高效余摆线铣削

寂静回声

立铣刀多用于平面、槽和复杂型面的加工，与车削不同，在这些零件的槽和复杂型面的加工中，铣削的路径设计与选择也非常重要。如一般方法的铣槽，同时加工的圆弧接触角最大可达到180º，散热条件差，加工中温度急剧上升。而如果改变切削路径，让铣刀一面自转一面公转，这样就减少了接触角和每转切除量，可使切削力和切削温度下降，刀具寿命延长。从而可以较长时间地持续进行切削，如（图1）就称为余摆线铣削，其优点在于降低了切削难度，保证了加工质量，合理选择切削参数尚可提高效率并降低成本，尤其在耐热合金、高硬材料等难加工材料的加工时，更可显著发挥其作用，并具有很大的发展潜能，这或许也是业界越来越重视和选择余摆线铣加工方法的原因。

图1. 一般铣槽和余摆线铣槽
余摆线亦称次摆线、延长外摆线，即动圆延一定直线作无滑动的滚动时，动圆外或内一点的轨迹。它又可称长（短）幅旋轮线。余摆线加工就是用直径比槽宽小的立铣刀，以其侧面将一半圆弧的槽加工变为小部分圆弧进行的侧面加工，可加工各种槽和型面型腔等。这样，理论上一把立铣刀可以加工比它大的任意尺寸的槽和型面，还可方便地进行一系列产品的加工。
随着计算机数控技术的发展和应用，铣削路径的可控、切削参数的优选，以及余摆线铣削存在的多方面潜力，正被更多地采用和发挥。并得到航空航天、交通运输设备和工模具制造业等零部件加工业的考虑和重视。特别在航空航天业，常用的钛合金和镍基耐热合金零部件具有诸多难加工特点，包括：高的热强度硬度使加工中的刀具难以承受甚至发生变形；高的抗剪切强度，使刀刃易于损伤；低的热传导率，使高热不易导出切削区，该处温度常超过1000ºC，加剧了刀具磨损；加工时材料常熔焊在刀刃上，生成积屑瘤。加工表面质量差；奥氏体基体的镍基耐热合金材料加工硬化现象严重；镍基耐热合金微结构中的碳化物会使刀具产生磨料磨损；钛合金具有化学活性大，化学反应也使损伤加剧等等。这些难点可以借助余摆线铣削技术，使加工持续且顺利地进行。
余摆线铣削是圆周运动和平移运动的相结合，只要平移运动相对于圆周运动较小，就可以方便地控制减少侧吃刀量。如果控制接触角和接触圆弧使之减小，侧吃刀量也小，切削力、切削热就会减少。一般切削加工中，切削热主要来源于切屑在加工中被剪切发生变形所耗的功，和切屑沿前刀面的滑移流动和后刀面相对已加工表面的滑移这两方面的摩擦，使温度不断上升，超过一定温度刀具组织发生改变，会造成剧烈的热磨损，刀具很快会无法继续使用。余摆线铣削路径改变，在原来的断续刀齿轮流切削受热情况比连续切削温度低、下降快的优点基础上（图2）得到进一步改善，再加上余摆线铣削易排屑，切削热也不易积聚，刀具温度不高，甚至有可能进一步做到少用或者不用冷却润滑液，实现仅用空气风冷的绿色加工。切削力、热的减少，也可能使刚性差的薄壁零件的加工工艺趋于稳定可靠。同时也保护了机床和刀具本身[1]。

图2. 连续和断续切削温度变化
由于刀具的材料、涂层、几何形状、结构不断地优化，智能化的控制系统、编程技术以及高速高效多功能机床等的迅速进步，高速（HSC）和高效（HPC）切削加工也达到了一个新的高度。高速加工主要考虑速度的提高。高效加工则不仅要考虑切削速度方面的提高，且要考虑减少辅助时间，合理的配置各切削参数、切削路径，进行复合加工减少工序，提高在单位时间的金属切除率，同时延长刀具寿命，降低成本，考虑环保等。
仅就单位时间金属切除率，不同的切削方式就有各自的特点和计算方式；如铣削加工单位时间金属切除量Q=n×z×fz×ae×ap，其中n是铣刀的转速，z是齿数，fz是每齿进刀量，ae是侧吃刀量，ap是背吃刀量，这里Q的单位是立方毫米/分钟。可知提高每一参数都可以提高单位时间切除量。但是应该如何合理搭配才能效率更高、刀具寿命更长，并能更久地持续生产呢？经过许多实验和实践结论得出；用小的径向切深，即小侧吃刀量ae，高转速n加工效率最高，生成的切削力和切削热最少，这个途径较好[2] 。
由上面列出立铣刀单位时间切除量的计算公式来看，余摆线铣削加工时，应选择优秀的立铣刀材料和涂层，便可提高刀具转速（n）和每齿进给量（fz），尽管二者提高，切削力热会有所增加，但实际加工中，瞬间刀具切削工件的接触角和接触圆弧大为减少，总的切削力热下降很多。另一方面，立铣刀刀齿数（z）的选择范围有限，有可能的话可选齿数较多的。
一些数控加工的编程软件包可使立铣刀作余摆线运动，同时帮助编程人员控制径向切深，在这样的条件下，可使表面的切削速度比一般切削参数推荐数值高两倍以上。在实际应用中，一般可采用功率较小，速度较高的机床进行小负荷高速余摆线铣削，这样一来还能节约能源。
通常在精加工时采用很小的径向切深是不难做到的，在一般情况下粗加工的特点是切深大，因此也可以设法选择刀具路径，使径向切深保持在规定限制范围内。在铣槽时，可选用较小直径的立铣刀按优选的余摆线路径，做更高速的回转替代较大直径立铣刀，达到要求。
余摆线铣削时，刀具进给同时进行圆周运动，随接触区域改变，切入切出形成的接触角实际也在变化。接触刀刃的与工件的接触角实际决定于一转中的绝对的径向进给量。这意味着径向切深即侧吃刀量及有关切削条件是在不断变化。为完成不同的加工要求，进一步优化发挥潜能，可将对刀具程序运动作特殊的需求编入程序中。使一定尺寸刀具运行路径按理想的环路，同时也能确保铣刀的接触角在整个工艺过程中几乎保持不变，切削条件也能因此更加稳定。从而使余摆线铣削工艺的实现更高质量和经济性。

图3. 进给运动a) 余摆线圆周进给b）优化余摆线进给c）优化空程进给
图3中确定的优化的路径可在高速运动中可得以执行。独立的编程程序生成后，机床的运动应能适应这些新的要求。槽加工所用刀具回转运动的动态速度也可调整适应此工艺。因此生产质量和效率可进一步提高。另外，为了安全及时识别刀具损伤影响持续生产，防止过度使用刀具，或也可即时调整程序。
为达到上述这些要求，所用立铣刀的材料、涂层和几何形状要求应严格。MAPAL公司在立铣刀材料方面采用了超细微粒硬质合金（含钴量为8-10%）。其强度、刃部强度、热硬度和韧性要求均较高，为获得表面具有超高的硬度和最小的摩擦系数的涂层，所用的涂层和复合涂层也在不断地发展，自最基本的TiN涂层起，涂层应用发展如图4。

图4. MAPAL 公司余摆线铣削用刀具涂层发展和应用
三菱综合材料公司对余摆线铣削的刀具涂层也进行了类似的开发，在他们专门的Mirac技术的（Al,Ti）N涂层基础上，针对高硬钢开发了Impact Miracle涂层。其中通过加Si，形成（Al,Ti,Si）N的普通级和纳米级的两种涂层。针对各种耐热合金要求则开发了加Cr的Smart Miracle单层、多层(Al,Ti,Cr)N涂层。针对特别需要耐冲击的加工要求开发了高Al的Al-(Al,Ti)N多层的Miracle Σ涂层,这种涂层对一般钢、不锈钢，耐热合金钢多层涂层中夹层材料所起的作用各有不同，因此对不同的被加工材料可分别选用。
余摆线的路径比一般的进给运动复杂，如果槽形不是简单的直槽，而是型槽，用余摆线进行铣削，路径更加复杂。确定铣削的路径和加工参数，除考虑工件的几何形状，还应该考虑更多的因素，应该选择不会引起颤振、主轴停转、刀齿和刀柄损坏、或刀具易从主轴上脱落等因素，确保理想刀具路径和参数加工出满意的表面光洁度。
复杂路径使立铣刀处于高转速下，运动方向不断变化的处境中。此时就要考虑抗振，防止由此造成的损伤等问题。特别在铣削深的型槽时，铣刀悬伸较长、刚性又差的情况下，需要可靠的安装和使用良好的铣刀刀柄。MAPAL集团下的WTE公司得益于制造方法的改进，他们采用了3D打印技术的激光熔敷烧结方法，由三维数据驱动直接制造刀柄，原来的液压油腔内胀套是钎焊上去的，3D打印一次成型避免了焊缝形成的薄弱环节，就有条件增大油压，增加夹持力和安装刚性。这种创新产品被称为HPH高效刀柄，因为是改进型的液压刀柄，所以还具有阻尼减振效果，其设计结构还融合热装刀柄的优点，外形细长精度高，振摆小于3μ，这样可加工较深的型槽。有了好的刀柄和刀具，余摆线铣削的优点和潜能可以更好地保证和实现。

图5. 加工实例
图5是一个余摆线加工例，如图的薄壁零件，材料是表面硬化钢16MnCr5和V2A不锈钢（1.4301），用一般铣削方法和余摆线铣削方法的切削速度和每齿进给量的比较。使用5刃的多种尺寸立铣刀。刃部带断屑槽，切削长度3×D，用HPH刀柄夹持。结果显示余摆线铣削在整个工艺过程切削力热减少，切削速度V与进给速度fz增加，接触角可改变，热应力下降，加工效率大大提高。

余摆线铣削在航空发动机的应用数据资料显示（如上表），加工钛合金Ti6242时，单位体积刀具成本能够下降接近50%，加工镍基耐热合金因可耐尔718制零件上的槽，工时则能下降63%，刀具的总体需求数量可下降72%，刀具成本能够下降61%。而加工X17CrNi16-2的工时可减少约70%。由于这些良好的经验和成果，先进的余摆线铣削方法被应用到越来越多的领域中，在一些微细精密加工的领域也得到关注，并开始应用[3][4]。
参考文献；
[1]难加工材料的加工策略——[工具展望]2011年No4。
[2]余摆线铣和螺旋铣的基础试验分析和应用。——章宗城[金属加工]2014年第7期。
[3]Trochoidalmilling . MAPAL TECHNOLOGY REPORT 04。
[4]Development of Trochoidal Milling in MTU Aero Engines and Integration into the Exisiting CAD/CAM processing.  In ;TEPI 17 November 2010 Aachen Deutschland。

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