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刀具加快步伐适应现代切削需求

  高速切削、干切削硬切削作为当前切削技术重要发展趋向,其重要地位角色日益凸显。对这些先进切削技术应用,不仅令加工效率成倍提高,亦着实推动了产品开发工艺创新进程。例如,精密模具硬质材料型腔,采用高转速、小进给量小吃深加工,既可获得很高表面质量,又能够省却磨削、EDM手工抛光或减少相应工序时间,从而缩短生产工艺流程,提高生产率。

  过去一些企业制作复杂模具时,基本上都需要3~4个月才能交付使用,而现采用高速切削加工後,半个月便可完成。据调查,一般工模具,有60%机加工量可用高速加工工艺来实现。

  高速加工时,不但要求刀具可靠性高、切削性能好、能稳定地断屑卷屑、还要能达成高精度,并能实现快换或自动更换等。因此,对刀具材料、刀具结构、以及刀具装夹都提出了更高要求。

对刀具材料要求

  高速加工刀具最突出要求,既要有高硬度高温硬度,又要有足够断裂韧性。为此,须选用细晶粒硬质合金、涂层硬质合金、陶瓷、聚晶金刚石(PCD)聚晶立方氮化硼(PCBN)等刀具材料—它们各有特点,适应工件材料切削速度范围也都不同。例如,高速加工铝、镁、铜等有色金属件,主要采用PCDCVD金刚石膜涂层刀具。高速加工铸件、淬硬钢(50~67HRC)冷硬铸铁主要用陶瓷刀具PCBN刀具。

  上海大众汽车有限公司采用Seco刀具(上海)公司生产立方氮化硼CBN300刀片面铣刀,柔性生产线上高速铣削发动机缸体平面(铸件),切削速度高达1600m/min,进给速度5000mm/min。用PCD刀具加工铝合金切削速度一般为3000-4000m/min,最高更可达7500m/min。而用陶瓷PCBN刀具加工淬硬钢冷硬铸铁时切削速度已达200m/min。

  1. 硬质合金已迈入细晶粒超细晶粒阶段

  涂层硬质合金刀具(如TiN、TiC、TiCN、TiAlN等)虽其加工工件材料范围广,但抗氧化温度一般不高,所以通常只宜400-500m/min切削速度范围内加工钢铁件。对於Inconel 718高温镍基合金可使用陶瓷PCBN刀具。据报道,加拿大学者用SiC晶须增韧陶瓷铣削Inconel 718合金,推荐最佳切削条件为:切削速度700m/min,吃深为1-2mm,每齿进给量为0.1-0.18mm/z。

  目前,硬质合金已进入细晶粒(1-0.5μm)超细晶粒(<0.5μm)发展阶段,过去细晶粒多用於K类(WC+Co)硬质合金,近几年来P类(WC+TiC+Co)M类(WC+TiC+TaC或NbC+Co)硬质合金也向晶粒细化方向发展。

  以往,为提高硬质合金韧性,通常增加钴(Co)含量,由此带来硬度降低如今可以通过细化晶粒得到补偿,并使硬质合金抗弯强度提高到4.3GPa,已达到并超过普通高速钢(HSS)抗弯强度,改变了人们普遍认为P类硬质合金适於切钢、而K类硬质合金只适於加工铸铁铝等有色金属选材格局。

  采用WC基超细晶粒K类硬质合金,同样可加工各种钢料。细晶粒硬质合金另一个优点刀具刃口锋利,尤其适於高速切削粘而韧工件材料。以日本不二越公司开发AQUA麻花钻为例,其用细晶粒硬质合金制造,并涂覆耐热、耐摩擦润滑涂层,高速湿式加工结构钢合金钢(SCM)时,切削速度200m/min,进给速度1600mm/min,加工效率提高了2.5倍,刀具寿命提高2倍;干式钻孔时,切削速度150m/min,进给速度1200mm/min。

  2. 涂层提升到开发厚膜、复合多元涂层新阶段

  现如今,涂层已进入到开发厚膜、复合多元涂层新阶段,新开发TiCN、TiAlN多元超薄、超多层涂层(有超薄膜涂层数可多达2000层,每层厚约1nm)与TiC、TiN、Al2O3等涂层复合,加上新型抗塑性变形基体,改善涂层韧性、涂层与基体结合强度、提高涂层耐磨性方面有了重大进展,全面提高了硬质合金性能。

  涂层刀具已成为现代切削刀具标志,刀具使用比例达到60%。涂层硬质合金刀具产品现已呈现品牌化、多样化通用化趋向。例如,德国施耐尔(Schnell)公司用纳米技术推出一种超长寿命LL涂层立铣刀,用其加工零件硬度超过70HRC淬硬模具钢材时,刀具寿命可延长2-3倍。

  瑞典Sandvik公司新推出3种涂层刀片(GC4225、GC4240、GC1030)具有较广通用性,GC4225(突破一号)作为GC4025(P25)牌号升级产品,用其加工汽车曲轴钢锻件时,相同切削条件下刀具寿命为每个切削刃可加工41个零件,而GC4025每个切削刃能加工零件数目为14个。

  山高(Seco)Jabro全新推出整体硬质合金通用加工铣刀Solid2 系列刀具不仅采用了新材质,更导入新涂层,可适用加工温度由普通刀具800摄氏度提高到了现有1100摄氏度,显着提高了加工效率刀具寿命。同时,Solid2 系列均采用了刃口钝化处理径向全周铲背处理技术,使得刀具涂层与材质结合更加完美,刀具可重磨次数也大幅提高。

  美国Kennametal公司推出H7刀片系TiAlN涂层,专为高速铣削合金钢、高合金钢不锈钢而设计。而德国Guhring公司推出商品名为“Fire”孔加工刀具涂层,则一种通用性复合涂层—融汇有TiN、TiCNTiAlN三种涂层,兼具这三种涂层材料优点,既适用於干切削硬切削,也适合普通切削。

  特别值得强调,近几年发展起来硬质合金表面涂覆金刚石技术,使硬质合金不仅黑色金属领域,而且有色金属领域切削效率获得了全面提高。由此可知,硬质合金今後仍将制作高速加工刀具主要基体材料。

  目前,美国、瑞典日本都相继推出了金刚石涂层丝锥钻头、立铣刀带断屑槽可转位刀片(如Sandvik公司CD1810美国Kennametal公司KCD25牌号)等产品,用於有色金属非金属材料高速精密加工。而另一种适於加工钢铁材料CBN涂层也已开发成功,并正走向工业试用阶段。

对刀具几何参数断屑槽要求

  1. 几何参数

  高速切削干切削时,刀具主要失效原因月牙洼磨损刀尖处热磨损。这由於刀具与切屑、以及刀具与工件接触区界面上温度较高所引起。因此,高速加工比普通切削加工时刀具前角要取得稍大一些,以降低切削区温度,并刃口上作出负倒棱。

  为防止刀尖处热磨损,主副切削刃连接处应采用修圆刀尖或倒角刀尖,以增大刀尖角,加大刀尖附近刃区切削刃长度刀头材料体积,以提高刀具刚性减少切削刃破损概率。

  美国Carboloy公司推出一种适於干切削用ME-13新型硬质合金刀片,其具有大前角(达34°)、加强刃并有一个带筋前刀面,显着减少了切屑与刀片前刀面之间接触面积,使产生热量被切屑带走。据称,这种刀片工作时温度比传统刀片要低400℃,能显着减小切削力并使刀具寿命提高一倍以上。该公司用大前角涂层硬质合金齿冠立铣刀高速铣削硬度高达55HRC模具钢时,切削速度120m/min,进给速度7.6m/min,轴向吃深0.51mm,径向吃深0.25mm,采用干式切削,刀具使用寿命则长达1.5h。

  国外还开发了带正前角螺旋形切削刃铣削刀片,使刀具有更合理几何参数,刀片沿切削刃几乎有恒定不变前角,背前角或侧前角可由负变正或由小变大,切削更加轻快平稳,使可转位面铣刀、立铣刀槽铣刀切削性能提高到一个新水平,刀具寿命可提高50%-250%,切削效率提高30%-40%。

  美国一家公司采用这种新型刀片制作立铣刀干铣削17-4PH不锈钢周边,切削用量为:铣削速度304m/min,进给速度1270mm/min,每齿进给量为0.14mm/z,20S去除余量36cm3。

  2. 断屑槽型

  为能稳定地断屑卷屑,刀片上须作出合适断屑槽型。目前,可转位刀片上三维曲面断屑槽型设计制造技术已较为成熟,针对不同工件材料不同切削用量,业已开发出相应通用断屑槽型系列。

  如瑞典Sandvik公司推出R、MF等槽型系列(钢材粗加工、半精加工精加工相应采用PR、PMPF槽型,切不锈钢时用MR、MMMF槽型,切铸件有色金属用KR、KMKF槽型),以及以色列Iscar公司以“霸王刀”为典型槽型设计都独树一帜。

  这些刀片上断屑槽断屑范围宽,适应性好。它们都具有空间切削刃曲面前刀面,切削刃上法前角可调整为零度或负值,而工作前角为合适正值,所以切削力小,刃口强度高,抗高速时磨损能力强,预示着高速加工刀具刃形结构发展方向。

开发与采用新型刀具,以适应现代切削技术需求

  近几年来,工具行业为汽车摩托车、高速列车航空航天模具等行业开发各种新型刀具,具有高效或创新工艺特点,对推动这些行业加工技术进步起到了重要作用。

  1. 应对用户行业需求 各领先公司频推新品

  如德国Guhring公司推出加工铝合金缸盖用成套刀具(包括面铣刀、导管孔阀门座复合镗刀、阶梯孔镗刀、整体硬质合金直槽钻、阶梯钻、鍃钻等);日本东芝公司高效陶瓷铣刀、金刚石铣刀(铣削速度高达4000 m/min)及硬质合金孔加工刀具;Sandvik公司推出CoroPak08.1新一代高效刀具(覆盖了铣削、车削钻削等领域),如CoroMill 490高效方肩铣刀,一次走刀即可生产出成品(最大吃深可达5.5mm),也可用於轮廓加工刃边切削,甚至用於槽铣。

  还有Iscar公司新研发SUMO(束魔)全系列刀具产品,如用於模具加工而能替代高速钢(HSS)立铣刀整体硬质合金立铣刀变形金刚立铣刀、适於铣深腔(切深达8 mm)风火轮铣刀,以及高进给率密齿型铣刀(用迷你型蝴蝶刀片)、可高效铣削UPGRADE铣刀、能同时完成粗精加工波形刃立铣刀;日立公司新研发ASR多刃型高进给圆弧角铣刀,能对模具型腔进行小切深高进给加工,用Φ32mm-5刃圆弧角铣刀(使用JX1045超润滑涂层刀片)铣削40CrMnMo7钢材时,切削用量为:铣削速度300m/min(转速3000r/min),进给速度为过去2刃铣刀2.5倍,可达50m/min,每齿进给量3.3mm/z,切深0.3mm。

  山高车削新材质等级TP3500已於近日全新推出,这使得该公司用於ISO P应用领域(钢件车削)DuratomicTM材质等级系列进一步得到充实。TP3500良好韧性能满足更多客户需求,它提供韧性水平同样也适於ISO M应用领域(不锈钢车削)。

  TP3500各种加工(从精加工到重载断续切削)均能发挥出同样高超性能。无论处理粗加工断续车削、小零件车削还不锈钢车削,即便恶劣工况,新型Duratomic TP3500材质等级高韧性都将确保加工高效率。TP3500可靠、通用,而且干、湿加工均可。因此,它采用混合生产时一个理想选择。

  值得一提,为满足汽车制造业其它行业不断增长需求,Kennametal集团旗下德国WIDIA公司开发出了一系列成套高效刀具。加工曲轴方面,它拥有曲轴内铣、曲轴高速外铣、车拉、车车拉等各种高效专用刀具。如采用多排车车拉刀具,可32秒加工出一根曲轴,据称世界上已有1800多个用户使用WIDIA公司专用刀具进行曲轴生产。

  美国Kennametal公司近年来推出SPF钻头Harvi ⅡTM系列整体立铣刀,深受用户青睐,前者适於加工航空航天工业碳纤维强化聚合物基复合材料(CFRP),这种材料大量地使用机翼、机身、尾翼、推进着陆等装置。

  SPF钻头钻尖具有特殊几何形状,使得钻头定心性好且令刃口十分锋利,避免了钻孔时产生分层纤维不能切断现象;钻头基体材料为整体硬质合金,表面多层光滑CVD金刚石涂层,故其耐磨性高、排屑性能好,钻头使用寿命可达普通PCD(聚晶金刚石)钻2倍以上。

  Harvi ⅡTM系列整体立铣刀加工不锈钢及钛合金、镍基合金等耐加工材料专用刀具,其特点5刃、38°大螺旋角、带刀尖圆角、刃间非对称设计、刃沟截面形状为抛物线、采用AlTiN(MT) 涂层,因此能适应高效率加工。

  与此同时,一些非常通用、经济且高效刀具也以其能够为用户带来最大经济效益竞争优势,成为领先性厂商热推新品。山高於今年10月全新推出Double Octomill双八面刃平面铣刀便这样一款产品,它同时适用於粗、精加工。

  这款双八面刃平面铣刀使用正前角刀片,刀片拥有16个切削刃。刀片座采用创新设计HSS定位销,无需对刀仪就能使刀盘跳动量处於很低水平,而且高硬度HSS定位销(HRC 65)能确保刀片座具有极长使用寿命。大修光刃 (2mm)与极高精度结合新型刀片设计使得轴向跳动量可达到最佳状态,故这种新型双八面刃铣刀帮助用户进一步缩短生产周期,并有效节约了成本。

  Double Octomill双八面刃铣刀硬镀层(HV 700)并不仅仅体现出刀具高质量,其还能起到保护刀具避免磨损作用,同时防止切屑焊到刀体上。该系列目前有三种不同齿距—正常齿距、疏齿密齿,可为不同机床材料提供最优化生产率。针对不同齿距采用不同刀片锁紧解决方案,使加工操作更简易且更具安全性。

  2. 多功能刀具与特殊结构刀具相继面世

  利用数控机床柔性多功能刀具发展组合加工当前切削加工一个显着特点。

  日本三菱公司开发OCTACOT多功能铣刀可安装八角形刀片或圆刀片,加工心上完成铣平面、沟槽、台阶、倒角、轮廓加工斜面等多种加工。

  此外,还可采用一些特殊结构刀具,如热管刀具带高压内冷却通道刀具等来降低切削区温度,提高刀具使用寿命。

  热管式车刀与热管式面铣刀也别具特色,它们结构与普通外圆车刀硬质合金面铣刀基本相同,所不同车刀刀柄或铣刀单个刀齿内部制成了热管。

  热管刀具一种自冷却刀具,它可大大降低切削温度(热管热导率要比相当银、铜棒高几百倍),提高冷却效果,故无需再从外部浇注切削液,尤其适於数控机床、加工心自动生产线上应用。

  刀具冷却通道设计也高速加工刀具结构设计重要问题。因高速加工时会产生大量热量,而刀具材料耐热性有限,因此采用高压冷却液并通过刀具供液(油)通道输送到切削区,冷却润滑刀具切削部位,提高刀具寿命及其可靠性有效途径。近几年来,带内冷却供液(油)通道刀具已从深孔加工刀具扩展到普通浅孔钻、铰刀立铣刀等产品上。

  例如,Seco刀具公司推出可更换硬质合金头部钻头(头部有三种钻型:P型牌号头部适於切钢,K型适於切铸铁铝件,M型适於加工高强度钢耐腐蚀钢)。日本使用TiN涂层硬质合金单刃铰刀(切削速度高达150-400m/min),它们都有内冷却供液孔,并且规格越来越小。据报道,日本三菱公司采用特殊工艺制作带油孔MZS硬质合金小钻头,其直径可小到3-4.5mm,油孔直径为0.4-0.6mm。即使切削条件很差切断刀,目前也有采用这种冷却方法。供液方式可通过机床主轴或刀夹来实现。

对刀具装夹要求

  高速加工条件下,刀具与机床联接界面结构非常重要,刀具装夹要牢靠,工具系统应有足够整体刚性,切削头须能快换。回转刀具装夹结构除应满足一般切削要求之外(如力转矩传递),还应具有高定位精度联接刚性,并尽量减小径向尺寸质量。

  因此,对直线运动刀具,须使用杠杆式上压式相结合高刚性夹紧机构。对回转带柄刀具,不能采用弹簧夹头螺钉等传统刀具装夹方法,须用高精度液压夹头(如德国开发1:10短锥空心锥柄自动快换夹头)、热缩夹头、三棱静压夹头、内装动平衡机构刀柄、转矩监控夹头等新品。目前,各种夹头已成为专业化工具厂生产高速切削刀具配套产品。

  例如Sandvik公司CoroGrip夹头、日本NT公司热缩夹头(适用转速可达70000r/min)“零跳动夹头”(刀具径向圆跳动≤2?m),以及CT?

  V-G铣刀夹头(最高转速可达30000 r/min)等都与刀具配套供应。

  为保证高速精密切削时加工精度可靠性,刀具装夹到机床主轴上之前须先进行动平衡,以确保加工系统安全性。Epb公司推出了一种内装动平衡机构工具系统刀柄,可通过转动补偿环移动内部配重,补偿刀具不平衡量,而补偿环上刻度可指示调节量。


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