管理铣削过程中的热负荷
这是将金属切削刀具的应用与加工过程中产生的载荷联系起来的系列文章中的第三篇。第一篇文章重点介绍了基本的金属切削概念以及车削作中刀具几何形状、进给率和机械载荷之间的关系。下一篇文章分析了铣削中刀具定位和刀具路径对机械载荷的影响。本文还介绍了铣削作。它解释了刀具和切削参数的选择如何影响铣削过程中间断切削条件下热量的产生、吸收和管理。
热挑战
金属切削在切削刃使工件材料变形并将其剪切的区域产生高达 800 至 900 摄氏度的温度。在连续车削工序中，加热以稳定的线性方式发生。相比之下，铣刀的齿间歇性地进出工件材料，切削刃的温度交替上升和下降。
加工系统的元件吸收金属切削中产生的热量。通常，10% 的热量流入工件，80% 流入切屑，10% 流入刀具。最好让切屑带走大部分热量，因为高温会缩短刀具寿命并损坏被加工的零件。
工件材料的不同导热系数以及其他作因素对热量分布有重大影响。例如，高温合金的导热性很差。在加工导电性差的工件时，传递到刀具中的热量会增加。此外，较硬的材料在加工时比较软的材料产生更多的热量。而且，一般来说，较高的切削速度会增加热量的产生，而较高的进给率会扩大切削刃承受较高温度的区域。
啮合弧
由于铣削过程的间歇性，切削齿产生的热量仅占总加工时间的一部分。齿切削时间的百分比由铣刀的啮合弧决定，而啮合弧受径向切削深度和刀具直径的影响。
各种铣削工艺具有不同的啮合弧。例如，在槽铣削中，工件材料在加工过程中围绕着刀具的一半;啮合弧为刀具直径的 100%。切削刃用于切削的加工时间只有一半，热量迅速积聚。这种情况与侧铣不同，在侧铣中，刀具在任何时间都与工件啮合的比例相对较小，并且切削刃有更大的机会将热量散发到空气中。
刀具中积聚的过多热量会导致加速磨损或变形，从而缩短刀具寿命。相反，许多切削工具材料必须在高于临界最低水平的温度下使用，才能实现最高效率。
尤其是硬质合金刀具，由坚硬但易碎的粉末金属制成。高于某个最低水平的温度会增加粉末金属材料的韧性并降低其断裂倾向。相反，当切削温度过低时，刀具仍然很脆，结果是破损、碎裂或积屑。目标是保持理想的切削温度区域。
切屑厚度和散热问题
本系列的上一篇文章研究了径向切深、切削刃角度、进给率和切屑厚度作为铣削中机械载荷的影响因素。相同的加工因素，加上切削速度，也会影响铣削的热负荷。
切屑厚度在这两个极端情况下都会影响热条件和刀具寿命。如果切屑太厚，由此产生的重负荷会产生过多的热量并导致切屑或折断切削刃。当切屑太薄时，切削发生在切削刃的较小部分，增加的摩擦和热量会导致快速磨损。
铣削过程中产生的切屑随着切削刃进出工件而不断变化。因此，刀具供应商利用“平均切屑厚度”的概念来计算刀具进给率，以保持最高效的厚度。
确定正确的进给率涉及的因素包括铣刀的啮合弧或径向切深以及切削刃的切削刃角度。啮合弧越大，产生所需平均切屑厚度所需的进给率就越低。
同样，在较小的刀具吃刀量下，必须提高进给率才能获得相同的切屑厚度。刀具的切削刃角度也会影响进给要求。切削刃角度为 90 度时，切屑厚度最大，因此较小的切削刃角度需要更高的进给率才能获得相同的平均切屑厚度。
为了使切削区域中的切屑厚度和温度与完全啮合铣刀的值相同，刀具供应商开发了补偿系数，要求随着铣刀吃刀百分比的缩小而提高切削速度。
例如，如果完全啮合 （切削直径的 100%） 刀具的速度系数为 1.0，则切削直径的 20% 啮合的 90 度切削刃斜角刀具的速度补偿系数为 1.35。因此，如果完全啮合铣刀的切削速度为 100 m/min，则为切削直径仅为其五分之一的铣刀保持最佳切屑厚度所需的切削速度为 135 m/min。
从热载荷的角度来看，如果吃刀弧很小，则切削时间可能不足以产生最大限度地延长刀具寿命所需的最低温度。由于提高切削速度通常会导致更大的热量产生，因此将低啮合弧与较高的切削速度相结合有助于将切削温度提高到首选水平。更高的切削速度还减少了切削刃与切屑接触的时间，这反过来又减少了传递到刀具中的热量。总体而言，更高的速度还可以缩短加工时间并提高生产率。另一方面，较低的切削速度会降低加工温度。如果作中产生的热量过高，降低切削速度可以将温度降低到可接受的水平。
切削刃几何形状
铣刀及其齿的几何形状有助于热负荷的管理。刀具的基本几何形状决定了刀具相对于工件的定位方式。将切削刃定位在正前刀位置的铣刀 （切削齿的顶部从工件材料向后倾斜） 可产生较低的切削力并产生较少的热量，同时还允许使用更高的切削速度。然而，正前角刀具比负前角刀具弱，并且工件材料的硬度及其表面状况可能决定使用负前刀。负前刀产生更大的切削力和更高的切削温度。
切削刃的几何形状本身启动并控制切削作用和切削力，从而影响热量的产生。刀具与工件相接的边缘可以是倒角、圆角或锋利的。倒角或圆角切削刃更坚固，但同样会产生更高的切削力和更多的热量。锋利的切削刃虽然不那么坚固，但会降低切削力并降低运行温度。
切削刃后面的 T 型带将切屑引导，可以是正角或负角，正角设计具有较低的工作温度与更坚固但发热较高的负极布置的相同权衡。
由于铣削中的切削作用被中断，因此铣削刀具的切屑控制功能通常不如车削时重要。然而，根据所涉及的工件材料和啮合弧，形成和引导切屑所涉及的能量可能很大。紧密或硬断屑的切屑控制槽型会立即使切屑卷曲并产生更高的切削力和热量。切屑控制槽型越开放，产生的切削力和工作温度就越低，但可能不适合用于工件材料和切削参数的某些组合。
冷却问题
操纵冷却液应用是管理金属切削作中产生的温度的另一种方法。过高的温度会导致切削刃迅速磨损或变形，因此必须尽快控制热量。
为了有效地降低温度，必须将冷却引导到热源。然而，将冷却液注入高温切削区域是极其困难的，如果不是不可能的话，因为切屑和切削刃之间的压力约为 20,000 bar。此外，在如此恶劣的环境中，冷却剂会立即蒸发。在这种情况下，冷却剂可能无法完全有效地去除热量，但它可能在一定程度上有所帮助。
目前尚不清楚冷却液流究竟会产生多大差异;冷却剂的有效性本身就是一个主题。它就像一种宗教;你相信它，或者你不相信它。一般来说，如果预计会过热，则可以涂抹冷却剂。例如，在槽铣削中，使用冷却液通常不会有害。它可以提供帮助，但多大程度是一个值得讨论的话题。然而，在侧铣中，切削温度可能保持较低水平，最好不要使用冷却液。
结论
共同产生金属切削操作中存在的载荷的多个因素不会单独作用。它们在整个加工作中相互影响。本文讨论了铣削作中的热问题以及它们与机械因素的关系。熟悉构成金属切削载荷的各个元素以及它们相互作用的总体结果将有助于制造商优化其加工流程并最大限度地提高生产率和盈利能力。
