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激光技术在刀具磨削行业应用案例

美国切削刀具制造商 Shape-Master Tool 公司在加工传统切削刀具材料及复杂几何形状方面表现优异,但需要在此基础上实现突破。由于切削刀具材料处于不断发展中,并对加工提出了更高的要求,制造商因而必须进行升级,否则可能在竞争浪潮中败下阵来。

40 年前,这家位于伊利诺斯州柯克兰的公司开始经营磨削刀具业务,主要涉及天然钻石材料。然而,现代切削刀具的材料包罗万象,包括硬质合金到人造单晶钻石(MCD)、多晶钻石(PCD)、化学气相沉积钻石(CVD)、立方氮化硼(CBN)及陶瓷等。同样,Shape-Master 公司生产的刀具种类已由可转位PCD、PCBN刀片扩展到了各种类型的刀具及回转刀具。

为应对先进切削刀具材料的特殊挑战,Shape-Master 购进了两台北美最先进的激光刀具加工机器。

激光技术不但增强了 Shape-Master 的生产力,使其力克各种难以处理的材料,而且也让公司能与大型刀具定制供应商相抗衡。凭借激光技术的生产灵活性,Shape-Master 在保障质量及供货期的前提下,能以较高的成本效益处理从 50 件的个性化小批量加工,到每年数千件定期计划的各种尺寸的刀具加工作业。

仅在几个月的培训和实践学习之后,Shape-Master 就开始利用激光机扩展了产品范围及业务范围,包括回转刀具。目前,这些激光刀具加工机加工的相当一部分产品为回转类刀具,同时工厂也正计划继续拓宽其产品门类。

Shape-Master 的“EWAG LASER LINE ULTRA”激光机购自联合磨削集团。机器采用最先进的超短脉冲激光技术,只需一次装夹即可加工各种具有复杂几何形状的高品质切削刀具。

这些机器应用了 EWAG Laser Touch Machining激光加工专利技术,可处理所有最新商用精密磨削刀具材料,包括硬质合金、CBN、PCD、CVD 和 MCD 等。机器不会产生热效应区,因此刀具的表面加工质量极其优异,且寿命更长。

Laser Touch Machining技术采用一种切向激光束加工工艺,通过在 10 皮秒的极短脉冲内使用激光束外沿塑造刀具表面,从而生成切削刀具的边缘和几何形状。这些超短激光脉冲会直接蒸发材料,而不产生明显的热量。在重复扫描工艺中,激光扫描单元与机器的八个数控轴同步运动,从而产生刀具的几何形状。

尽管Shape-Master 的员工不到 30 名,但在激光加工机器和数控磨床的帮助下,每月能产出数千件刀具。公司主要生产立方氮化硼刀具,也有相当一部分是金刚石刀具。公司运用自动化技术,使生产保持在每日 1.5 班次标准以上。

Shape-Master 的两台 LASER LINE ULTRA 激光磨床均装备了自动化技术。其中一台集成了 6 轴 FANUC 机器人、二合一的 HSK 63 型刀架和托盘。所有装备均可不间断地进行回转刀具的全自动生产。该机器还可使可转位金刚石切削刀具的大批量生产实现自动化。

Shape-Master 的另一台 LASER LINE ULTRA 激光磨床的料垛系统可调整托盘的高度,使承载能力翻倍。当加工较短或较低的工件时,8 个托盘向上运动,配合料垛系统,每个托盘可承载多达 300 件工件。EWAG LASER LINE ULTRA 激光磨床的灵活、自动化的特点,正是 Shape-Master 决定采用的主要因素。

只需一个简单操作,激光束即可使切削刃口变得圆滑并提升强度,相当于数控磨削加上二次珩磨的效果。

“我们一直在使用 EWAG 的磨削机器”,Shape-Master Tool 公司的应用经理 Dan Chambers 如是说。“我们首先引入了 EWAG 的手动机器,随后在 90 年代新添了 EWAMATIC LINE 数控磨床,并且沿用至今”。

“联合磨削集团非常重视培训并向其设备提供技术支持”,Chamber 说。“他们的客户服务和支持非常全面和及时。他们随时愿意协助处理任何问题并回答任何疑问。如果没有他们的支持,我的加工厂恐怕无法取得现有成绩。”

他补充说,EWAG 公司基于他们的数控磨床套件开发了相应的软件,用户通过软件即可轻松进行 LASER LINE ULTRA 激光机的编程。然而,由于配有多轴及激光头,LASER LINE ULTRA 更像加工中心,而非数控磨床。

在 Shape-Master 工厂,LASER LINE ULTRA激光扫描头的进给率一般是每分钟几千毫米,当穿过一把刀具时,切削步距增量可小到 0.2 微米。根据几何形状的复杂程度和工件的大小,激光加工的循环周期从约 1 分钟到 1 小时不等。切削刃口和边缘附近的加工占用了大部分的加工时间。

“激光可加工和生成几何形状、抛光及刃口效果,而这些都很难或甚至不可能通过数控磨床实现”,Chambers 解释说。“例如加工切削刃口时,传统磨削将产生 5 到 10 微米范围的尖锐边缘。相比之下,激光加工产生的边缘范围仅为 1.5 到 5 微米。能够达到这样的刃口精度,对我们来说是一个显著的优势。”

只需一个简单的操作,激光束即可使切削刃口变得圆滑以提高强度,而这相当于数控磨削加上二次珩磨的效果。除此外,LASER LINE ULTRA 还可加工倒角以及其他 3D 边缘几何形状。

客户可使用 Shape-Master 刀具来加工各种材料的部件,这些材料包括被广泛应用于汽车航空航天能源及其他产业领域的铸铁、铸钢、贫化铀、铝合金及工业用复合材料等。

据Chambers 称,Shape-Master 还为空间探测组件以及美国防御系统使用的部件生产刀具产品。他还指出,公司的很多航空航天客户都使用复合以及新奇的材料。Chambers 相信这类材料会不断渗入汽车行业,因为同航空航天领域一样,汽车行业同样对轻量化和节能需求非常高。因此,工厂为航空航天领域客户所生产的先进刀具也会很快运用于汽车领域。


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