刀具制造商谈可变螺旋角铣刀的特点与优势

HEATS

　　当演奏音乐时，乐器谐振形成愉悦、和谐的泛音常令人陶醉；但在金属切削过程中，谐振产生的具有衍生能力的振动和震颤，却导致零件表面加工质量降低、返修，甚至可能使工件报废。

8 ` ?$ R% O/ }/ r3 C

　　借助几何尺寸可变的立铣刀，能够减少这种震颤。尽管这类刀具常常被称为“可变螺旋角刀具”，但已是一种更广义的概念。

8 t: {5 v7 t `7 g C" `8 k: s! R

　　可变螺旋立铣刀有两种基本的设计，一种设计的特点是不相等(或不同)的螺旋角沿每一切削刃长度是相同的,而另一种设计是沿着切削刃的长度，其螺旋角是广泛可调的。例如，一把刀具前刀面的螺旋角是30°，中间某点的角度是37.5°，而后刀面的螺旋角可达到45°。螺旋角也同样可以从37°开始变化到30°。“在切削过程中，刀具会受到阻尼的影响，这是由于立铣刀在以不同角度沿同一螺旋线进行切削。”Benchmark硬质合金公司总裁Paul St. Louis解释道。

　　Melin工具公司车间主任Bob Srail先生补充说，只要工具制造商生产的刀具和工具磨床能够加工，铣刀的螺旋角就能在较大的范围内变化。“大多数机床都能够胜任对任何螺旋角的磨削”。

　　这两种立铣刀都有不相同的螺旋槽间距(或不同的齿距)，因此能够产生一个不同相位(异相)的切削运动从而阻止谐振的产生。例如，一把4槽立铣刀(或可变位的立铣刀)的齿距，在第1、2凹槽间为89°，2、3凹槽间为91°，以此类推，最终加起来等于360°。

9 J0 l0 S3 y" Q0 ?9 k/ I9 D

　　“通常当用一把普通立铣刀加工时，会产生持续不断的谐波振动，这是以铣刀螺旋角相同、切削刃平均分配为前提的。”SGS工具公司执行副总裁Jeff Burton先生指出，“任何可以干扰谐波的行为都能减低由此而产生的震颤。”SGS工具公司声称，通过将谐波振动最小化，Z-Carb整体硬质合金立铣刀(外形不变但螺旋角可变)可使材料切除率最大化。

; N2 t* _/ a/ D/ |( t$ t

　　在Niagara刀具公司技术主管Dennis Noland先生看来，N Y基础公司开发的正在申请专利的旋转刀具能使情况得到改善。该设计通过对刀具产生的声音模式的特别选择，对“可变立铣刀”的概念进行了改进。不仅改变了排屑槽间的分度和螺旋线，同时也改变了前刀面倾角和退刀槽。因此，每个槽的切削刃都与其它的不同，每个槽的导程也不相同。“一般而言，对于一套给定几何尺寸的立铣刀，当你从各个方向观察时，其螺旋角的变化不能超过5°的范围,否则将会产生稳定性方面的问题。”由此而来的结果是一把刀具的各个切削刃在与工件表面接触并沿工件表面移动时，都会产生清晰的声音模式。“由于切削刃会产生不同的声音模式，因此发生谐振的潜在危险可能就被忽略了。”尽管Niagara公司的可变螺旋角立铣刀沿每一条切削刃都有相同的几何特征，但对每条切削刃而言，仍可能产生前角、退刀槽、螺旋线、甚至从前刀面到后刀面的完全改变。在用这种铣刀加工工件时，刀具将不断改变其声音模式，“对此，我们尚未完成研究，”他说，“这涉及到大量很复杂的试验操作程序。”在加工高温、高强度合金材料时，Niagara刀具公司的Stabilizer HT立铣刀不同的齿距、前角、退刀槽、螺旋线可以有效地减轻加工中的振颤。

5 E1 l4 [5 U* u7 f9 H0 j X! n0 N5 n ! B* X% i _1 T' Q- Z7 g6 Y

　　VRK公司正在申请专利的Silent Pitch 3槽、4槽和5槽立铣刀具有偏置的槽型及可变螺旋角，并且每把立铣刀只有两条相同的螺旋线。可变的几何尺寸使立铣刀能“几乎无振颤地切削，并且以几乎接近粗加工的速度来完成精加工。”

1 e' e; D" F- g$ c

　　3-D模拟软件

$ f7 K k) Q3 y! P& I" P: h4 n, {/ o & m5 {, s$ @ i

　　如果不是磨床3-D模拟软件的出现，要改变立铣刀的螺旋角是不可能的。在刃磨这种立铣刀时，如果不借助模拟装置，就会损坏数以百计的刀具和大量的砂轮。这种能使很多设计变化在几分钟内完成的模拟装置还能使更多的工作在办公室里完成，而不用把时间耗费在生产车间。过去磨一把直径1/2″的立铣刀需耗时15min，而现在通过模拟装置只需2～3min。

" s: [1 U( Z& |+ I7 A2 s) @

　　但模拟软件及可以磨削可变螺旋角铣刀的磨床会导致这类刀具的很多终端用户无法修磨现有的旧铣刀。而把刀具寄回给制造商进行重锐同样也不是办法。对此，Jeff Davis(Harvey工具公司技术副总)说：“我们公司并不是一个真正意义上的刀具修磨厂商。我们的刀具价格足够低，具有相当竞争力，因此与旧刀重锐相比，买一把新刀具也许是更好的选择。”

. W# ~! p0 l% l9 F

　　与此相反，Kennametal公司立铣刀和硬质合金旋转刀具产品市场部经理Steve Abrams先生认为：数量庞大的终端用户期望在立铣刀磨损后能够进行重锐。而Kennametal公司Vari Mill铣刀的终端用户可以在自已公司或当地的刀具修磨服务中心进行铣刀的重锐和再涂层，同样可以达到新刀的效果。他解释说，Vari Mill立铣刀并不具有可变的或者不同的螺旋角，而是具有偏置的排屑槽以及沿排屑槽长度上不变的前角来阻止谐振的产生，也就是使一个4槽立铣刀像两个独立的2槽立铣刀那样工作。

- r) \8 g* B4 }' j; W

　　粗加工时间

. m& `6 h( T6 l5 f+ ~

　　随着震颤的消失，螺旋角可变的立铣刀能够实现很高的材料去除率。Niagara公司的Noland认为，“在某些情况下，通过排除谐振产生的可能性，完全可以让切削深度增加2倍、3倍甚至4倍。比如，可以在长度为600mm以上的4340钢材表面加工2mm深的细槽。”

　　SGS的Burton说：尽管这种立铣刀同样适用于精加工，但粗加工是人们通常认为最显著、最有效的加工工序，因为粗加工工序可以增加材料去除率。在很多情况下，你能够增加切削深度、切削宽度以及进给量。当没有受到有害振颤的影响时，你可以加大上述参数，更强有力的进给刀具。此时，由于可变立铣刀避免了沿工件表面的跳动，因此它能使精加工质量与采用标准立铣刀进行一次微小进给精铣时的效果相同甚至更好。“你经常可以见到未经精加工的工件达到令人满意的表面质量。”Burton这样评价可变立铣刀的加工效果。“即使最终还是需要精铣，采用可变立铣刀也可以增加粗加工工序的切削量，从而提高加工效率。”

4 J# m6 \( i& H2 i; \/ ~4 B

　　相反，如果一个终端用户只需要进行小进给切削，那么可变立铣刀通常并不是最好的选择。因为它在加工中无法发挥能在高切削载荷下切削的优势。Benchmark硬质合金公司的St Louis先生说：“对只做小进给精加工的用户，我建议他们最好不用可变立铣刀而采用所能找到的最便宜的刀具；如果只是将可变立铣刀用来加工坯料的硬皮，那么它将无法发挥它在加工中减少振颤的优势。”

' v# }. L( J) C; ?0 e

　　机械问题

　　由于可变螺旋角立铣刀的成本比标准立铣刀高20%～25%，因此并不适合广泛用于各种机床。Melin工具公司的Srail先生认为，“铣刀的使用取决于设备的类型。在旧的Bridgepots机床上使用可变螺旋角立铣刀，在经济上当然是不划算的。”

- u1 h4 {- K. q# O! b7 { 1 ~, u$ ]" Y2 _+ g' W0 ]: P. |

　　为了更有效地使用可变螺旋角立铣刀，理想的机床需至少拥有一个40°锥度的主轴，使用30°锥度的主轴将会产生很多偏差，但是也可以用，只是使用时需降低进给量。

1 p. Z9 L4 g+ x- c

　　Noland先生说：“一台功率为15～20hp、主轴锥度为40°、最大速度可达10000rpm、安装直径1/2″(或更小)可变螺旋角立铣刀的机床，其生产率将大幅提高。甚至在老型Bridgepot机床上，使用可变螺旋角立铣刀其效率也能成倍提高。”

　　Noland先生强调，不管使用什么机床，当进行重切削时(比如铣削2mm深的细槽时)，始终保持刀具冷却是至关重要的。因此，需要高速供给大量的冷却液。一个重要的环节就是要能让冷却液进入切削区，保持切削区的温度足够低，以避免产生材料粘接。一旦发生材料粘接，刀具将很快产生故障并破损。内冷却刀具可作为一项选择，但会增加不少成本。“在我们公司的可变立铣刀设计中尚未采取这种内冷却结构，但这绝对是我们一直关注的方向。”

$ Q' H( J) K( ?8 v U

　　由于可变螺旋角立铣刀的几何结构，切削时不需要冷却液。其表层通常涂覆TiAlN或AlTiN涂层，这两种涂层刀具都可适用于干式切削和准干式切削。

+ m3 \0 X+ G5 [ {9 G1 z4 S% r 9 K- `/ B a9 t2 N

　　要使生产率最大化，需要优化加工系统中的每个因素，同样也包括刀具本身。在刀具几何结构决定后，涂层可提供比其它因素更大的优势，刀具涂层和几何结构的完美结合将为用户带来产出的最大化。如再使用高质量硬质合金基体，立铣刀将加工得更深。【MechNet】

) h; r) A' `7 b- |- z! o- y , u7 I8 C4 n/ S1 s$ l