插铣法的特点与应用

插铣法(plungemilling)又称为Z轴铣削法,是实现高切除率金属切削最有效的加工方法之一。对于难加工材料的曲面加工、切槽加工以及刀具悬伸长度较大的加工,插铣法的加工效率远远高于常规的端面铣削法。事实上,在需要快速切除大量金属材料时,采用插铣法可使加工时间缩短一半以上。此外,插铣加工还具有以下优点:①可减小工件变形；②可降低作用于铣床的径向切削力,这意味着轴系已磨损的主轴仍可用于插铣加工而不会影响工件加工质量；③刀具悬伸长度较大,这对于工件凹槽或表面的铣削加工十分有利；④能实现对高温合金材料(如Inconel)的切槽加工。

插铣法非常适合模具型腔的粗加工,并被推荐用于航空零部件的高效加工。其中一个特殊用途就是在三轴或四轴铣床上插铣加工涡轮叶片,这种加工通常需要在专用机床上进行。插铣涡轮叶片时,可从工件顶部向下一直铣削到工件根部,通过X-Y平面的简单平移,即可加工出极其复杂的表面几何形状。

实施插铣加工时,铣刀切削刃由各刀片廓形搭接而成,插铣深度可达250mm而不会发生振颤或扭曲变形,刀具相对于工件的切削运动方向既可向下也可向上,但一般以向下切削更为常见。插铣斜面时,插铣刀沿Z轴和X轴方向作复合运动。

在某些加工场合,也可使用球形铣刀、面铣刀或其它铣刀进行铣槽、铣型面、铣斜面、铣凹腔等各种加工。专用插铣刀主要用于粗加工或半精加工,它可切入工件凹部或沿着工件边缘切削,也可铣削复杂的几何形状,包括进行挖根加工。为保证切削温度恒定,所有的带柄插铣刀都采用内冷却方式。插铣刀的刀体和刀片设计使其可以最佳角度切入工件,通常插铣刀的切削刃角度为87°或90°,进给率范围为0.08～0.25mm/齿。每把插铣刀上装夹的刀片数量取决于铣刀直径,例如,一把直径φ20mm的铣刀安装2个刀片,而一把直径f125mm的铣刀可安装8个刀片。

为确定某种工件的加工是否适合采用插铣方式,主要应考虑加工任务的要求以及所使用加工机床的特点。如果加工任务要求很高的金属切除率,则采用插铣法可大幅度缩短加工时间。另一种适合采用插铣法的场合是当加工任务要求刀具轴向长度较大时(如铣削大凹腔或深槽),由于采用插铣法可有效减小径向切削力,因此与侧铣法相比具有更高的加工稳定性。此外,当工件上需要切削的部位采用常规铣削方法难以到达时,也可考虑采用插铣法,由于插铣刀可以向上切除金属,因此可铣削出复杂的几何形状。

从机床适用性的角度考虑,如果所用加工机床的功率有限,则可考虑采用插铣法,这是因为插铣加工所需功率小于螺旋铣削,从而有可能利用老式机床或功率不足的机床获得较高的加工效率。例如,在一台40级机床上可实现插铣深槽的加工,而此类机床不适合采用长刃螺旋铣刀进行加工,这是因为螺旋铣削产生的径向切削力较大,易使螺旋铣刀发生振颤。由于插铣加工时径向切削力较低,因此非常适合应用于主轴轴承已磨损的老式机床。插铣法主要用于粗加工或半精加工,因机床轴系磨损引起的少量轴向偏差不会对加工质量产生较大影响。

作为一种新型数控加工方法,插铣法对CNC加工软件提出了新的要求。目前,在适用软件的开发方面还有许多工作要做,软件供应商正着手改编或重新编制能够处理大量Z轴代码的加工软件,这种软件必须具有高柔性,以适应各种不同的加工任务。

无论对于大金属量切削加工(在模具加工中较为常见),还是对具有复杂几何形状的航空零件的加工,插铣法都将是优先考虑的加工手段。与常规加工方法相比,插铣法加工效率高,加工时间短,且可应用于各种加工环境,既适用于单件小批量的一次性原型零件加工,也适合大批量零件制造,因此是一种极具发展前途的加工技术。

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