发信人: hithere (行者), 信区: NTM
标  题: 高效加工（High Efficiency Machining）[转]
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年01月17日22:08:09 星期三), 站内信件


January 17, 2001                QUICK LINKS Awards/Grants/Scholarships Books
 Certification Education Foundation Education and Careers Expositions/Trade 
Shows Jobs Database Library Magazines Media Information/Registration Members
 Only Information Membership, Benefits of News Archives Technical Associatio
ns Technical Papers Training, Conferences Training, Online/Web Based Trainin
g, On-Site/Corporate Training, Seminars Vendors Vendor Products Videos Washi
ngton Report
October 2000 Manufacturing Engineering Vol. 125 No. 4
There's more to consider than spindle speed when designing your process
High-Efficiency Machining
By Philipp Andrae, Dipl., Ing., University of Hannover, Hannover, Germany
High cutting speeds are not the only way to create more effective metalcutti
ng processes. Don't overlook high feed rates at medium cutting speeds, herea
fter referred to as high-efficiency machining. It offers many of the advanta
ges provided by high-speed machining, such as less burr formation, lower cut
ting forces, and excellent surface quality after finishing, with high materi
al removal rates in roughing.
Because spindle power (rather than the characteristics of the workpiece and 
cutting tool) often imposes limits on cutting parameters, high spindle power
 is necessary for high-efficiency machining. High-speed cutting employs main
 spindles operating at extremely high rotational speeds and comparatively lo
w spindle power. In high-efficiency machining, main spindles with high power
 and torque at medium rotational frequencies (to 24,000 rpm) are applied.
The low cutting forces and deflection achieved during high-efficiency finish
ing are beneficial for workpieces requiring very high accuracy, surface qual
ity, and surface integrity--for example, milling of thin ribs, which in many
 cases can be done only by employing high cutting speeds.
When compared to conventional cutting, the technical and kinematic condition
s that develop during high-efficiency machining affect the wear characterist
ics of the cutting tool materials. These conditions include extremely short 
contact times between workpiece and tool, high contact frequencies, and high
 cutting temperatures with steep gradients. Furthermore, low chip thickness 
ratios, which result in higher contact lengths between chip and tool, occur 
in high-speed machining. As a result, the increased heat generated during th
e cutting process penetrates the tool, accelerating tool wear. Positive effe
cts on the surface integrity of the machined part arise from lower thermal l
oad experienced by the material. So-called partial heat zone softening can b
e avoided in high-efficiency cutting of aluminum alloys by using high feed r
ates and cutting speeds. Only technically difficult machining tasks where di
fficult kinematic conditions require low feed rates, e.g., linear or circula
r plunge milling, can produce partial heat zone softening.
Conventional spindles operating at up to 5000 rpm can reach the lower bounda
ries of high-speed cutting. As in most machining tasks, tool diameter is fix
ed because of design considerations, so rotational speed must increase to ac
hieve high cutting speeds.
The practicality of high cutting speeds depends to a great extent on the mat
erial to be cut. When cutting aluminum, true high-speed machining employing 
small-diameter tools requires a rotational speed above 100,000 rpm. Even wit
h today's high-speed machine tools, this rotational speed cannot be reached.
 However an enormous increase in material removal rate can be achieved by an
 appropriate selection of process parameters.
High-speed cutting means machining with high cutting speeds and low feed rat
es per tooth. But in many cases, the use of high cutting speeds is not advan
tageous. In high-efficiency machining of aluminum alloys, the highest materi
al removal rates (up to 5000 cm3/mm) are reached at rotational frequencies n
o higher than 18,000 rpm.
High-efficiency machining combines the advantages of high-speed machining fo
r finishing and high material-removal rates in roughing by using medium cutt
ing speeds (up to 2000 m/min when machining aluminum alloys) and high feeds 
per tooth of up to 0.3 mm. Especially in roughing, rotational speed is parti
cularly important. The spindles used on high-speed-machining equipment suppl
y maximum power across a limited speed range. Roughing is most efficiently d
one at maximum spindle power, so the rotational speeds that can be chosen du
ring roughing are limited.
When spindle power is limited, as spindle speed increases, material removal 
rate decreases significantly. One reason is the increasing ratio of idle pow
er to total power. Another is the decrease in feed per tooth, which causes h
igher friction during cutting. Because of these factors, roughing during hig
h-efficiency cutting should be carried out at lower rotational speed and hig
her feed rate per tooth. With the tools used at our laboratory, feed rates p
er tooth of 0.4-0.5 mm have been reached, without problems caused by the hig
h section of cut. Power demand depends on the geometry of the tool edge as w
ell as on tool length. Tool vibration increases power losses.
The material removal rate equals the product of the feed rate, contact width
, and depth of cut. There is a limit to the increase in feed rate because of
 machine dynamics. In machining tasks with a short travel length, only limit
ed feed rates can be reached because of the limits on the acceleration of th
e axis of the machine tool. Fundamentally, to achieve high material removal 
rates, high feed rates at low cutting depths should be used. In many manufac
turing tasks, high cutting speeds do not reduce production time because of t
he time required for spindles to reach high rotational speed.
Tool clamping systems are critical to the attainment of high productivity an
d process quality in high-efficiency machining. Both the interface spindle-t
ool holder and the clamping device are important factors in obtaining good r
esults in high-efficiency machining. The interface is situated directly in t
he force flow between workpiece and machine. Its design must be compatible w
ith rapid automatic tool change as well as the highest accuracy and repeatab
ility.
Due to the high rotational speeds employed in high-efficiency machining, the
re are centrifugal effects on both the spindle cone and the tool taper. The 
spindle expands more than the tool, and so the tool displaces axially becaus
e of the clamping force. Furthermore, the centering of the tool is no longer
 guaranteed. After the spindle stops rotating, the elastic deformation decre
ases, and a press fit develops that is difficult to release.
When used at high cutting speeds, ISO tapers are not ideal. Their disadvanta
ges include: large mass and size; lack of rigidity of the machine tool socke
t (which may distort under high centrifugal forces at high rotational speeds
); and poor repeatability during tool changing.
These problems encouraged the development of the interface HSK taper (DIN 69
893). The system has a taper of 1:10, with a hollow shank and taper sizes of
 50, 63, 80, and 100 that correspond to ISO sizes 30, 40, 45, and 50, respec
tively. This new system has half the mass of a conventional taper, high tool
 change accuracy and repeatability, high rigidity, and high torque transmiss
ion. And as rotational speed increases, because the centrifugal forces act o
n the internal faces of the toolholder, clamping pressure increases.
In addition to the interface spindle/ toolholder, the selection of the tool-
clamping device is critical to high-efficiency machining. Depending on the m
anufacturing process, different requirements have to be met:
* high rigidity,
* high accuracy,
* high transmissible torque,
* suitability for operation at high rpm.
In reaming operations, the floating bushing's flexibility is a particular ad
vantage. It works satisfactorily in conventional machining, but can only han
dle a narrow range of rotational speeds. Today, new cutting materials and to
ols make high cutting speeds attainable in reaming operations. When reaming 
aluminum alloys, it's possible to cut at 15,000-20,000 rpm, especially with 
small tools. The floating bushing isn't suitable at these speeds.
Collet chucks can accommodate many different diameters, and developments in 
ultraprecision collet chucks have improved their clamping accuracy and rotat
ional-speed range. However, the limited torque transfer capacity of the coll
et chuck, and the handling problems associated with collet chucks, are obsta
cles.
Number of revolutions and feed speed depend on tool diameter.
In high-efficiency machining, the most frequently used clamping devices are 
the hydraulic-expansion chuck and the heat-shrinking chuck. The latter provi
des superior torque transfer and radial rigidity. Tool changes, however, are
 time-consuming, and it's not a flexible technique. Hydraulic expansion chuc
ks provide somewhat smaller torque transfer, but simpler handling than heat-
shrink. At high rotational speed, the chuck expands, reducing its chucking p
ower. But frequent repetition of loading and releasing steps can also reduce
 the chuck's clamping power.
Apart from the torque transfer and clamping effect in the tool's axial direc
tion, the design of the clamping device significantly influences process qua
lity. In one case, when different hydraulic expansion chucks were used, with
 the same tools and process parameters, strong tool vibration generated sign
ificant noise and quite inferior workpiece surface quality. It's not possibl
e to recommend a particular design. On the contrary, the clamping device mus
t be tested for the planned processing conditions and, if necessary, a rotat
ional speed or feed rate outside the component's critical area must be selec
ted.
Generally, however, heat-shrink chucks are preferable for high-efficiency ma
chining, because they are less sensitive to vibration.
High-efficiency machining makes great demands on cutting tools because of th
e high rotational speeds employed. The cutting material and tool geometry ar
e decisive criteria when choosing a tool. During conventional machining, loa
d on the tool is determined by the temperature at the tool-workpiece contact
 and the machining forces, but the influence of centrifugal force and vibrat
ion increases during high-efficiency machining. Tool balancing must be done 
to a high standard, and security characteristics become important. Security 
measures, which prevent the launch of a broken tool or a workpiece through t
he machine guards, should keep the principle "safe and balanced by design" c
onstantly at the forefront.
Cemented carbide tools are predominantly used with average widths of cut. To
 ensure a constant load on the tool's single cutting edge, its radial runout
 should be kept low. To achieve smooth running, cutting edge overlapping is 
decisive. The following cutting edge should be in contact with the workpiece
 while the preceding cutting edge is penetrating the workpiece material. Man
ufacturing engineers must ensure that there's an adequate chip evacuation pa
th for the transport of chips when doing high-efficiency cutting of aluminum
 alloys. High stiffness and minimized notch effects are further demands on c
emented carbide tools used in high-efficiency cutting.
A number of tools already meet the demands of high-efficiency machining. Cem
ented carbides (coated and uncoated), cermets, ceramics, polycrystalline dia
mond (PCD), and polycrystalline cubic boron nitride (PCBN) represent a range
 of cutting materials applicable to high-speed machining.
Circular milling vs. conventional machining.
Coating technology strives to combine tough substrate materials with a wear-
resistant and friction-diminishing layer of hard material. Suitable tools ma
ke it possible to apply higher cutting speeds and increase tool life.
New developments are taking place in tools with complex geometry, like end-m
ill cutters or drilling tools. Until recently, only cemented carbide tools w
ere available with helical cutting edges. End-mill cutters made of PCD or PC
BN have straight cutting edges, which are inserted into the tool with a shaf
t angle of 2-3o.
Spiral tools made of hard materials like PCD and PCBN are very expensive. Co
nsequently, they are not widely used for the machining of aluminum alloys be
cause cemented carbide or coated cemented carbide tools already offer high t
ool life.
When machining aluminum components, high-efficiency cutting can reduce produ
ction time and cost by increasing material removal rate. Especially in the a
erospace industry, where cutting rates up to 95% are common, machining at hi
gh cutting speed and feed reduces production costs.
Here are some conditions that are necessary for the successful application o
f high-efficiency cutting, as well as selected results for drilling, reaming
, and milling of aluminum wrought alloys.
Drilling and Reaming. Drilling is frequently done with multispindle drilling
 heads, which mechanically define the hole pattern and the positions and cle
arances of single drillholes. A new workpiece requires costly changes to the
 machine tool. High-efficiency drilling can improve operational flexibility.

Consider a conventional machine tool capable of acceleration of 0.1 g and a 
high-speed machine capable of 1 g acceleration. Because of the higher accele
ration of the latter, production time can be reduced to 25% of that required
 by conventional machining. Time saved per hole, however, amounts to about 0
.1 sec. It's clear that ancillary operations (e.g., tool change, run-up time
 of the spindle) have a strong influence on production time. Time consumed b
y these operations naturally depends on the number and the position of the d
rillholes in the workpiece, so it's necessary to design the machining sequen
ce with these characteristics in mind.
The distance covered during the acceleration and deceleration process depend
s on the acceleration ability of the feed axis. Within this distance, unstea
dy process behavior arises and results in quenching, especially when the dri
ll reaches the hole bottom and reverses. (By quenching, I mean that a plasti
c deformation, rather than cutting, takes place. It's commonly observed at t
he tip of a drill, where cutting speed is zero.) These effects can significa
ntly shorten tool life.
Potential and demands of high-efficiency machining.
High-efficiency drilling is limited by the need to remove chips. Also, heat 
cannot leave with the chip as quickly as during milling or turning, so it go
es into the drilling wall and the tool. These problems underline the importa
nce of carefully adjusting cutting parameters. High-efficiency drilling can 
reduce costs if the process design is adapted to the workpiece geometry.
After a drilling operation, reaming is often done to improve hole quality. H
igh-efficiency reaming of aluminum materials often uses multiple-edged tools
 with PCD inserts or diamond-coated inserts. It's also possible, however, to
 use conventional cemented-carbide reaming tools. The high feed rate is the 
parameter that significantly reduces production time.
High reamer precision (2 μm) and high toolholder stiffness are very importa
nt to achieving reproducible process results. The reaming tool must be fixed
 in a heat-shrink chuck or a hydraulic-expansion chuck. In one application t
hat required a total of 150 reamed holes, a surface finish of Ra 1.0 μm was
 achieved. The chosen feed rate of 3180 mm/min surpassed the feasible feed r
ates of conventional aluminum machining by a factor of 30.
Face Milling. Manufacturing engineers frequently use face milling to remove 
the greatest possible quantity of material from large workpieces. Maximum sp
indle power is a decisive factor in the design of the cutting process. By co
mparing material removal rates before exceeding maximum power, it's evident 
that higher feed rate per tooth is a better way to achieve higher productivi
ty than high cutting speeds. Increasing spindle rotational speed results in 
a decrease of spindle power available for the cutting process because of the
 increase in power consumed during idling.
In the area of subcritical power input, surface roughness rises in an almost
 linear fashion with increasing tooth feed rate. If the power limit is reach
ed, an automatic reduction of the feed rate and rotational speed leads to a 
slight improvement in surface roughness.
End Milling--Roughing. Roughing with end-mill cutters is of special importan
ce for high-efficiency cutting of aluminum alloys. In the aerospace industry
, it's typical to remove up to 95% of a blank. The object of this machining 
operation is to reach maximum material removal rates by using the available 
machine power. On the one hand, high material removal rates result in a diff
icult chip-removal problem. On the other, the demand for high tool working l
ength produces a tendency to vibrate. So it's necessary to optimize the tool
s for this special condition.
Noise emissions exceeding 100 dBA can occur during roughing. During experime
nts, it was evident that the dominant sound frequencies generated during rou
ghing are higher than the tool engagement frequencies. Further observation d
etermined that reducing tool vibration was the best way to suppress noise em
issions. In addition to optimizing cutting edge geometry, tool stiffness was
 increased. After the optimization of the tools, noise emissions during the 
roughing process decreased by about 20% (dBA), which means the subjective no
ise load fell to 25% of what it was previously.
Circular Milling Replacing Drilling. Circular milling makes it possible to m
achine different hole diameters with a single tool by adjusting the NC progr
am. A disadvantage of conventional drilling results from the fact that the d
iameter of the tool is determined by the hole diameter. Each change in hole 
diameter requires the purchase of a new drill, and subsequent storage of the
 drill. Furthermore, fabrication process flexibility is limited, and it's ha
rd to shorten ancillary process times.
Because CNCs facilitate circular plunge milling by circular interpolation, a
nd because during the high-speed cutting of light alloys higher and higher c
utting capacities are achieved, circular milling has become more important. 
With circular milling, it's possible to produce holes of different diameters
 (from about 1.3-2 X tool diameter) with one tool. This capability reduces t
he time consumed by ancillary operations. Moreover, adjusting the control pr
ogram can accommodate changes in drillhole diameters.
Compared to conventional drilling, there are further advantages to using cir
cular milling to create holes:
* No compression and quenching effects at points where cutting velocity is z
ero--as at the tip of a drill--because cutting during circular milling takes
 place at the tool periphery;
* Improvement of chip breaking by interrupted cutting; and
* Easier chip removal.
This process significantly reduces the time consumed by ancillary operations
, as well as the number of tools required. Conventional machining of fitted 
bores for one diameter requires two tools (drill and reamer). Circular milli
ng can do the work of drills ranging from 12 to 32 mm with only three tools.
 Although circular roughing takes longer than drilling, the total operating 
time can be shortened by around 25%. The quality of the drilled holes produc
ed by circular milling does not, however, equal the quality of fine boring.
During fine boring, concentricity errors of 1-3 μm can be reached; circular
-milled holes exhibit errors two to five times greater. This inaccuracy can 
be attributed to several sources, including spindle, toolholder, and tool im
balances. Precise motion coordination of the axes is also important because 
deviations from nominal shape can occur during acceleration at the quadrant 
changeover.
The surface quality achieved by circular milling equals the surface quality 
produced by reaming. Another circular milling process already used is thread
ing. A thread is machined into an existing borehole by an axial movement sup
erimposed upon the circular motion. Inadmissible drifting of the thread mill
 does not occur even if small-diameter tools are used.
Copyright ? 2001 Society of Manufacturing Engineers

--
 ____      
(__  ╲○       
(  ╲  ╲    
 )●_〗  )   走四方，
(- /  |▔      路迢迢，
 ▔)   ╲        水长长 ... ...

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.228.123]