好马配好鞍!论刀柄在刀具应用中的地位!

国际金属加工网 2016年10月10日

随着高精度高速切削技术的发展,数控机床刀具系统的刚度、精度、耐用度及动平衡性能等方面要求更为严格。适应高速切削的刀具系统的高效解决方案成为高效率、高质量加工的关键。

刀具系统包括刀具、刀柄等,是数控机床的重要配置之一,刀具系统不仅影响数控机床的生产效率,而且直接影响零件的加工质量。尤其是在高速切削的条件下,刀具系统的动平衡性能非常重要,刀具系统微小的不平衡性会导致巨大的离心力,造成机床系统整体工作的不稳定,对于工件质量以及刀具寿命都具有不利影响。同时刀具系统的连接又存在着很多亟待解决的现实问题,传统机床的连接方式已经不能够满足高速机床连接系统的精度以及刚度要求,而刀具系统的静、动刚度是影响加工精度及切削性能的重要因素,刀具系统刚度不足会导致刀具系统的振动,从而降低加工精度,并加剧刀具的磨损,降低刀具的使用寿命。因此,针对不同行业需求及工况,应用于高速、重载切削的刀具系统及其高效解决方案得到了广泛的研究和应用。

新型刀柄的开发应用

刀柄是机床和刀具的关键连接环节,对整个加工系统的性能有着很重要的影响,合适的刀柄可以最大程度延长刀具寿命,获得最佳的工件表面加工质量。高速切削加工要求刀柄应具有较高的重复定位精度、径向跳动小、夹紧力大且稳定可靠、动平衡性及刚性好等优点。高速切削加工用刀柄的发展趋势是采用双面过定位原理,提高刀柄系统的结合刚度,同时解决好刀柄过定位带来的相关问题,并不断改善刀柄材料的性能。

肯纳公司开发了BTKV高扭矩液压刀柄,悬伸长度小,前壁横截面更大,具有更好的刚性,这种设计方案确保更高的切削参数,以及更好的表面加工质量。与常规型液压刀柄相比,夹持力增大3倍以上,在直径/悬伸量2.5倍的情况下,跳动量仅为3μm。在25 000 r/min转速下,产品动平衡性能为G2.5,因此在高速切削加工时振动小,加工效率更高。在锁紧/解锁操作中,它采用简便的侧面驱动方式,机械限位锁紧装置,调整长度为10 mm,可产生稳定可靠的夹持力,可以对20 mm和32 mm产品直接夹持。在铣削钻孔铰削和其他旋转加工应用中,BTKV高扭矩液压刀柄可大幅度延长刀具寿命、提高工件表面加工质量。

针对薄壁零件的切削,细长杆的车削、镗削和铣削,所使用的大长径比刀杆等加工时产生的切削振动问题,山特维克可乐满公司开发了Silent Tools减振刀柄,通过刀体内部的减振机构将切削振动消减至最小,同时在较短的悬径比下如3~4倍的悬伸的时,使用Silent Tools减振刀柄既可以改进零件表面质量也可大幅提升生产效率,获得良好的稳定性和加工精度。实验证明,在工艺连接凸缘的典型内孔粗加工中应用Silent Tools减振刀柄,大大减小了切削振动,能够将主轴速度提高一倍多,并使生产周期缩短了1/3,生产效率提升了188%。

热胀刀柄径向跳动很小、夹紧力大,使用这种刀柄能较好地保持刀具的位置精度,可获得加工精度高、表面粗糙度优良及刀具使用寿命长的效果,因此热胀刀柄在解决高速精加工中的平衡、振摆精度及夹紧度等问题更具优越性。德国Bilz公司开发了TSF系列热胀刀柄,细长的外形避免了加工中与零件的侧壁出现干涉,动平衡<1g.mm/kg,圆周跳动小于0.003mm,在精密平衡仪的帮助下高速运转时无干涉,非常适用于高速切削。同时为了满足加工中内冷的需要,Bilz公司推出了SCK内冷刀柄,冷却液压力可达50 bar(1 bar=105 Pa),主轴转速可达15 000 r/min并提供双通道适用于微量润滑(MQL)加工,可实现一致、高质量的切削性能,过程安全,刀具寿命延长高达100%。

刀具在不同行业的解决方案

刀具是高速切削加工工艺系统中关键因素之一,随着各应用领域越来越苛刻、多样化的需求,刀具面临着新的挑战。为了顺应不同用户的个性化需求,从仅针对刀具产品的研制转变为完整刀具解决方案的开发,才能最大程度提升刀具的竞争力。

航空航天领域零件精度高,且大量采用高温合金、钛合金、复合材料等重量轻、耐蚀性和耐高温性好的材料,以满足其产品性能,但这些高粘性、高塑性和高强度的难加工材料,对刀具的质量及性能提出了很高的要求。山特维克可乐满公司针对航空发动机压气机中的整体叶盘,对高温合金粗加工开槽采用50°螺旋角,带避空的整体硬质合金圆角立铣刀,应用摆线铣削技术,控制铣刀与工件的接触弧长,由于切削力较小,可以采用较大的铣削深度,实现刀具平稳地逐渐切入和逐渐切出工件;对叶片的精加工采用锥度球头立铣刀进行大铣削深度的侧铣加工。机架中央翼盒由几种复合材料构成,通常还覆以铝合金和钛合金叠层,对制造工艺、刀具安全性和表面质量提出了更严峻的挑战。

由于材料加工特性之间存在巨大差异,因此诸如排屑、高效生产和孔的质量等问题就变得越来越棘手。对此,山特维克可乐满公司提出针对CFRP/钛合金叠层材料的孔加工,采用直径为9.525mm的86PT钻尖形式及CD10烧结金刚石钻头;针对CFRP/铝合金叠层材料的孔加工,采用直径为9.525mm CoroDrill854钻头及N20C金刚石涂层,并给出了相应的切削参数。针对飞机起落架零部件的非标定制槽铣刀,在刀片式铝合金高速铣刀的基础上,瓦尔特推出了PCD金刚石高速铣刀,与现有的硬质合金铣刀相比,金属去除率提高了60%,平均寿命是原来的10倍以上。山高公司开发了新型CW100碳化硅晶须(Al2O3-SiCw)的氧化铝刀片,加工困难材料时具有出色的耐磨性、抗断裂韧性和抗沟槽磨损性,并且在高温情况下具有高超的硬度,有效解决了Waspaloy、HRSA等耐热高温合金的割槽作业。

医疗器械零件所使用的材料精度非常高,高度耐腐蚀和耐磨损的钛合金、不锈钢与特殊合金等难加工材料是对高效切削的典型挑战,同时严格的交货时间限制,不断要求提高的生产效率等等,对刀具及其解决方案提出了更高的要求。髋关节植入物通常由钴铬合金(ASTM F1537)、钛合金(Ti6Al4V ELI)或医用级不锈钢(316LVM)制成,山特维克可乐满公司提出对其中的内、外球面的圆弧采用正前角圆刀片进行坡走铣加工,可以获得更长的刀具寿命、更低的刀具断裂可能性,在较短的加工时间内获得高质量表面;对于股骨头锥形孔加工使用CoroDrill846进行钻削,并精车锥形孔,以减少振动并获得平底孔。

山高公司针对人工关节常用钛合金和钴铬钼合金的加工,研发了不同角度、材质及涂层的刀具。对于聚乙烯高分子材料能够实现一刀铣削完成,无需二次加工,一刀成型的技术加工时间约为5 s,而且加工表面质量远高于传统工艺,不仅在刀具成本上可节省50%,加工效率也提高了25%。瓦尔特公司的刀具在医疗行业的应用主要集中于接骨螺钉、植入管等部分对精度要求极高的小尺寸医疗器具的加工,其开发的“老虎刀片”Tiger-tec涂层和微晶基体为加工工艺提供了最大稳定性,同时锐利的切削刃确保了产品无毛刺和无积屑瘤。

如今大多数刀具生产商都不仅对刀具系统加大研制开发力度,以满足日益严格的加工要求,而且注重针对某一具体的应用领域提供专业化生产与服务,如为航空航天、医疗器械等不同领域的加工制造提供专业的整体高效解决方案,并在这种整体解决方案的基础上实现标准化及通用化。刀具行业发展到现在,实现了从标准刀具到高精度、高效率、高可靠性专用刀具的过渡,从而帮助用户减低了生产成本,提高了生产效率,并且大大提高了产品质量。


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