意主轴负载也可能很有用。MRR和主轴负载将帮助您比较机器在此速度下的最佳性能与其他速度下的最佳性能。

现在,将主轴转速降低1,000 rpm,然后再次执行相同的步骤。机器在此速度下可能会表现更好,或者可能会变差。无论哪种情况,在最大无颤动轴向深度下,再次记录MRR和主轴负载。

随着测试的进行,您可能会发现一些主轴转速,可以进行更深层次的切削而不会产生颤动。您知道,如果在此速度下的性能比在1,000 rpm和1,000 rpm的速度下的性能要好得多,您会发现一个最佳的发现。这个最佳点可能是但不是肯定地是您想要加工的速度。

确保检查金属去除率。提供最佳MRR的速度就是您要运行的速度。

现在是时候改变径向切割深度了。以选定的速度,在各种径向深度上运行,以模拟此工具可能进行的不同类型的切削。好的混合可能是在铣刀直径的25%,50%和100%上运行-分别表示精加工,粗加工和开槽切削。每个径向深度将允许不同的轴向深度。进行测试切削,以确定每一个的最大稳定轴向深度。

现在,该系统的测试已完成。有了这些数据,程序员在需要使用机床,刀架和切削刀具的这种组合时,就可以准确地知道要指定的速度和切削深度。

寿命和负荷

可以在正确的主轴速度上调零的软件工具或分析器可以通过从速度范围的顶部向下计数来节省寻找该速度所需的时间和材料。但是,即使使用分析仪,仍然有必要在各种深度进行测试切割,以确定机器可以此速度切割的深度。

测试的这一部分-进行越来越深的切削-留意主轴负载可能很重要。在谐波最佳点内,切削可能足够稳定,以至于无颤动地铣削,甚至达到主轴无法承受负载的深度。

换句话说,当最佳点加工将颤振障碍移开时,剩下的障碍就是低速加工车间一直面临的机床和刀具极限。

不同的机床用户对应允许查看的主轴负载有不同的看法。Badrawy博士认为,在一个稳定的过程中,主轴可以在高达80%的负载下连续运转。他知道,然而,出于主轴使用寿命的考虑,车间宁愿选择不超过50%的价格运行。他说,这可能太保守了。颤振和其他负载快速变化的原因是导致主轴过早失效的原因。他说,即使负载很重,稳定的负载也不会损害主轴的寿命。

实际上,高切削和低切削之间的主轴寿命差异可能是惊人的。他曾经故意在高速振动条件下运行高速主轴,只是想知道它能支撑多久。他只用了三个小时就失败了。相比之下,在谐波优化条件下运行的过程中,他对主轴的影响很小,因此他质疑高速加工必须将主轴变成一次性商品这一观念。以高转速运行确实会加速生命周期,但没有达到某些商店建议的更换频率。他说,在颤振得到控制的情况下,用于生产高速铣削的优质主轴可以使用3到5年。

高速研磨大量铝需要多少排屑槽?事实证明,这个问题有明确而准确的答案。具有三个排屑槽的立铣刀可能是理想的选择。

排屑槽的数量可能会过多,因为具有四个或更多排屑槽的刀具可能没有留出足够的空间供切屑排出。在高切割速度下,铝可能会粘附在间距很近的凹槽之间,从而可能使切割器看起来像铝棒棒糖。

但是由于谐波效应,两个凹槽可能太少。当您在特定系统的谐波“最佳点”处进行铣削时,实际上您正在做的是使铣刀撞击的频率与该系统的“自然频率”相匹配。对于金属切削过程,该固有频率通常落在500到800赫兹的范围内,或每秒500到800切削力。一点数学运算就会显示出,例如,以20,000 rpm的转速运行的主轴不能足够快地旋转两刃刀具,以至于切削刃无法以该范围的高端频率击中工件。但是,理论上以20,000 rpm的转速旋转三刃刀具的主轴可以匹配任何低于1,000赫兹的固有频率。

刀柄

Badrawy博士说:“关于铝高速铣削中的刀夹,最重要的要说的是,不要使用固定螺钉夹。”

固定螺钉固定器不会从各个方向夹紧工具,而是将工具柄夹在两个支撑点之间。他说:“无论如何,固定螺丝刀架都会高速晃动。”

更好的选择是夹头固定器和收缩配合固定器。两者都确实从各个方向围绕刀柄夹紧了工具。收缩配合是首选,但对加热器的需求可能会使收缩配合成为更昂贵的选择。

无论选择什么,都必须高速尊重平衡。来自不平衡刀架的离心力是主轴转速平方的函数,因此,不平衡所导致的振动在更高速度下会变得非常强烈。Badrawy博士说,可能不需要投资刀架平衡机。但是,特别是在涉及夹头刀柄的情况下,购买预先平衡至严格要求的优质刀柄是值得的。

他说,不推荐的另一个刀柄选择是液压刀柄。这种设计的夹紧机构和液压气囊使刀架更重,可能使振动更难以控制。

更多工具注意事项

除了偏爱三刃刀具(参见图片)以外,以下是铝材高速铣削中的其他切削刀具注意事项:

保持简短:为了提高刚度,请使用最简单的工具。

使用硬质合金工具:这是许多企业的基本规则,但需要重复。硬质合金刀具比高速钢具有更高的刚度,它可能会以更长的刀具寿命来弥补成本。

避免尖锐的半径:有些切割确实要求在工具上有尖角,因此并非总是可以遵循此建议。但是,要进行其他切割,请使用切削刃更圆滑的工具。在大量使用时,尖角会磨损掉,留下的切削刃可能会弄脏材料而不是切削材料。

选择一个陡峭的螺旋线:螺旋角是从工具中心线开始测量的。该角度应不大于约35度。大于此值将倾向于增加刀具在切割时所承受的拉力。当争取最佳谐波条件时,这是不好的。拉力可能会放松弹簧加载主轴轴承上的一些预紧力。系统中的这种变化将改变最佳位置,从而可能使为找到最佳速度而进行的测试无效。

芯片负载:百分之一

即使找到了理想的速度,另一个切削参数仍有待优化。芯片负载不会影响颤振频率,因此可以在不影响谐波测试的情况下调整此参数。Badrawy博士说,可能应该对其进行调整。他建议使用不同于许多商店运行水平的芯片负载水平。至少在粗加工期间,切屑载荷应设置得足够高,以使刀具不会切屑,而是通过剪切使切屑松散。他说,否则,就是要花费太多的精力来制造芯片。

确实,许多航空航天商店中典型的紧密卷曲的铝屑揭示了这种能量的损失。主轴将其宝贵的输出用于将切屑加工成这些卷曲的不必要的任务。为了避免浪费,Badrawy博士更喜欢以足够快的速度和足够大的进给速度击打材料,以使切屑破裂而不会变形。

他的经验法则是在切屑载荷为铣刀直径的1%或每齿0.015英寸(以较小者为准)下运行。他有时跑得高达0.020 ipt。与铝中典型的金属去除率每马力每分钟3立方英寸相比,这种切屑加载方法使他实现了每马力每分钟5立方英寸的MRR。

但是,表面光洁度要付出一定的代价。这就是为什么这种方法仅适用于粗加工的原因。在精磨过程中获得平滑的表面时,产生卷曲切屑的进给速度可能会成为更好的选择。

装袋:100%

当以“最佳点”主轴转速铣削型腔时,请以等于铣刀直径100%的径向深度进行所有切割。

为什么?因为如果工具已经以直径的50%或更大的比例切削,那么无论何时进入拐角,它都将以100%的切削率切削。而且,如果刀具在某个较重的轴向深度处切削,该深度对应于较浅的径向深度,则一旦到达拐角,轴向深度对于最佳点来说将太高。该工具将在角落颤抖。

更好的选择就是避免这种过渡。在直径100%的条件下运行,时间为工具在腔中的时间为100%。

其他应用中的震颤

在加工除铝以外的其他材料的低速过程中,颤振不大可能损害该过程。但是,即使在这些其他应用程序中,有时也会发生谐波颤动。差速螺距铣刀是为低速下更常见的颤振问题而设计的一种工具解决方案。

这种切刀设计稍微错开了切刃的位置,因此它们不会以稳定的间隔撞击。由此产生的不规则性足以破坏谐波效应。

Kennametal(宾夕法尼亚州拉特罗布)是一家供应这些差动节距切割机的公司。为了减少立铣刀应用中的颤动,该公司将相同的设计原理扩展到了一系列具有不同轴向前刀槽的螺旋铣刀。

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