刀具切削线速度.docx

1、刀具切削线速度第六章 掌握高频模加工方法（上）教学提示：通过前面几个章节的学习，学员对金属雕刻的过程、工艺规划以及一些基本的雕刻参数都有了初步的认识及理解，可以加工简单的产品。但是对于这些参数的理论根据还没有形成系统的知识体系。那么，如何培养学员对于“复杂工件”会分析、会规划、会用刀、会查表，最后生成高效优化的刀具路径，而且学会判断刀具路径的合理性，这就需要有理论作指导，有“规矩”可查询，本章和第七章重点就是针对 “复杂工件”的加工工艺方法、如何用刀、重要参数及功能等进行了详细讲解，并给出理论依据。本章重点讲解了金属加工的工艺方法：对使用“开槽式等量切削”的方法去粗、多把刀具清角的方法进行了系

2、统详实的讲解。教学重点：1、分析高频模的特点，提出工艺解决方法开槽式等量切削加工。2、提出开粗、精修加工方法，分析刀具在加工中的受力状态。3、分析刀具的选择对于加工成品的影响，强调刀具的重要性。4、提出刀具选择的原则：产品特点和切削原理，提出锥刀和螺纹铣刀的使用方法。5、通过高频模实例的讲解，形成一套完整的设计思路。6.1 高频模特点与加工工艺方法教学目的：本节主要根据高频模的特点，从复杂高频模的加工要求入手，分析并提出高频模的加工工艺方法和用刀方案，使学员掌握规范的加工工艺。教学重点：1、分析复杂高频模的特点，提出加工要求；2、深入讲解开槽式等量切削、多把刀具清角的加工工艺。6.1.1 高频

3、模的特点分析在前面第三章的讲解中我们已经对高频模的特点进行了详细的分析。本章我们重点是根据模具的特点及加工要求提出高频模的加工工艺方法。1、高频模的形态要求高频模是通过压制到皮革表面上形成凹凸鲜明的“立体形态”，并且这些“立体形态”要求丰富、饱满，所以相对应模具上的雕刻区域的深度要深、加工范围要大。一般在高频模加工中雕刻区域占毛坯材料的60%到80，雕刻深度为23mm，压制的皮革“立体形态”高度差最大可达到23mm。一些名牌厂家对皮革上图案形态要求更加饱满，还采用了上下模相互配合的加工方法，确保压制的“立体形态”能够达到3mm甚至更高的高度。2、高频模加工的效率要求从现在的市场角度来分析，高频

4、模具目前在精雕机的加工业务中已经成为附加值较低的产品，客户获利完全靠批量生产，单件利润极低。这就要求在产品合格的情况下，能够在规定的时间内完成产品的加工。3、高频模开粗加工与精修加工的比较从加工的时间的角度分析，虽然边角区域占的面积相对较小，但是由于只能使用较小的刀具加工来保证比较高的仿真清晰度。并且小刀具的强度低导致雕刻过程中容易断刀，所以精加工占的加工时间反而比较多。实践也证明：占了雕刻区域不到15的“边角”区域的加工时间却占到了一个高频模加工时间的65左右。4、从加工的角度对高频模特点进行总结根据以上分析，我们从以下几个方面对高频模的特点进行总结：模具特点：高频模雕刻深度深、范围大、加工

5、量也就相应比较大。加工效率：高频模加工效率要求比较高。 加工难点：如何提高小刀具加工效率。要解决以上问题，除了硬件过硬以外，还要靠合理的工艺方法。精雕机的加工工艺是由软件专业功能来实现的，要想充分发挥精雕机的能力，学会并掌握这些软件专业功能，才能保证一个较高的产品合格品率和较高的产品加工效率，这样的产品才具备实际市场生存的意义。6.1.2 “大面积”区域加工开粗加工1、开粗加工的工艺方法在开粗加工中，去除材料的面积相对比较大，按照常规的加工工艺方法，不能够满足雕刻行业中对于加工效率的要求，所以提出“开槽式等量切削”的加工方法。2、如何理解开槽式等量切削加工为了能够更加明白的理解应用“开槽式等量

6、切削”，我们首先分析在加工中刀具的受力状态。（1）雕刻加工中刀具的受力状态分析前面我们讲，常规小刀具雕刻加工中的断刀问题比较严重。那么影响刀具断刀的主要问题是什么呢？是因为刀具在雕刻过程中存在“双边切”和“单边切”两种状态，吃刀量不均匀，致使刀具在雕刻的过程中受力时大时小，出现断刀情况。如图6-1所示，刀具沿着未加工的图形区域边缘下刀，在切削材料时主要受到三个方向上的力：进给方向的切削阻力和两侧的摩擦力。刀具的这种受力状态形象地称为“双边切”状态。为便于后面讲述，我们把“双边切”状态切削的材料区域称为“双边切”区域。 图6-1“双边切”状态如图6-2所示，当加工区域的边缘都已经被切开，刀具切削

7、区域中间的材料时，刀具只承受进给方向的切削阻力和单侧摩擦力，刀具的这种受力状态形象地称为“单边切”状态， “单边切”状态下切削的材料区域称为“单边切”区域。 图6-2“单边切”状态（2）常规雕刻加工中刀具受力状态的分布在常规的加工中，刀具的这两种受力状态是交替进行的。也就是没有办法划分出哪里是“双边切”区域，哪里是“单边切”区域。刀具在加工中，受力时大时小。遇到这样的情况，没有其他的办法，只能通过降低刀具的进给速度来减小刀具加工中的受力。也就是我们常说的，刀走的速度慢一点。那么，在相同材料、速度、加工深度的情况下，刀具在“双边切”区域加工时的受力要远远大于刀具在“单边切”时的受力。“单边切”状

8、态下刀具受力相对较小，可以进行较高速度的切削进给运动，加工效率较高，刀具磨损也小，刀具切削声音较为清脆。在侧向进给较小的前提下，还可以使用螺纹铣刀进行较大深度的切削加工。但是因为我们在工艺规划中无法对两个区域分开加工，所以只能以刀具在双边切时的受力为准设置刀具的进给速度。而这个进给速度并不适合刀具在“单边切”区域时的情况。刀具在“单边切”区域时，我们希望刀具的进给速度能够快一点。在这种加工状态下，我们实际上浪费了很多加工时间，加工效率相应的也就比较低。应在教学中明确地提出“双边切”和“单边切”这两种切削状态，这样有助于学员建立“在不同的切削状态使用不同的工艺参数”的意识。在教学中要通过实物样品

9、和计算机演示让学员建立“双边切”和“单边切”切削状态的概念。（3）开槽式等量切削加工中刀具的两种受力状态的分布在“开粗加工”中，沿着雕刻区域边缘的加工基本上是“双边切”区域的加工，区域内部的材料（离开边缘一个刀具直径宽度）加工是“单边切”区域的加工。而且“单边切”的区域大于“双边切”区域。在开槽式等量切削的过程中，刀具同样存在“单边切”受力和“双边切”受力两种状态。不过在精雕软件的工艺规划中，我们可以把“单边切”区域的加工与“双边切”区域的加工分开。请看下面对比加工图： 图6-3 未开槽加工 图6-4开槽加工（此例在实际讲解中可以在软件中进行演示并分析开槽加工与未开槽加工的区别。）在图6-4这

10、种情况的加工中，先把“双边切”区域加工完，然后再加工“单边切”区域。这样做的好处是：在开槽的加工中我们可以使用较低的切削进给速度，在单边切区域的加工中可以使用较高切削进给速度，这样就可以使刀具受力均衡，提高加工效率。在实际加工中，“单边切”区域和“双边切”区域是在同一切削进给速度下完成加工的。通过减小在开槽时刀具的吃刀量，来平衡刀具的受力，也就是分层开槽。（培训教师在软件上进行演示，重点突出分层开槽的效果。）6.1.3 “边角”区域加工精修加工 精修加工的工艺方法：多把刀清角加工方法（1）精修加工的材料区域精修加工的材料区域由以下三个部分组成： 由于开粗加工刀具尺寸较大，在图形区域的边缘留下一

11、部分尺寸未加工到位的区域。 由于开粗加工刀具尺寸较大，在一些小区域中根本下不进去刀，此时这些区域的材料被完整地保留下来了。 为了实现加工精度的控制，开粗加工中定义的“粗雕余量”所保留的加工材料。（2）精修加工中刀具的受力分析在精修材料区域中，图形边缘尺寸未到位的材料区已在开粗工序中加工成“单边切”的区域，那些未下过刀的小区域，由于区域较小，不再适合进行开槽方式加工，这些区域为“双边切”区域。（3）多把刀清角加工的方法在精修加工过程中为了降低单把刀具的加工量，可考虑使用多把刀具，使每一把刀具去除量合理，确保加工过程畅顺的进行。因此多把刀具清角加工的方法就是不要使用一把刀，应使用多把锥刀，利用锥刀

12、的形态特点和清角加工方式，使每把刀具在材料的去除量和空间形态上作到均匀分布、合理负担，从而保证刀具有一个较低的磨损。6.2 刀具的选择和使用教学目的：本节通过讲解选择刀具的原则，使学员在加工中能够灵活的使用刀具，建立规范的刀具使用方法。教学重点：1、讲解用刀必须符合所加工产品的要求；2、强调用刀必须符合切削原理；3、建立规范的用刀方法。我们在前面的学习中，生成刀具路径时，刀具要么是老师选择好的，要么是直接告诉同学们选择什么样的刀具，而没有具体深入的讲解为什么选择这样的刀具。这样做的主要目的是为了不影响同学们掌握前面每个流程中的重点内容。因为刀具的选择和使用这部分内容，牵扯的知识面比较广，而且理

13、解起来有一定的难度。本节我们就来讲解选刀原则，从以下两个方面展开： 根据产品要求选择适合的刀具 从切削原理的角度选择合适的刀具6.2.1 从产品要求的角度考虑刀具的选择1、刀具的大小对 “仿真清晰度”的影响什么是“仿真清晰度”？前面我们讲到：精修刀具是加工开粗刀具加工不到的区域范围。首先，既然精修刀具是加工开粗刀具加工不到的地方，那么精修刀具肯定比开粗刀具小。要不然开粗刀具都加工不到，精修刀具肯定也加工不到。为了同学们能够看的更清楚，请看图6-5。这张图中平行四边形指的就是我们要加工的区域；1指的是我们粗加工的刀具，在图中用一个圆来表示；2指的是精修刀具，用一个比1小的圆来表示。从这张挂图上我

14、们要搞清楚以下问题：（1）哪部分是残料区域范围？（2）形成残料的原因是什么？（3）什么是“仿真清晰度”？（4）刀具的大小（包括开粗刀具和精修刀具）与“仿真清晰度”之间的关系是怎样的？图6-5在这里第四点是与我们现在讲解的内容相关性最强的。前面所提出的问题也是为了引出第四个问题。（1）图中什么地方是残料区域？图中A和B所指的区域是残料区域。其中A所指是开粗加工后形成的残料区域。B部分包含在A区域内的，这部分是精修加工后所形成的残料区域。（2）形成残料区域的原因是什么？因为刀具是有尺寸的，致使刀具无论多小都不可能完全加工掉图形中的尖角区域（残料区域都是剩余在这些残料区域），从而形成残料区域。（3）

15、“仿真清晰度”：“仿真清晰度”是指我们的抄图区域与我们实际加工到的图形区域之间的差异程度。因为存在这些残料区域，那么刀具的直径越大（包括开粗刀具和精修刀具）残料区域就越大，也就是“仿真清晰度”越差，反之“仿真清晰度”就越好。从上面的分析可以看出，我们在加工中选择的刀具越小，加工出的产品“仿真清晰度”就越好，也就是加工出的产品就越接近我们设计的产品。2、刀具的大小对加工效率的影响根据前面的分析，我们加工的时候为了得到更加接近设计的图形区域，是不是就尽可能的选择小刀具呢？当然不是！首先影响加工产品的“仿真清晰度”的因素除了刀具直径的大小以外，还有机床的定位精度、重复定位精度和运动灵敏度，粗略的讲也

16、就是机床的精度。机床的精度差，走刀的时候不平稳，边缘肯定也就不光滑，仿真清晰度当然也很差。更重要的刀具的大小对加工效率的影响。我们知道，加工一定的区域范围，选用小刀具能保证产品的清晰度，但用的时间较长，加工效率较低。这就要求我们选择刀具的时候，在满足产品清晰度的情况下要尽可能选择直径较大的刀具以提高加工效率。3、粗加工刀具和精加工刀具之间的关系如何选择刀具，才能够在满足加工要求的情况下，达到加工效率最高呢？我们可以利用刀具分配来实现，即：采用直径相对较大的刀具进行开粗加工（提高加工效率），采用直径相对较小的刀具进行精修加工（保证仿真清晰度）。但是设计路径时前后两把刀具径之间的差值不可以太大，一

17、般不超过2倍。这是为什么呢？当选择直径较大的刀具作为开粗加工时，这部分区域所需要的时间就短，效率表面看上去就越高。但是从前面的分析知道，开粗刀具越大，那么开粗后的残料区域也就越大。在精修加工刀具一定的情况下，精修加工所需要的时间也就越长。这个时候开粗加工所用的时间和精修加工所用的时间之和不一定就是最短的，也就是综合效率不一定最高。这就是我们提出精修加工的方法多把刀具清角的原因。这样我们就可以选择一把尽可能大的刀具做粗加工，以便在最短的时间内去除掉大部分的待加工材料。然后通过多把刀清角完成后序的加工。怎样确定粗加工的刀具的大小呢？这又关系到下面的因素。6.2.2 从切削原理的角度考虑刀具的选择1

18、、刀具切削能力的衡量标准切除率在雕刻的过程中，刀具在自身旋转中以一定的速度前进，达到去除材料的目的。在这个过程中刀具存在两种运动：刀具自身的旋转运动和刀具在进给方向上的移动。我们把刀具在进给方向上移动的速度称为切削进给速度，如图6-6：切削进给速度是衡量刀具切削能力的一个重要参数，但要注意刀具的切削能力是一个综合参数，它是由吃刀深度、侧向进给量和切削进给速度共同决定的。为了体现三者之间的关系，我们引入另外一个概念：切除率。 它是指单位时间内刀具切除材料的体积。切除率(mm 3/min) =吃刀深度（mm）侧向进给量（mm）进给速度（mmmin）。切除率就是衡量刀具切削能力的标准，同样也是衡量雕

19、刻效率高低的标准。2、主轴转速与切削速度之间的关系要理解它们之间的关系，首先要从刀具的切削速度开始。刀具的切削速度是指刀具刀刃上某一点的旋转线速度，所以切削速度也叫切削线速度。切削线速度是指刀刃上某一点在圆周方向上单位时间内的位移量。比如直径是3mm的平底刀，主轴转速是24000转/分钟，那么刀刃上某一点的线速度是多少哪？用如下的公式可以计算出来：V=DN其中N是主轴转速，D是刀具直径。经过计算，可以知道，直径是3mm的平底刀，在主轴转速是24000转/分钟的情况下，切削速度是226m/min。主轴转速是指主轴电机单位时间内旋转的转数。精雕机使用的主轴电机常用转速范围为1000024000转/

20、分（RPM），在高频模加工中使用转速为24000转/分（RPM），而常规的机加机床（例如仿形铣）的主轴转速为30007000转/分（RPM）。通过以上的关系式，可以知道，在刀具直径一定的情况下，切削速度与主轴转速成正比，即主轴转速越高，切削速度越大。3、切削速度与切削量之间的关系我们知道刀具切削是由刀刃完成的，刀具切削量是分布在刀刃上，这个分布量被称为单刃切削量，即刀具旋转一周每刃的切削量（单位是mm/r）。单刃切削量乘以转速乘以刃数就是刀具的切削量，具体关系如下：d=F/（N*M）其中d为单刃切削量，F为进给速度，N为主轴转速，M为刀具的刃数。从上述关系式中可看出：对于同一把刀具，转速越高，

21、单刃切削量越小，刀具的受力越小。前面我们分析精修加工的难点就是小刀具强度差，所以足够的转速是我们能够顺利完成雕刻的重要条件。下表是一定转速下每刃吃刀量一览表，单位为mm/r。（以常用的单刃锥刀为例，如果使用双刃螺纹铣刀，则单刃吃刀量减半。）表6-1 每刃吃刀量一览表走刀速度转速0.112m/min0.3m/min0.45m/min0.75m/min1.2m/min1.8m/min2.4m/min3.0 m/min12000rpm0.0090.0250.0380.0630.10.150.20.2515000 rpm0.0070.0200.030.050.080.120.1600.220000 r

22、pm0.0060.0150.0230.0380.0600.0900.1200.15024000 rpm0.0050.01250.0190.0310.0500.0750.1000.125注：上表在讲课时要发给学员并要给出一些解释。解释的关键点是用通俗的语言使学员理解单刃吃刀量的含义，即刀具每转每刃进给量。从上表中可看出，当走刀的进给速度低时，刀具的单刃切削量较小；在主轴转速高时，刀具的单刃切削量也较小；在一定单刃切削量的前提下，提高电机的主轴转速就可提高走刀的进给速度，从而提高加工效率。这就是高速主轴电机提高加工效率的关键点。例如，对于额定的单刃切削量0.1mm/r，当主轴转速为24000rpm

23、时，进给速度可达到2.4m/min，当主轴转速为12000rpm时，进给速度只有1.2m/min，这样加工效率势必就要降低。加工实践证明：如果降低转速，就带来吃刀量加大，这样会使电机的切削声音加大，而且会加速电机的磨损。4、切削速度与刀具的磨损之间的关系但是从另外一个方面来考虑，雕刻加工的过程是一种摩擦切削的过程。那么刀具在雕刻的过程中就有磨损。其实在机械加工的过程中，磨损是不可能避免的，也就是说在由一把锋利的刀具变成一把不够锋利的刀具的渐变过程中，刀具磨损是无时不在的。可能有的学员要问了：“为什么有的刀具磨损的快，有的刀具磨损的慢呢？”按照切削原理来讲，刀具切削材料是依靠刀具切削刃部的旋转线

24、速度（即切削速度），线速度越高，切削力越大，切削效果会越好！但是凡事都是辩证的，它也会在切削中与被切削材料发生磨擦造成磨损，而且线速度越高、磨损也就越快，实验表明：在一定的进给速度下，切削线速度越大，切削力就越大。切削线速度是造成刀具磨损的主要原因。控制切削线速度将会改善刀具磨损程度，从而提高加工效率。5、如何控制刀具的磨损从前面切削线速度的计算公式可以看出：主轴电机的转速越高，刀具的直径越大，切削线速度就越大。对于同一种材料来讲，刀具磨损就越快。控制切削线速度就要从这两个方面入手。具体地说，精雕机使用硬质合金刀具，针对某种加工材料，在“一定线速度”范围之内，刀具的切削磨损是有限的，当超过这个

25、范围后，刀具磨损是“相当大”！也就是说，对于各种加工材料，存在一个刀具磨损发生质的变化的线速度临界参数刀具线速度上限值，在加工过程中通过适当的控制，使刀具切削速度不超过这一上限值，刀具磨损的速度较低。这也是当前较为有效地减少刀具磨损的方法之一。下表给出精雕机常用的硬质合金刀具在切削不同材料时的刀具临界切削速度。表6-2 切削不同材料时刀具的临界切削速度加工材料材料类别典型牌号硬度HRC切削速度（m/min）钢材淬火钢55562025调质钢NAK80日本模具钢36453050合金钢DF-2瑞典油钢718瑞典“一胜百”30345070碳素钢S50C日本优质皇牌28306080铜材紫铜H3100日本

26、电极铜120200黄铜59号铜80150铝材铝合金120200有机材料ABS200500有机玻璃200500注：铜材、铝材、有机材料等这些软材料，由于硬度较低，刀具磨损很小。我们在雕刻过程中，从选择刀具的角度来讲，直观的认识是刀具越大，加工效率就越高。这一点没有错。但是，当刀具的直径增大的同时，刀具线速度也在增大，刀具的磨损在加剧。例如我们加工59号铜，使用刀具直径为3mm的螺纹铣刀，主轴转速为24000转/分，经计算切削速度为226米/分，已大于表中的值；当使用刀具直径为2mm的螺纹铣刀，经计算切削速度为150米/分，与上表的数据吻合，而且在实践中证明3mm的刀具绝对要比2mm刀具磨损快。那

27、么我们能不能降低转速呢？也就是我们不用高速主轴电机加工行不行？降低主轴转速可以降低切削线速度，从而减少刀具磨损，但是要注意我们所面对的加工行业特点：精雕机的使用范围是小刀具精细雕刻的行业。使用的刀具都很小。尤其是我们客户现在所从事的加工大多都是要用小刀具加工的细小图案。这样的产品像我们前面进行加工区域分析的那样，精修加工占去了我们65的加工时间，如果没有足够的切削线速度，小刀具将无法实现加工，也就无法保证和提高加工效率。综上所述，我们在选择刀具时，在不超过材料的临界切削线速度的前提下，尽量选择直径相对较大的刀具。6、确定刀具的选择方案基于上述原因我们在这本培训教材中给出了高频模加工的用刀方案：

28、使用“底直径2mm，锥度20度”的锥刀或者“2mm螺纹铣刀”进行开粗加工。使用多把刀具清角的方式进行精修加工。这个结论以后大家在设计刀具路径的时候可以直接使用。这样即使学员一时不能够完全明白为什么这样选择刀具，在以后的使用中只要按照这个方案选择，也能够一次性完成加工。6.2.3 锥刀和螺纹铣刀的使用1、用锥刀生成开粗路径的注意事项在前面的学习中，我们首先讲解了在雕刻过程中我们可以选择和使用的刀具，以及每种刀具的优缺点和适用范围，又分析了开粗的加工思路和方法，给出了开粗、精修的加工工艺以及选择开粗、精修刀具的原则。我们可以选定“直径为2mm、锥度为20的锥刀”作为高频模开粗刀具，这是出于以下方面

29、的考虑：（1）客户的使用成本低，一般的客户都具备磨制的能力。（2）由于该刀角度较小、直径较大，在加工效率和刀具的耐用的程度上将有较好的表现。（3）加工的切削声音较为轻松，刀具磨损小、设备使用寿命长。使用“直径为2mm、锥度为20的锥刀”生成开粗路径要注意以下几个条件：（1）开槽加工中单次开槽深度不能超过0.5mm。（2）开粗加工中单次吃刀深度不能超过1mm。（3）开粗加工中侧向进给量不能超过0.5mm。（4）刀具应在24个小时内进行一次复磨。（5）在加工高频模时，锥刀开半刃的长度不宜过长，应该是用多少开多少，如高频模的加工深度为2mm，锥刀的半刃开到2.3mm就足矣。2、正确使用锥刀开粗的切削

30、效果精雕机是一个机械设备，它的磨损主要来源于磨擦，而机械精度和运动方式是磨擦的主要因素。机械精度低、运动方式不合理都会加大磨擦的产生、加速磨损。而磨擦的直接表现是加工时的声音：声音越沉重说明磨擦越大，也就是说磨损得越快。从机械设备本身来讲，机械精度是设备本身的问题。当设备选择了以后，能不能充分的发挥设备本身的性能，就要靠操作员（运动方式的决策者）的使用水平。打个比方说吧：汽车是现代生活离不开的重要交通工具。大家都见过这种现象：一个好司机可以把一辆品质一般的普通车开成“15万公里无大故障（如不抛锚）”的标杆车；一个“二把刀”的司机可以把一辆行驶不到10万公里的名牌车开成“一出门就有可能爬窝”的故

31、障车！究其原因，不少人讲好司机会保养，这是对的！而且十分重要！但是，更重要的是，好司机会开车！最明显的差异是：在同样的行车速度下，好司机的车跑得较为轻松，“二把刀” 司机的车跑得较为费劲。这一差异最明显的标志是“车跑起来的声音”！精雕机的使用与开车类似，关键是会不会用！按照给出的工艺方法加工，只要操作员使用的刀具无磨损，精雕机在加工59铜材料时会表现的十分轻松，声音清脆，给人的感觉是精雕机干活不累！刀具是否磨损，刀具是否好用，用刀是否正确，最直接的判断方法也是听声音。如果切削声音十分沉重、费劲、或者尖叫刺耳，这说明刀具的使用有问题、或者是刀具的质量有问题、或者是刀具装卡有问题、或者是刀具磨损了、或者是用刀参数不正确。此时应更换刀具，继续使用可能带来的就是“二把