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專用難切削材料的刀具

發(fā)布時(shí)間:2017-08-30 | 來源:互聯(lián)網(wǎng) | 作者:
  “在工業(yè)加工領(lǐng)域,目前的發(fā)展趨勢(shì)是與日俱增的難加工材料的應(yīng)用和刀具所受負(fù)荷程度越來越大。”位于Oberkochen地區(qū)的LMT公司的顧問Diethard Thomas博士說道。今天所采用的材料則以往更加難以加工。特殊的挑戰(zhàn)來自于對(duì)硬度較大,直至68HRC的鋼材、鈦金屬材料和復(fù)合材料的加工,尤其是高科技應(yīng)用場(chǎng)合所需的碳纖維復(fù)合材料(CFK)。屬于此類挑戰(zhàn)的還有使用越來越普遍的不銹鋼,因?yàn)樵诩庸み@種材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生很不利的切屑。

  圖1 針對(duì)CFK復(fù)合材料銑削加工的VHM微型銑刀和轉(zhuǎn)位刀具

對(duì)加工策略的優(yōu)化至關(guān)重要

較高或很高硬度的材質(zhì)要求較高的切削力和較大的刀片負(fù)荷,同時(shí)所產(chǎn)生的熱量也會(huì)較大。僅僅通過改進(jìn)切削刀具的材質(zhì)特性并不能解決問題:更需要做的是對(duì)刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、大阻力切割材料和相應(yīng)涂層進(jìn)行智能化的綜合整改。此外,對(duì)加工策略的優(yōu)化也顯得非常重要,例如長(zhǎng)短輻旋輪線銑削工藝。

在銑削高強(qiáng)度材料時(shí),通常會(huì)考慮縮小切削角度和準(zhǔn)備出相應(yīng)的切割邊緣。通過準(zhǔn)備出合適的切割邊緣,刀片的穩(wěn)定性可以得到增強(qiáng)。另外一個(gè)結(jié)構(gòu)性的措施便是放大邊角的半徑,這是因?yàn)榈镀吔撬艿降臋C(jī)械載荷和熱載荷最大。因此,銳邊的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致刀片提前磨損。在刀片材質(zhì)種類方面,只要是設(shè)備的狀態(tài)穩(wěn)定,就可以選擇具有很高K類熱硬度的微粒硬質(zhì)金屬材質(zhì)。否則的話,則P質(zhì)量就更有優(yōu)勢(shì)。合適的涂層不僅具有很高的硬度,同時(shí)也以很高的熱硬度而見長(zhǎng)。與少數(shù)幾個(gè)固定的材料相比,此類材質(zhì)的切割值有所降低。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合,每齒進(jìn)給量也下降大約20%。

刀具制造廠商所面臨的挑戰(zhàn)是非勻質(zhì)材料結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。在把CFK與例如鋁材相復(fù)合的結(jié)構(gòu)部件鉚接成所謂的垛材時(shí),必須對(duì)板材進(jìn)行鉆孔、鉸孔和倒角。迄今為止需要采取三道工序和最多用到三種不同的刀具?,F(xiàn)在,LMT Berlin公司對(duì)此研發(fā)出了一種刀具,采用這種刀具只需一個(gè)工序即可完成加工。這種帶有PKD刀片的“One-Shot-Drill”(一槍鉆)以擁有作業(yè)安全的多功能而見長(zhǎng),它可以避免噴濺、毛刺生成和分層現(xiàn)象。在顧及刀具更換時(shí)間的情況下,在CFK上鏜出1000個(gè)符合公差的孔,可以節(jié)省58%的成本。

  圖2 帶有ISO轉(zhuǎn)位刀片,用于對(duì)鈦金屬進(jìn)行粗加工的套式立銑刀。各齒排采用不同的刀片尺寸可以確保新型銑刀的良好性能

“對(duì)現(xiàn)代難加工高效材料的相應(yīng)切削刀具的研發(fā)工作實(shí)際上需要講究勤奮。”位于Düsseldorf地區(qū)的ZCC公司的產(chǎn)品經(jīng)理Nobert Reiche解釋說。在這方面并沒有捷徑可走,而是需要堅(jiān)韌不拔和對(duì)細(xì)節(jié)問題持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化的協(xié)作精神,例如切割材料的成分、涂層方式和結(jié)構(gòu)以及刀片的外形與布置等問題。對(duì)此則需要與用戶、Düsseldorf總廠里的硬質(zhì)金屬技術(shù)專家、涂層技術(shù)人員和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行緊密合作。研發(fā)工作主要在德國(guó)進(jìn)行,例如相當(dāng)關(guān)鍵的涂層范圍即為如此。

  圖3 配備有PKD刀片的One-Shot-Drill鉆具可以一次性實(shí)現(xiàn)鉆孔、鉸孔和倒角功能,并可避免斷裂、毛刺生成和出現(xiàn)分層

避免分層是CFK銑削中面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)

對(duì)CFK材料進(jìn)行銑削時(shí)所面臨的特別挑戰(zhàn)之一便是如何避免分層的問題,即復(fù)合材料里有一部分纖維被扯出。在這方面,刀片的幾何外形非常重要。單純降低6mm直徑范圍內(nèi)的刀片的幾何外形尺寸的做法并不湊效。在這個(gè)范圍內(nèi),ZCC公司在其自行研發(fā)的,直徑小至0.8mm的VHM微型銑刀上擁有專門的技術(shù)訣竅。

這種銑刀通??梢员粦?yīng)用到對(duì)高檔汽車和跑車的CFK部件的加工場(chǎng)合上。對(duì)可以使金剛石涂層達(dá)到極佳附著力的高效硬金屬合金的研發(fā)也是非常重要的。它對(duì)刀片的耐久性有著決定性的影響。

ZCC公司也在鈦金屬材料加工(例如航空航天)領(lǐng)域里潛心研發(fā)。鈦金屬合金具有冷硬化傾向并可構(gòu)成具有粘結(jié)特性的長(zhǎng)條切屑。冷硬化現(xiàn)象可以導(dǎo)致刀具快速變鈍。此外,尤其是在切削螺紋時(shí),鈦金屬的典型的彈性和強(qiáng)度特征會(huì)造成刀具“卡殼”。

若要達(dá)到優(yōu)良的加工品質(zhì),需要選擇鋒利的刀具、合適的角度半徑、正確的硬度和正確的進(jìn)給量。刀具的硬度要與材料的硬度相適應(yīng)。目前,ZCC公司與一家用戶和一家領(lǐng)先的涂層廠家一起,共同研發(fā)更好的、可加工精細(xì)部件的刀具,以達(dá)到很強(qiáng)的加工能力和一次成型銑削。對(duì)刀具形狀和刀片幾何外形的研發(fā)工作由ZCC公司負(fù)責(zé)實(shí)施,刀具涂層則由一家在業(yè)內(nèi)很有名的德國(guó)企業(yè)負(fù)責(zé),而用戶則負(fù)責(zé)各類試驗(yàn)。在經(jīng)過第一次試驗(yàn)失敗之后,所開發(fā)的七刀片刀具達(dá)到了可接受的效果。該研發(fā)團(tuán)隊(duì)期待著目前再次改進(jìn)的刀具外形能夠獲得關(guān)鍵性的突破。

在加工航空航天所需的鈦金屬結(jié)構(gòu)件時(shí),往往需要達(dá)到一個(gè)很高的切削容量,切削速率成為了一個(gè)很重要的競(jìng)爭(zhēng)力指標(biāo)。另一方面,在鈦金屬加工上也要戰(zhàn)勝極大的挑戰(zhàn)。鈦金屬合金的范圍很廣,在可加工性方面也存在著各種不同之處。從傳統(tǒng)的Ti6Al4V到諸如Ti10-2-3或Ti5553等的強(qiáng)度更高的合金。Ceratizit公司也是本領(lǐng)域里的一家專業(yè)化公司。這家位于盧森堡的切削加工廠商具備粉末冶金和應(yīng)用技術(shù)的加工能力。無論是針對(duì)渦輪鏟斗的高合金鋼、耐高溫材料,還是鈦金屬合金材料。

鈦金屬的熱導(dǎo)性能較差,因此切削刀具的熱負(fù)荷會(huì)加大,刀具的磨損風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)變得更大,這是因?yàn)榈毒呤艿降臒嶝?fù)荷會(huì)加大。另一個(gè)因素便是鈦金屬的潤(rùn)滑性傾向,因此切屑很容易會(huì)與轉(zhuǎn)位刀片焊結(jié)在一起,并在再次進(jìn)刀時(shí)會(huì)與刀刃周邊產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象。

針對(duì)各種不同的加工任務(wù),研發(fā)出相應(yīng)類型的刀具產(chǎn)品。轉(zhuǎn)位銑刀在大物料量加工場(chǎng)合可以達(dá)到極佳的效益,因此它通常是粗加工場(chǎng)合的首選刀具。而VHM刀具則主要適用于半精加工和精加工,其主要任務(wù)當(dāng)然也是這些方面,例如曲率半徑很小、鏤空和槽口尺寸很窄而無法采用轉(zhuǎn)位刀具等場(chǎng)合。容屑槽數(shù)大和軸向切削率高等,均屬于這種刀具的固有優(yōu)點(diǎn)。


  圖4 Ceratizit公司是一家在難切削材料加工領(lǐng)域里的專業(yè)化企業(yè)。高合金鋼、高耐熱材料和鈦合金材料均屬于其加工能力范圍

切屑的安全排放決定了生產(chǎn)流程

Mapal公司針對(duì)鈦金屬內(nèi)置結(jié)構(gòu)件的挑戰(zhàn)性加工,研發(fā)出了一種創(chuàng)新型的帶有ISO轉(zhuǎn)位刀片的套式立銑刀。據(jù)Mapal公司介紹,齒排上采用各種不同刀片規(guī)格,可以使這種新型銑刀達(dá)到很高的性能。刀片呈徑向安裝。“由于材料的可鍛性強(qiáng),刀片會(huì)經(jīng)受到比諸如鑄件加工更大的負(fù)荷。徑向安裝方式可以幫助刀片經(jīng)受住這種負(fù)荷。”該研發(fā)項(xiàng)目的高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理Axel Fleischer解釋道。在研發(fā)工作中,除了刀片及其最佳的安裝角度之外,銑刀的基體也至關(guān)重要。對(duì)經(jīng)過硬化和鍍鎳處理的特種工具鋼的選擇,是影響到銑刀基體功能的一個(gè)重要因素。

對(duì)內(nèi)部冷卻劑的輸送作了徹底的優(yōu)化,每個(gè)刀片均單獨(dú)接受冷卻劑的供給。最佳設(shè)計(jì)的冷卻劑輸送路徑與經(jīng)過拋光的大容量切屑腔室可以確保切屑的安全排放。在研發(fā)過程中,切屑腔室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然顯得有些繁瑣,但是對(duì)于銑刀的成功應(yīng)用來說,則非常重要。這是因?yàn)樵谇邢髀屎芨叩那闆r下,確保流暢的切屑排放是至關(guān)重要的。“對(duì)此也需要做大量的試驗(yàn)工作。”Mapal公司研發(fā)工程師Dietmar Maichel總結(jié)說道。

各個(gè)部分的優(yōu)化結(jié)果匯總起來的效果究竟如何,最初的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果可以給出答案。“航空領(lǐng)域里的一個(gè)用戶對(duì)采用新型Mapal鈦金屬加工銑刀所能達(dá)到的數(shù)值非常滿意。”這家位于Aalen地區(qū)的企業(yè)的項(xiàng)目負(fù)責(zé)工程師Jens Ilg如是說。在加工TiAl6V4鈦合金部件時(shí),采用了兩款直徑分別為50?mm(Z=4)和63?mm(Z=5)的新型銑刀,其最大切割深度為30?mm,每齒在全斷面切割時(shí)的進(jìn)給量為0.15?mm。

在航空航天領(lǐng)域,大約有三分之一用于鉚釘和螺栓緊固的復(fù)合材料孔是通過手動(dòng)工具進(jìn)行打孔的。因此,在設(shè)計(jì)刀具時(shí)需要特別重視對(duì)手動(dòng)工具所存在的無法避免的定位與穩(wěn)定性方面的不良影響進(jìn)行補(bǔ)償。

尤其是當(dāng)?shù)毒甙l(fā)出側(cè)向楔入力或需要耗費(fèi)很大的垂直力時(shí),孔的質(zhì)量、生產(chǎn)率和員工的注意力都會(huì)受到不良的影響。此外,在刀具發(fā)生斷裂時(shí),孔的下部便會(huì)產(chǎn)生毛刺、破裂和分層。倒角往往也會(huì)受到損壞。對(duì)鉆孔的典型要求是粗糙度Ra<4.8?μm,整個(gè)范圍內(nèi)的分層程度為<1?mm且無剝落現(xiàn)象。如果是金屬包覆的情況,則粗糙度要求為Ra<3.2?μm(<1.6?μm,金屬范圍),孔的誤差范圍為±0.02~±0.04?mm,而CFK的誤差范圍則為無切屑損傷現(xiàn)象出現(xiàn)。
 
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