文章摘要
本专题上一篇文章《清洁度问题专题、毛刺问题背景》中,我们先后介绍了毛刺问题的定义、危害和形成和去除方法。
关注公众号的读者,一定会记得前面有一篇文章《铣削毛刺的克星:“拉铣刀盘”》,介绍就是通过优化刀具排布结构,对每个刀片的加工余量进行分配,减少刀具刃口负载,保护刃口,减少切削力,抑制翻边毛刺问题。
本文,我们将介绍针对铣削加工毛刺去除的EOS理论。
一、铣削毛刺分类
在工程应用中最常见的铣削过程可以用槽铣削和台阶铣削来概括描述,同时这两种铣削方式几乎都可以涵盖着其他铣削过程中毛刺形成特征。
虽然毛刺只是产生在切削时刀具出刀的时候,但是铣削过程是切削加工中较复杂的一类,加工过程中不断有切削刃的变化,刀刃的出入随时更替,因而其产生的毛刺也较为复杂,按照槽铣削过程中工件的位置可以分为8 大类。如图所示。
不同位置毛刺形成机理不尽一样,其大小也不一致。一般对于槽铣削来说,进刀毛刺,工件顺铣边侧面进刀毛刺最小,依次为逆铣边侧面进刀毛刺,顺铣边侧面出刀毛刺,顺铣和逆铣边顶部毛刺,逆铣边出刀位置和侧面出刀位置(分别为上图 中的6 和5)毛刺尺寸最大。
其余铣削,如平面铣,台阶铣也可以按照以上进行划分。按照加工方向的划分,毛刺又可以分为顶部毛刺,侧边毛刺,进给方向毛刺和切削方向毛刺,如下图所示,其中进给方向出口毛刺是尺寸最大的。
二、EOS理论简介
根据毛刺形成机理,毛刺产生于被加工材料被挤出的棱边。被加工材料被挤出的方向取决于进给方向,刀片几何形状,和工件棱边位置。刀片上的三个点A,B,C在刀具脱离工件棱边时的顺序EOS(Exit Order Sequence)决定毛刺的大小,如下图所示,也就是说在刀具脱离工件棱边时的切削刃方向决定毛刺的大小,即为著名的EOS原理。
当刀具脱离工件时,切削刃上的点脱离工件的顺序EOS 共有6 种组合,ABC,BAC , ACB , BCA , CAB ,CBA 。通过科学的实验验证得知EOS 按ABC-BAC-ACB-BCA-CAB-CBA 的顺序产生的毛刺逐渐增大。
就是说在从控制毛刺的角度看,刀片的几何形状以及我们所选取的加工条件应该尽量使得加工过程中的EOS 符合ABC 的顺序,如下图所示。
对切削方向出口毛刺而言,影响EOS 的因素主要有两个方面:
1、 刀刃本身的几何形状
2、加工过程中Exit 点相对刀具中心的位置
以盘铣刀为例,刀刃的几何形状如上图所示:影响EOS 的主要因素是其中轴向倾斜角A和径向倾斜角B。通过实验研究A和B的最佳角度组合是A-B 为(-6°,6°)。
这样的角度组合综合性能最好,最适用于实际机械加工,它产生的毛刺总体来说较小,而且被加工材料易于得到较好的光洁度,刀具的耐磨性能好。
如果A-B 选取(-6°,-6°)的组合,虽然产生的毛刺高度更小,但是其加工表面光洁度极差,对刀具的磨损也非常厉害。对切削方向出口毛刺,加工过程中刀具中心相对于零件棱边的位置也是影响EOS 的重要因素。
三、实际应用案例
作者在工作中,遇到了一个PCD盘铣刀铣削铝件平面后,零件边缘出现翻边
毛刺且毛刷无法清除的案例,进行了如下尝试:
1、毛刷相关优化
提高毛刷的刚性
在毛刷厂家的配合下,不但加粗了刷毛的直径,还通过对加胶和捆绑的方式,增加毛刷刚性。
优化毛刷旋向和轨迹
原工艺中,为了方便编程及轨迹覆盖完整性考虑,毛刷的旋转方向和走刀轨迹,均与铣刀相同。出现毛刺后,作者根据毛刺出现在铣削出刀位置的特点,将毛刷的旋转方向和走刀轨迹,变更为与铣刀全部相反。
优化毛刷下压量和补偿
毛刷的初始下压量是指毛刷顶部与工件接触后,再度进给的距离,铝加工使用尼龙材质毛刷时,通常为3-5mm。下压量越大,清洗效果越好。
毛刷的补偿量是指程序中设定的、根据毛刷磨损情况对毛刷下压量的补偿,通常有两种方式,一种是均匀补偿,即加工固定设定数量后对毛刷下压量进行固定距离的补偿,另一种更为合理的方式是根据毛刷使用情况进行补偿,毛刷使用初期,刷毛长,刚性差,补偿量偏大,毛刷使用后期,刷毛变短,刚性强,补偿量偏小。
为了提高毛刷清洗效果,作者将初始下压量增大100%、补偿间隔减小了30%。
综合以上对策,在很大程度上抑制了毛刺产生,由此可见,毛刷是去除毛刺非常有效地对策,排布加工工艺时应该适当考虑对关键特征加工后增加毛刷清洗。
2、切削参数及余量变更
根据上文理论,毛刺产生的机理,是被切削区域边缘支撑不足,被切削材料未被完全切除,即在被剪切断裂之前、先产生塑形变形,继而残留在工件边缘。
综上所述,优化切削参数和余量的目的有两个,即减少切削力和减少完全变形,如下图所示。
首先,作者探索性地将切削速度降低了50%,因为降低切削速度,不但可以降低切削力,还可以降低切削温度,减少工件材料软化现象,增加被切削材料的硬度。但是改进效果不明显。
【针对失败的原因】
作者认为可能切削速度降低所带来的切削力减少和切削热量降低,在提高对被切削材料的支撑性上影响不足。
随后,作者又试图将原有的切削余量分为两次完成,即将形成最终表面时的加工深度,缩减了50%。此举目的主要是提高对被切削材料的支撑性能。但是,在实验过程中,出现了加工振纹而失败。
针对失败原因,作者结合此前的切削速度优化结果认为,对于铝加工时的切削力,切削深度的影响要略大于切削速度,当切削力减少时,工艺系统振动产生工件表面振纹。综上所述,切削参数和余量优化效果有限,取消变更恢复原始设定。
3、刀具角度优化
基于EOS理论,将刀具侧齿前角改为-6°,端齿前角改为+6°。
为了验证刀具方案效果,取消毛刷相关优化。刀具更改前,毛刺出现在刀具寿命的前30%-50%期间,更高后,毛刺出现在刀具寿命80%以后,使用效果显著。
受到生产紧迫性限制,作者无法尝试其他角度组合,感兴趣的读者可以优化角度大小,进一步减小切削力,取得更好的毛刺去除效果。
本章小结
本文介绍了抑制铣削毛刺问题的EOS理论,并结合作者应用案例,介绍了铝件铣削毛刺问题解决的常用方法。后续作者将汇总整理钻削过程毛刺问题解决的理论和方法,敬请期待!