利用插铣提高加工效率和延长刀具寿命

【编者按】插铣加工有许多好处，如切削力直接传入机床主轴和工作台，因此可获得比传统铣削方式高得多的金属去除率。由于插铣能最大限度地减小作用于机床零部件的横向负荷，因此能用于刚性不足的老式机床或轻型机床，以提高生产率。

在提高金属切削效率上所取得的许多重大进展，都是刀具制造商、机床制造商和软件开发商共同努力的结果。插铣(Z轴铣削)加工就是一个很好的例子。

插铣加工时，旋转的刀具沿着Z轴方向直接向下切入工件，并沿Z轴向上退刀，然后在X轴或Y轴方向横移一段距离，再进行与上一次切削部分重叠的垂直切削，切除更多的工件材料。

插铣加工有许多好处。尤其是在长悬伸加工中(如铣削深模腔)，传统的平面铣削方式(即从工件一侧铣到另一侧)为了尽量减小会引起颤振的侧向力，不得不降低切削速度。而在插铣时，切削力直接传入机床主轴和工作台，因此可获得比传统铣削方式高得多的金属去除率。据AMT软件公司介绍，该公司开发的Prospector CAM软件包中纳入了插铣功能，与使用纽扣型面铣刀的传统平面粗铣相比，插铣加工的金属去除率至少可以提高50%。

由于插铣能最大限度地减小作用于机床零部件的横向负荷，因此能用于刚性不足的老式机床或轻型机床，以提高生产率。斗山机床公司营销经理John Ross对插铣可以减小作用于低性能机床上的切削力的说法表示赞同，但他补充说，在结构设计有利于插铣加工的新型机床上，能够最大限度地发挥该工艺的优势。他指出，由于插铣切削力直接传入机床主轴和工作台，因此可以最大限度地减少因工件夹持不牢而产生的各种问题。

英格索尔(Ingersoll)刀具公司模具生产线产品经理Bill Fiorenza表示，插铣有助于减少传入刀具和工件中的切削热。他说，“插铣加工时，传入工件的热量并不多，因为刀具旋转时切入和切出工件的速度很快。只有移动步距的很小一部分工件与刀具接触。”

在切削难加工材料(如不锈钢、高温合金和钛合金)时，这一特点特别具有优势。Fiorenza在进行插铣演示时解释说，“通常，金属切屑的温度很高，你甚至可以在切屑堆中烤热一块三明治。然而，当插铣加工结束时，你可以马上把自己的手放在工件上，而且摸起来感觉比较凉。” 减少切削热除了可以延长刀具寿命以外，还能最大限度地减小工件变形。

值得一试的插铣加工

插铣可以大大加快高端、复杂零部件的生产节奏。山高(Seco)刀具公司铣削产品经理Gary Meyers表示，“插铣工艺应用最多的领域是模具制造和航空工业，因为这些行业的零件类型非常适合插铣加工。”模具制造商需要在整体工件上铣削各种复杂形状以形成模具型腔，而许多航空零件也是用整块毛坯加工出来的。他说，“这些工件的切削量大得惊人，在某些情况下，需要从毛坯上切除50%－60%甚至更多的工件材料。”

ESPRIT CAM软件的开发商DP科技公司产品经理Kenyon Whetsell指出，除了复杂零件制造商以外，通用型机加工车间也能通过应用插铣技术而获益。他说，“有些车间还在使用2.5轴加工技术，它们的机床型式较陈旧、刚性较差，夹具的夹持力也不足，但仍然希望能提高生产率。这些车间可以利用2.5轴插铣技术来达到这一目的。”

肯纳公司可转位铣刀全球产品经理Juan Seculi认为，“插铣工艺广泛适用于大尺寸和中等尺寸零件的复杂形状和型腔加工，在这种加工中，铣刀的长径比至关重要，而传统的铣削策略会产生颤振和振动，缩短刀具寿命。”他说，肯纳公司最近重建了其Z轴插铣刀销售平台，以满足用户不断增长的需求。“时间已经证明，Z轴插铣刀的销售量在不断增加，年增长率达到40%。”

图1 山高刀具公司开发的插铣刀

图2 肯纳公司的Z轴插铣刀

插铣刀的设计特点

刀具制造商已经开发出能充分发挥插铣技术优势的各种插铣刀。山高刀具的Meyers说，此类刀具的切削力基本上都直接传回Z轴。插铣刀的几何形状与90°方肩铣刀非常相似。不同之处在于插铣刀片的前置角与垂直面偏离了几度，可能为87°，而不是90°。“如果用90°铣刀向下插铣侧壁，则刀片的整个切削刃都会与侧壁发生摩擦。如果刀具前置角为87°，则切削刃与工件侧壁之间存在余隙。” 插铣刀要用刀片底部的切削刃进行切削，避免用刀片侧面切削，因为从底面到侧面的过渡部位是刀片最薄弱之处，而且用刀片侧面加工可能引起会导致振动的径向切削力。

Meyers补充说，虽然用刀片侧面进行切削的情况并不多见，但在一些称为“向上(或向下)仿形铣”的加工中，铣刀可以在向上和向下的行程中插铣加工出复杂形状。一个简单的例子就是利用底部根切方式来铣削加工直侧壁，“你可以先向下插铣，然后向内移动，并铣削工件的根部。”

Meyers认为，插铣技术的局限性在于刀具实际切削直径与刀体直径之间的差距。为了向切削刃提供尽可能大的支撑，标准面铣刀的刀体需要加大到尽可能接近刀具的整个切削直径。对用于仿形铣削的插铣刀来说，刀片的切削直径超出了刀体直径。他说，“但超出量有一定的限制，因为插铣刀片的伸出量不能太大。”

Meyers表示，虽然插铣是一种典型的粗铣加工，但其技术和刀具同样适用于半精加工和精加工。他建议，为了获得更好的加工表面光洁度，应该减小径向吃刀的走刀步距，与用球头立铣刀进行三维精铣时所采用的减小步距加工方式相同。

Meyers解释说，从本质上讲，走刀步距是基于刀片宽度和切削刃对工件材料的切入量来确定的。刀具产品样本推荐的步距尺寸会产生一定的残留高度，它决定了某种特定插铣刀的加工表面粗糙度。

肯纳金属公司的Seculi表示，插铣刀的设计正在不断改进和完善。例如，肯纳Z轴插铣刀的新特点包括：在刀体上设计的锯齿形结构能提高成屑和排屑性能，冷却液出口的设计能改进切削热的控制和排屑性能。他说，“这些和刀体一体化的结构设计与采用大正前角的前刀面相结合，可以减小切削力，降低对机床功率的要求，从而延长刀具寿命和提高加工可靠性。”

CAM插铣编程需要考虑的因素

Fiorenza指出，虽然插铣技术的应用已有至少15年的历史，但近年来，加工车间正越来越清楚地认识到，插铣可以获得更高的材料去除率，而且由于走刀路径的编程和验证变得更容易，插铣加工的应用也变得比过去更容易。越来越多的CAM系统已有专门用于插铣加工的算法。此外，利用切削仿真软件，加工车间可以在运行插铣循环程序之前，验证其可靠性。Fiorenza说，“你的确需要对刀具沿走刀路径的运动进行验证，因为专用插铣刀通常都不是中心刀具。”在使用非中心刀具时，如果选用的走刀步距不合适，或不清楚工件的加工余量，都有可能造成打刀。

据Meyers介绍，一些车间采用数控加工中的G81钻削循环程序来执行插铣加工。但在这种加工中，当铣刀从向下插削返回时，其刀片可能会与工件侧壁发生刮擦。

为了解决这一问题，专门编制的CAM插铣循环程序在刀具到达下插底部，准备退刀返回其行程顶点之前，将其沿X轴或Y轴方向移动0.025－0.050mm。刀具后移可以避免退刀时刀片与已加工表面发生刮擦。

Meyers说，“也可以手动编制插铣循环程序。在某些情况下，如果是下插深度相同的简单插铣，你可以只编写一个子程序，确定刀具在X轴或Y轴的运动。但手动编程的工作量很大，只有在确有必要和无需编写加工代码的情况下才采用。”

DP技术公司的Whetsell说，“我们尝试优化插铣加工循环，使用户能充分发挥插铣刀在每次切削中的最大潜力，以尽可能少的走刀次数，切除尽可能多的工件材料。确定编程参数时，需要对刀具切入工件的轴向吃刀量进行动态计算，目的是在每一次插铣走刀中，最大限度地利用刀片的切削能力。这就需要知道工件毛坯和加工后成品零件的尺寸。”

只要知道了零件的最终尺寸，就能确定铣刀的插铣深度，而知道了工件毛坯的尺寸，就能确定从何处开始插铣。Whetsell说，“这基本上就是现阶段对以前曾进行插铣加工的工件毛坯的编程信息。在DP公司的ESPRIT CAM软件中，我们将其称为‘毛坯自动编程’。”

Whetsell说，“在X轴或Y轴方向切削后退刀的编程变得有些棘手，因为你不能让刀具正好退到其后的工件材料中，你也不希望将刀具退到刚才切削产生的残留材料中。”

CAM软件能以各种不同的方式编制插铣加工程序。Whetsell说，“例如，你可以不定义走刀步距或径向切宽，你可以定义残留高度(比如说0.25mm)，CAM软件就能计算出实现该残留高度的插铣次数。” DP技术公司正在为ESPRIT软件开发专用的插铣加工循环，一些用户已通过该软件包先进的编程界面编制了插铣加工程序。

肯纳公司的Seculi介绍说，插铣加工采用的切削参数和专业术语与其他铣削方法有所不同。例如，为了防止颤振，当插铣刀悬伸较长时，要采用较低的切削速度。在描述插铣加工时，平面铣削中用于表示轴向切深的Ap的含意也发生了变化，因为它被定位于插铣刀的径向而不是垂直轴方向(见图6)。在Z轴插铣加工中，没有轴向切深尺寸，只有径向切深(即走刀步距)和径向吃刀尺寸。

切削深度通常与刀片尺寸有关。肯纳公司建议，在插铣加工时，应始终保持切削深度大于刀片切削长度的15%。如果切削深度变得接近或小于刀片的刀尖圆弧半径值，则径向切削力就会增大，从而丧失插铣技术的一些优势。

插铣与大进给铣削

插铣是一种具有高生产率的金属切削策略。选择采用该技术还是其他铣削策略取决于多种因素。

为了最大限度地发挥插铣优势，需要使用专用插铣刀和精心进行CAM编程。在许多情况下，大进给铣削可以成为更简便易行的插铣替代方案。

大进给铣刀基本上都是具有大前置角的直刃铣刀。大前置角使切屑变薄，为了保持足够的切屑厚度，就必须提高进给率。大进给铣刀以大进给率、小切深量快速切除金属材料，同时可将作用于机床和刀具的横向负荷减至最小。

英格索尔刀具公司的MAXline产品经理Tom Noble认为，零件的特征尺寸和结构可以帮助加工车间决定应该采用插铣还是大进给铣削。他说，“如果需要加工一个小凹腔，采用插铣可能比较合适。由于径向移动距离短，因此无需径向铣削太多材料。但是，如果需要铣削的面积相当大，采用大进给铣削可能效率更高。” 大进给铣削确实存在横向负荷，但通过采用小切深、快进给和多次走刀，可将其减至最小。

该公司的Fiorenza指出，用直径50mm以上的插铣刀进行长悬伸插铣可能非常有效。而大进给铣削可能更适合小直径铣刀的长悬伸铣削。他说，“当刀具悬伸长度增大到直径的4倍或6倍时，就会开始出现某些类型的颤振。你可以采用大进给铣刀和0.38－0.50mm的小切深来应对这些加工。可能还需要采用一些抗振刀具结构，如整体硬质合金刀柄和模块化刀头。”

Noble认为，选择铣削方法的一个关键考虑因素是车间的日常加工任务，“比如说，如果你平时要进行大量三维铣削，并希望也能做一点插铣加工，我会建议你采用大进给铣刀，用它也可以进行有限的插铣加工。但对于型腔铣削、直壁和沟槽铣削以及大批量加工，你则应该投资购买专用插铣刀。”

选择合适的插铣机床

虽然通用型机床具有“一机多用”的优点，但为了最大限度地提高生产率(以及减小变形)，采用专用机床往往是更好的选择。生产立式加工中心(VMC)、卧式镗铣床等产品的斗山机床公司可提供从轻型攻丝中心到用于模具重载切削的高速五轴加工中心的各类机床。营销经理John Ross表示，该公司可为不同的加工(乃至不同的地域)量身定制机床。例如，有些机床采用直线导轨，而另一些机床则采用更结实的硬轨。“当我们进入美国加州一些地区主要切削轻型材料的市场时，直线导轨机床正好对路。而当我们进入中西部地区一些加工航空材料和高温合金的市场时，用户则需要能承受较大切削力、更坚固耐用的硬轨机床。”

采用直线导轨的高速模具加工机床在快速切除少量工件材料时性能优异，而采用插铣技术可以进一步提高其粗加工能力。但这种机床承受切屑负荷的能力却不及硬轨机床。

Ross指出，斗山的Mynx系列立式加工中心是能够最大限度发挥插铣优势的加工平台，其刚性在斗山VMC中最高。该机床的基座采用整体铸造，1500mm×750mm工作台能够加工大型模具或航空铸件。

斗山公司应用工程师Steve Sigg指出，“机床主轴越粗大，铣削能力就越强。”在重载切削时，插铣技术可以帮助用户对一些难加工材料(如Inconel合金和不锈钢)进行高效粗铣加工，而用面铣刀对这些材料进行径向加工效率很低。当刀具悬伸量较大时，横向铣削力会引起过度振动，而插铣加工也能很好解决这一难题。

他顺便提到，制造商开始对插铣加工感兴趣的另一个原因是，随着美国制造业的复兴，一些模具加工任务正不断从中国回流到美国。

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