刀具系统优化可以使切入式粗加工大批量材料去除

这些图像示出了用于可转位钻头的非常困难的钻井条件的示例。这种特殊钻头的设计提供了出色的稳定性，切屑形成，排屑和长使用寿命，使其非常适合插入式粗加工。图片由美国Komet提供。

该比较示出了直柄（顶部），凸缘（中间）和柄（底部）工具的强度区。虽然凸缘工具是对没有凸缘的典型直柄工具的改进，但是它仍然不具有与具有较大凸缘直径并且通过锁定螺钉预加载到凸缘表面的模块化钻头相同的强度区。这在工具中产生了一些应力，其极大地增加了径向刚度，使得钢体在插入式粗加工或困难钻孔期间抵抗弯曲。

当对室或腔进行切入粗加工时，最好的做法是首先以快得多的进给速率钻出实心直径孔，然后在这些第一孔之间钻出剩余的材料。

该图示出了用于插铣的两种可能的步进图案，其具有基于刀片台面宽度的相应的最大步幅宽度。

粗加工操作对大型部件可能需要数小时，通常按体积除去一半以上的原料。为组件和机床选择合适的加工方法可创建成功且稳定的系统。最近，随着可以处理该加工方法的苛刻要求的切削工具变得更容易获得，使用切入式粗加工（通常称为切入式铣削）已经增长。

切削粗加工使用沿轴向的切削工具来进行材料去除，类似于钻削。该方法需要设计用于处理这种轴向切割的工具，例如可转位钻头和铣刀，两种常见的工具类型，每种具有其自身的优点和局限性。

优点分解

切入式粗加工的缺点是轮廓控制非常有限，因为在切入刀具路径中使用刀具将始终在零件上留下等于刀具半径的半径形扇形。因此，与可编程以创建任何形状的传统铣削路径不同，插铣铣削路径不能创建平滑的轮廓。钻孔本质上通常在所有加工操作中提供最高的材料去除率，因此使用钻孔操作将产生具有柔性轮廓路径的生产操作。

考虑这个例子来证明切入式粗加工和高进给铣削的有效性：一个相当于325立方英寸的材料部分需要从P20钢块中粗磨出来。两种刀具选择是2英寸直径的高进给铣床和2英寸直径的可转位钻头。当进给全宽通过时，高进给铣床的初始切削参数为每分钟825表面英尺（sfm），每个齿0.0315英寸（ipt），四个切削刃和0.078英寸的切削深度。这等于1570转/分钟（rpm）和198英寸/分钟（ipm），材料去除速率为30.9立方英尺/分钟。因此，加工时间理论上为10.5分钟，不包括任何非切削时间。初始钻孔切削参数为700sfm，进给速率为每转0.008英寸（ipr）。这等于在10.7ipm下为1337rpm，在理论时间为9.7分钟时产生33.6立方英尺/分钟的材料去除速率。

该示例的数学证明，使用可转位钻头的插入式粗加工在时间方面是有利的，然而还存在许多其它因素，以确保这是对于特定作业的最经济的解决方案，包括刀具路径，材料形状，机器功率和速度。

一些高饲料厂可以实现大于50立方英尺的金属去除率，但是非常少的机器可以准确地处理这样的速度而没有问题。高进给铣削的成功也取决于刀具路径以及最小的非切削时间，以减少周期时间。另一方面，切入式粗加工是一种更专用的解决方案，变量更少。其成功仅受速度，进给速率和步进的影响，而传统的铣削操作依赖于相同的，加上程序刀具路径，围绕半径的动态进给速率，刀具接合百分比和刀架径向刚度。

刀具设计元素

由于可转位钻头和大多数铣刀都可用于这些切入式粗加工操作，因此我们来检查每个刀具的独特方面。

随着可转位钻头设计随着时间的推移已经改进，它们已经变得更好地用于插入式粗加工操作。固体高速钢（HSS）和硬质合金钻头通常不是切入式粗加工的不错选择，因为如果在零件材料中接合的刀具直径小于60％，它们的陡点角可以推动刀具偏离中心。此外，实心钻头不能处理与突入非常好的冲击。例如，如果暴露在高冲击载荷下，硬质合金很容易断裂。

可转位钻头的高强度钢体，加上插入件上的复杂切削几何形状，增加了这些工具通常可以处理的滥用。然而，并不是所有的工具都是平等的。稳定工艺的一些关键设计元素是钻头稳定性，切屑形成和切屑排出。

对于钻头稳定性，机器，夹具，工具和夹具必须视为一个连接系统。从工具的角度来看，目标是具有尽可能刚性的钻芯或网，并且仍然能够在所有切割条件下平稳地排出所有切屑。钻头的芯或腹板是工具沿着中心轴线的没有加工出的槽的区域。直径和纵向形状是产生钻头的径向刚度并且使其能够抵抗挠曲的形状。

钻头之间的主要区别是冷却剂通道设计。产生冷却剂通道的常见方式是钻穿一个主进料孔穿过工具的中心，然后两个连接通道到每个插入件。这是容易的并且制造相对便宜，然而它减少了芯中的固体材料面积。在轻钻井条件下，这可能不是问题，但是将工具推到其物理极限将是显着的，特别是如果其未完全接合，这向工具本身增加径向载荷分量。

为了获得最大的钻孔性能，其它钻头设计有两个单独的小的冷却剂通道，当在制造期间工具处于粗加工状态时，该冷却剂通道被钻通。然后将工具体加热和扭曲以匹配槽纹的螺旋角，从而形成工具的完全实心的芯部和两个独立的螺旋状冷却剂通道，其使冷却剂直接流向切削刃。

从插入角度来看，切削刃几何形状和位置对钻头本身的切削性能和稳定性具有巨大的影响。由于插入件被压制，它们可以被给予非常复杂的形貌，这在研磨固体工具中是不可能的。这与袋制造方法一起允许紧密控制安装和位置角度，例如相对于钻孔轴线的中心线限定径向角的γ角度。刀片所处的角度，切削刃设计和刀片在材料上的接触点都决定了力如何作用在钻头上。

围绕钻孔轴线的平衡力将产生非常稳定和平滑的钻孔操作。当钻头用作插入工具时，其直径不总是完全接合，这使得该过程更加困难，因为力矢量相对于工具轴线改变。大多数高性能可转位演习的设计都考虑到这些问题。即使在不良条件下，钻头力更好的平衡，钻头可以执行的更积极和困难的应用，包括例如穿过台阶钻孔，不均匀的进入或退出，在点上钻孔，或甚至穿过焊接接缝。

切屑形成始终是加工操作的关键方面。目标是实现一致的切屑形状和尺寸，减少切屑排出。由于复杂的破碎形貌可以被压入到插入件中，因此当以适当的刀片等级，几何形状，涂层，速度和进给来运行时，获得良好的钻头以形成一致的切屑是相对容易的。在切入操作中使用该工具增加了切割的中断，这有助于切割，但是它还需要能够处理增加的冲击的插入边缘。通常建议使用具有大的刃带宽度的刀片形貌和用于强边缘的刀片形貌，以及在材料冲击下不会断裂的适当强的基底等级。

切屑排出是可用于切入的实心钻的最终关键特征。大多数钻头具有足以用于实心直径钻削的槽纹构造，其中材料完全围绕工具的圆周。然而，当插铣时，钻头通常将不再基于直径完全接合，并且将沿着工具的圆周具有开口区域，切屑将落入该开口区域中，而不是沿着钻屑槽轴向下落。如果通过开放区域落下的碎屑被夹在刀具本体和工件之间，将导致损坏。当首次在一个困难的应用中使用新的插入钻时，应特别注意确保芯片被彻底抽真空。

可转位铣削刀具也可用于插入式粗加工操作，但是它们具有等于它们的刀片台面宽度的更有限的步进。这是可以用于在该取向上切削的刀片边缘的长度，而不损坏或磨损插入件的第二侧，如果索引可以使用的话。如果刀具的步进大于刀片台面宽度，则刀具的钢体也可能接触材料，导致刀具故障和部件损坏。反过来，与具有类似尺寸的钻头相比，每个可转位铣刀的每次冲程可移除的材料量有限。

然而，使用可转位铣刀在切入式粗加工中有好处。例如，它通常具有比钻头更强的主体，因为这些工具更短并且通常具有非常小的凹槽，因此径向力不是那么多问题。此外，可转位钻头通常仅具有一个有效切削刃，因为内侧和外侧刀片不切削相同的路径。类似尺寸的铣刀将具有更有效的切削刃，因为所有切削刃都切削相同的路径，并且这可以大大增加每分钟的进给速率，使得材料去除速率（MRR）更接近钻头的切削速度，即使每次通过除去较少的材料。在一些情况下，MRR甚至可以更大。

高进给铣床可以很好地用于切入应用，因为刀片的进入角度通常为10度或更小。这使得大部分力朝向心轴轴向地具有非常高的稳定性。小的进入角度还产生非常宽的切削刃面，因此可以使用相对大的步进，从而提高生产率。使用高进给铣刀进行切入式粗加工也适用于型材粗加工应用，例如沿着没有大量材料的壁或非常深或高的部件壁，这些侧壁铣削需要长的长径比。

使用可转位铣刀进行切削时，切割到开口袋或沿着没有底板的零件的壁时效果最好。由于可转位铣刀不能完全切割到刀具的中心，因此确保钢体不会接触通过先前的步进而留在部件的底板上的任何材料是至关重要的。有时，当采取多个步骤时，需要减小每个行程的深度，因此工具不接触地板，这将需要在另一半粗加工操作中移除材料。

无论使用钻头还是铣刀，刀架都同样重要。刀具稳定性对于消除在切入过程中可能导致刀具故障的偏差至关重要。铣刀具有较大的主体，其具有非常稳定的大型芯，并且能够牢固地安装到主轴适配器。一个好的经验法则是避免使用大于主轴头处的主轴锥度的直径的刀具。这确保了力保持朝向主轴中心线。例如，使用大的6英寸直径的工具用CAT40心轴插入部件会产生过大的负载，远离心轴中心线，并且很可能使插入物偏斜，颤动和断裂。

由于可转位钻头具有在工具上方延续一定长度的凹槽，所以它们在设计上稍微较弱。这是工具连接变得重要的地方。需要在工具上的凸缘作为支架上的正向止挡。然而，在具有凸缘的传统直柄工具上，该特征仅停止轴向运动并且不增加任何显着的径向刚度。在模块化连接中，连接直径大得多，并且由于模块化连接的独特夹紧形式，即使在长突起中也存在径向刚度的显着增加。

插入式粗加工可以是传统粗加工策略的一个很好的替代方案。它在稳定性差的设置中突出，其中使用轴向工具压力的切割是更好的选择。由于具有良好的操作计划和花费在系统中的优化切割工具的一些时间，切入可以是用于大量材料去除的最有效和稳定的选择。