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伊斯卡刀具国际贸易(上海)有限公司
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伊斯卡刀具国际贸易(上海)有限公司

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伊斯卡,工于铣削

http://www.mmsonline.com.cn2016年10月12日

前言

铣削起始于十九世纪后半叶,采用带有切削刃(切削齿)的类似于现在称之为铣刀体或铣刀的旋转刀具从工上去除零部件余量,毋庸置疑地成为加工制造的重要组成部分。

在过去的一个半世纪,作为非常重要的加工方式,铣削加工因循序演变以及技术革新的双重推动取得了长足的发展。技术的渐次进步确保了铣加工机床的持续演化,而类似于计算机数字控制技术(CNC)这些全新的技术为铣加工机床加工性能带来跨越式的技术革新。

现代五轴加工中心使得对复杂形状零部件进行非常高效的铣削加工成为可能。现今,铣削加工是零件以平面铣以及轮廓铣削的方式去除余量的主要加工方式,并使得零件具有一定尺寸公差范围内的精度以及所需的被加工表面质量。

刀具的发展仅能部分反映出铣削领域卓越的技术进步。当今的铣加工机床所能实现的进给及切削速度离不开现代铣刀所具足的先进性能。

尽管刀具尺寸形状让人一目了然,其发展变化易于被观察到并容易因此受到肯定,然而刀具领域相关的亚微米级、纳米级、分子级的先进性所带来的进步与提升看上去却并不那么明显。

近些年来,当聚晶金刚石(PCD),立方氮化硼(CBN)及晶须陶瓷作为切削刃部分材料应用于铣刀时被看做具有革命性;如今看来这些刀具材料及应用方式却并不那么通用。不管怎样,硬质合金,尤其是涂覆有耐磨性保护材料涂层的硬质合金,依旧是装夹于可换刀片式铣刀体的可转位刀片的最主流的材料,更不用说整体硬质合金立铣刀了。

最近,粉末冶金领域发生的非凡进步正是减小了硬质合金晶粒的尺寸。当前,主流的整体硬质合金立铣刀及可转位刀片由具有0.3-0.8 μm粒度的亚细晶粒基体制成。小晶粒基体使得制造兼具非常尖锐及高韧性的切削刃成为可能。更进一步,更小的晶粒尺寸与引入的先进压制技术相结合,使得生产制造出具有不同刀尖高度的复杂形状的与众不同的刀片成为可能。技术创新的几何形状优化了切削刃形状,不仅保障了轻快且稳定的铣削加工,还提高了加工零件表面的精度。

纳米技术领域的实践成果最终收获耐磨等级更高的物理气相涂层(PVD)。这类原子级别的涂层,由最大厚度不超过50nm(纳米)的涂层一层层叠加而成,与传统涂层方式相比,显著提高了涂层的强度。此外,应用于可转位刀片的最新的涂层后处理技术去除了表面一层的涂层进而增加了刀片的耐用性。例如,伊斯卡应用于铣刀片的牌号IC808及IC830正是基于上述原理。这类合金牌号在进行了TiAlN PVD纳米涂层后进一步采用了伊斯卡原创的束魔涂层后处理技术 (SUMO TEC)。

三种高效粗铣加工方式

由于铣削加工往往有大量去除工件材料的需求,而粗铣过程往往会耗费大量的时间,因此缩短加工周期使得用户能收获更高的收益。这里有几种高效粗铣加工的方式有助于实现目标,却对铣刀有着特别的要求。

当采用每齿大进给(HFM)或快速进给(FF)进行铣削时,切削深度小,进给却很大。比如,在对钢件进行大进给加工时,从以毫米为单位的尺度来看,每齿进给往往大于切削深度。一款大进给铣刀切削刃经特别设计以使得切削力沿刀具旋转轴线作用于铣刀,也就是指向铣加工机床刚性最大的主轴方向,同时作用于铣刀的挠曲载荷小。大进给加工的主要优点是在相对低的机床功率消耗下实现非常高的金属去除率。

能实现大进给铣削加工的铣刀有多种设计形式,也包括夹持可转位铣刀片的铣刀及整体硬质合金立铣刀。最明显的特点是切削刃的形状;通常情况下切削刃看上去为在圆弧上截取的一部分,最终使得铣刀切削刃角度主偏角角度范围大致介于10-17°。

伊斯卡双面飞碟铣刀(HELIDO UPFEED Н600)系列双面刀片的前刀面设计结合了凸面设计及凹面设计。复杂形状显著提高了对切屑的控制并有利于切屑从切削区域排出。铣刀片后刀面交替倾斜,方向相反,其结果是具有非常经济的优势,每片双面可转位铣刀片带6个切削刃,每一面带3个切削刃。

(fig.1)

最初推出大进给铣刀旨在用于复杂表面的粗铣加工,比如模具工业零件;现在大进给铣刀已被视为高效粗加工的方式而广泛应用于平面铣削,特别适用于大型零部件。然而,不是每一款机床都能满足大进给铣刀对高速进给驱动的需求。

对于低速高功率的机床而言,可采用带30°主偏角的中速进给铣刀(MF)。中速进给铣刀每齿进给小于大进给铣刀,但也高于常规进给,故而能被称为“中速进给”。与此相反,相比于典型的大进给铣刀,中速进给铣刀的切削深度更大。于是,同样收获高生产率的粗铣加工,只是消耗机床功率更高。

在诸如深腔、宽边、深方肩铣等切削深度很大,有必要考虑高效去除大量的被加工材料时,夹持可转位刀片的玉米铣刀或长切削刃铣刀是首选。切削过程由一整套可更换的刀片完成,立装夹持诸如蝴蝶铣刀片T490的玉米铣刀使得刀具性能最大化,立装夹持设计原理最大限度地确保了铣刀体的高强度及高刚性。

意欲降低玉米铣刀所消耗的机床功率并提高其动态加工性能的渴望促进了对带有分屑槽刀片的采用。这些前沿铣刀片的切削刃特别设计有分屑槽。在这个领域的进一步发展是推出可对切屑进行二次加工的刀片,即逐一地将切屑撕裂至更细小的切屑。粉末冶金的进一步发展使得能生产高韧性,带有高强度分屑槽切削刃的烧结后即定型的分屑槽铣刀片,譬如伊斯卡可转位风火轮铣刀片MILLSHRED,该铣刀片能承受整个粗铣加工过程中的重载荷。

(fig.2)

粗铣实现镜面

前沿的新型刀具材料及先进的加工方式(比如,高速铣削HSM)为工艺流程的制定及生产计划安排带来了显著的进步。在许多案例中,现在已经有可能做到,不仅显著降低淬硬件磨削加工前的工件表面余量,甚至能以铣代磨。这一方式大幅减少了加工过程的工序步骤,有时候也意味着单一的一次装夹也能如愿以偿地通过各种加工技术完成加工。

铣削的进步还来自于其他领域,无论是刀具还是工件材料硬度的上限一直在提升。当今,整体硬质合金立铣刀能成功应用于硬度高达HRC63及以上的淬硬钢的加工。无独有偶,夹持可转位刀片的铣刀也在持续升级改进以覆盖大多数粗铣加工。

为进一步降低精铣加工的成本,刀具设计工程师们对早在粗铣加工阶段即能收获更高等级的表面粗糙度进行了持续研发工作。这一目标驱动促使伊斯卡研发工程师创生出燕尾IQ845铣刀(DOVEIQMILL),一款主偏角为50°的可转位面铣刀。这款颇具开创性设计的面铣刀夹持合算的双面可转位刀片,装夹于铣刀体的切削刃形成正的刃倾角,使得切削轻快而稳定。另外,铣刀片的前沿几何形体及其高刚性地装夹于刀体定位槽,共同使得当以相对于精铣切削参数的粗铣加工切削参数进行铣削能收获镜面的零件表面。

(fig.3)

对多功能的强调!

在上个世纪九十年代,伊斯卡曾推出装夹可转位刀片的变色龙铣刀(CHAMMILL)。其前缀“CHAM”引自于“变色龙CHAMELEON”这个单词,该词形象地凸显了此刀具的主要特点。铣刀体定位槽能装夹不同形状的单面铣刀片,两种方刀片(主偏角分别为90°及45°)及圆刀片及八边形刀片。这一原理奠定了刀具应用的多样性,而相似的设计现在已出现在不同刀具供应商的标准刀具里。

(fig.4)

从多数小型及中型用户的角度来看,可转位铣刀体的多功能性提高了刀体的利用率,减少了刀具的库存。多功能性还被引入伊斯卡其他产品,尤其是HELIDO 800系列的SOF45铣刀,刀体适用于装夹以下两种双面刀片,带8个切削刃的方刀片以及带16个切削刃的八边形刀片。此45°主偏角的面铣刀具有令人印象深刻的性能;除此以外还能装夹单面圆刀片及单面八边形刀片。


缩短停机时间

伊斯卡于2001年推出的变形金刚立铣刀是一种模块式铣刀系统,一系列的刀体装夹各式硬质合金刀头,使得铣刀的结构设计及组合的可能性难以计数。该系列本具的灵活性不仅意味着刀具库存更低,还意味着对昂贵的非标特制铣刀,中心钻头及沉头孔钻头需求的减少。该系列的另一合算的特点是,与昂贵的尺寸接近的整体硬质合金立铣刀相比,当变形金刚立铣刀磨损后仅需更换小小的刀头。

变形金刚立铣刀的刀头与刀杆接触面为紧公差设计。故而,操作者能在刀杆依旧装夹于机床主轴的情况下直接更换磨损的刀头,并无需为测量及安装刀杆而浪费时间。

(fig.5)

由于现代先进机床的成本非常高,缩短停机时间非常重要,可以确保加工过程更流畅。因此,缩短磨损刀具的装夹时间对降低生产费用是相当重要的因素之一。高度精确的模块保障了模块化系统的高精度及更换刀头后具有高重复定位精度;缩短了加工制造周期,最终转化为提高了机床的利用率,从而降低了成本。

来自铣刀领域的重大进步与来自机床领域的技术进展同样重要。铣刀是机床主轴与工件之间至关重要的加工媒介,尽管铣刀看上去是铣削加工过程中潜在的最微不足道的一环,并因此可能对提高生产率带来阻碍。事实上却与此相反,只要选择正确的铣刀就具有显著缩短加工周期的作用,免除了额外的加工过程,提高了被加工表面质量,改进了加工精度级别,最终带来的但并非最不重要的是—提高了制造商们的收益。

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