從加工挑戰(zhàn)探尋刀具未來(lái)的發(fā)展
近年來(lái)，金屬加工業(yè)發(fā)展迅速，其動(dòng)力來(lái)自于多個(gè)方面。例如經(jīng)濟(jì)的全球化、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇、難加工材料的使用以及對(duì)環(huán)境問(wèn)題的覺(jué)悟等因素。其結(jié)果是，刀具的最終用戶(hù)對(duì)刀具制造商提出持續(xù)改進(jìn)的要求。金屬加工業(yè)的總趨勢(shì)是發(fā)展更多先進(jìn)的加工工藝。雖然刀具發(fā)展史上具有劃時(shí)代意義的創(chuàng)造發(fā)明多數(shù)來(lái)自專(zhuān)門(mén)的科研機(jī)構(gòu)，但是直接面對(duì)具體加工挑戰(zhàn)的是廣大的刀具制造商。因?yàn)榈毒咧圃焐烫幵陂_(kāi)發(fā)新型刀具材料、刀具結(jié)構(gòu)和加工方法的第一線(xiàn)。
本文將針對(duì)幾個(gè)方面的加工挑戰(zhàn)給出具體的案例，闡述刀具制造商如何在實(shí)踐中推進(jìn)刀具的發(fā)展。
新材料的加工挑戰(zhàn)
粉末金屬零件是一種經(jīng)濟(jì)型的替代方案。使用粉末金屬技術(shù)制成的零件具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。粉末金屬技術(shù)使得被加工的復(fù)雜零件接近最終的尺寸和輪廓，從而明顯提高加工效率。通常所需要的只是一次精加工。另外，粉末金屬技術(shù)在零件內(nèi)特意留出殘余孔隙度，這對(duì)于自潤(rùn)滑、減輕重量和消聲等特性非常有利。某些復(fù)雜零件很難或不能采用傳統(tǒng)鑄造工藝制造，能很容易地使用粉末金屬技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)。總之，粉末金屬技術(shù)提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)的零件生產(chǎn)方法。那么，加工粉末金屬面對(duì)的挑戰(zhàn)是什么？
粉末金屬材料的加工難度常常被低估。由于粉末金屬材料往往是在一種軟的、有時(shí)為多孔結(jié)構(gòu)中含有硬顆粒，加工人員常常被材料硬度值所誤導(dǎo)。顆粒硬度高達(dá)HRC70，而宏觀硬度低到HRC10。硬顆粒和多孔性會(huì)導(dǎo)致刀具切削刃的微觀疲勞。刀具的切削刃在切入切出時(shí)猶如是在顆粒和顆粒之間以及孔和孔之間穿行。反復(fù)的小沖擊導(dǎo)致切削刃上產(chǎn)生小裂紋。這些疲勞裂紋越來(lái)越大，最終導(dǎo)致切削刃微崩。這種微崩非常細(xì)微，以致于看上去就像正常的磨損。顆粒硬度和宏觀硬度之間的常見(jiàn)偏差意味著加工粉末金屬零件通就像是在加工一個(gè)砂輪。
粉末金屬零件的獨(dú)特性能和加工特性意味著增加耐磨性的高CBN含量和為了改善切削刃韌性的細(xì)顆粒度是加工的基本要求。CBN200刀片正是由CBN高含量的極細(xì)顆粒材料構(gòu)成，正好滿(mǎn)足了這些要求。此外還有一種獨(dú)特的金屬粘合劑，從而使CBN200成為理想的加工解決方案。它極好的耐磨性和韌性對(duì)于最小化加工成本非常理想。
通過(guò)匹配倒角、寬度和切削刃研磨，我們已經(jīng)強(qiáng)化了切削刃，并因此提高了刀具壽命，改善表面粗糙度和加工公差，使客戶(hù)獲得更高的生產(chǎn)率和可靠性。這種切削刃設(shè)計(jì)對(duì)于難加工的粉末金屬材料尤其適用。
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋上的閥座是一個(gè)典型的粉末金屬零件，閥座孔的精加工用PCBN加工的刀具壽命是5000件，而用硬質(zhì)合金刀具加工的壽命為300件，兩者的壽命相差十幾倍。PCBN等超硬刀具材料替代硬質(zhì)合金刀具已經(jīng)在越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)合成為一種趨勢(shì)。
難加工材料斷屑的挑戰(zhàn)
鈦合金是眾人皆知的不良導(dǎo)熱體，也就是說(shuō)高溫保持在切削點(diǎn)上，導(dǎo)致能產(chǎn)生焊接、粘結(jié)和擴(kuò)散等合金化傾向，切削刃會(huì)很快被損壞。鈦合金的切削特性是產(chǎn)生一種薄的高速切屑，它很難被折斷成可控制的碎屑。通常，這種切屑將使傳統(tǒng)的冷卻傳輸系統(tǒng)偏移，導(dǎo)致切削點(diǎn)缺乏冷卻液，并損壞零件。使用大正前角且切削刃鋒利的傳統(tǒng)刀具可以使這些影響最小化，但是生成的長(zhǎng)切屑很難控制。
為響應(yīng)航空工業(yè)對(duì)改善鈦合金切削性能的需求，山高開(kāi)發(fā)了Jetstream刀具。在解決把冷卻液精確地傳送到切削區(qū)這個(gè)老大難問(wèn)題上，它是一種革命性的新方案。
Jetstream刀具的工作原理是把集中的冷卻液高壓射流以高速直達(dá)接近切削刃的最佳位置。這種冷卻液的射流把切屑抬離前刀面，改善切屑控制和刀具壽命，并能提高所應(yīng)用的切削參數(shù)，而且不僅僅適用于航空材料。Jetstream刀具已經(jīng)被證明對(duì)幾乎所有的材料組有效，而且冷卻液壓力的選擇范圍寬。
從切削區(qū)高效地散熱是影響刀具性能的最重要的因素之一。使用冷卻液來(lái)散熱的好處是清晰明了，直到現(xiàn)在冷卻液還簡(jiǎn)單地被用在沖洗該區(qū)域。要讓冷卻液能真正地有效，它應(yīng)該能把熱量從切削區(qū)迅速帶走，而定向的冷卻液流將冷卻液精確地送到需要的地方就會(huì)有效得多。
為了使刀片有效地工作，工件和刀片兩者都需要達(dá)到某一溫度水平。熱量太多的話(huà)，刀具壽命將縮短；熱量不足的話(huà)，切屑將不能正常形成。當(dāng)切屑形成時(shí)，它所含的熱量需要被帶走。不能迅速帶走熱量導(dǎo)致一種延展性好的切屑，柔性好且不能折斷，而其自身的不斷卷曲使操作工操作起來(lái)十分不便。 nextpage
Jetstream刀具對(duì)于從切削區(qū)帶走熱量非常有效，使得切屑迅速冷卻，切屑的硬化使其變脆。由此得到的切屑易于折斷并能從切削區(qū)移除。
憑借Jetstream刀具，山高清楚了直接將冷卻液傳輸?shù)降毒?/FONT>/工件接觸面這一理念的重要性。它用最小量的冷卻液，提供有效的冷卻，也使得切屑脆到足以更容易地折斷，從而允許提高切削速度并延長(zhǎng)刀具壽命（歸因于減少加工硬化和溝槽磨損）。更不用說(shuō)消除了停機(jī)時(shí)間和與纏結(jié)的長(zhǎng)切屑相關(guān)的零件損壞。
在山高的試驗(yàn)中，普通刀具以40m/min的切削速度、0.25 mm/rev的進(jìn)給量和2mm的切削深度來(lái)生產(chǎn)Ti6Al4V零件，加工節(jié)拍為5min。而使用Jetstream刀具，可以把切削速度提高到80m/min，并將加工節(jié)拍縮短到3min，生產(chǎn)率提高了40%。
加工效率的挑戰(zhàn)
時(shí)代在變，日益增長(zhǎng)的效率競(jìng)爭(zhēng)要求有越來(lái)越高效的加工方法。高進(jìn)給銑削是保持公司處于領(lǐng)先地位的關(guān)鍵。
高進(jìn)給銑削實(shí)際上是一個(gè)為高金屬切削率開(kāi)發(fā)的粗加工方法，用以提高生率和節(jié)約加工時(shí)間。把較淺的切削深度（不超過(guò)2mm）和大的切削圓弧半徑或者小的主偏角相結(jié)合，將切削力的方向朝著軸向的機(jī)床主軸。
這種銑削方法能夠取得比傳統(tǒng)方法快3倍的加工速度。它并沒(méi)有在切削時(shí)采用更大的切深（將縮短刀具壽命），而是從反方向進(jìn)行。它把淺的切削深度和高的每齒進(jìn)給量成對(duì)使用，保護(hù)了刀具。并且獲得比普通加工更高的金屬切除率。
這種方法具有很多優(yōu)勢(shì)。例如，切削力在軸線(xiàn)方向上指向機(jī)床主軸；減少振動(dòng)并進(jìn)而延長(zhǎng)刀具壽命；高進(jìn)給銑削（HFM）方法利用較小的主偏角；使得徑向切削力最小化而軸向切削力最大化；減少振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)并獲得穩(wěn)定的加工；當(dāng)處于大懸伸加工時(shí)，這個(gè)方法甚至又能提高切削參數(shù)。
采用較小的切深和更快的每齒進(jìn)給量進(jìn)行加工，每分鐘可以去除超過(guò)1000cm3的工件材料。事實(shí)上，有時(shí)進(jìn)給速度可以提高到常規(guī)值的10倍。而且即使它是一種粗加工方法，仍能獲得接近成品的外形。這使得用戶(hù)能跳過(guò)半精加工并直接進(jìn)行最終的精加工。給每臺(tái)機(jī)床生產(chǎn)更多零件的可能性。
HFM方法對(duì)于型腔銑削非常有效，尤其是模具加工。除了型腔銑削，它還可用于平面銑削、螺旋插補(bǔ)銑削和插銑等加工方法。HFM方法已經(jīng)被更多的機(jī)加工領(lǐng)域所采用，刀具制造商還在提高加工經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行探索。除了最常見(jiàn)的三角形刀片，有4個(gè)切削刃的方刀片也已用于高進(jìn)給銑刀。
加工經(jīng)濟(jì)性的挑戰(zhàn)
方肩銑削在銑削加工領(lǐng)域占有很大份額。無(wú)論加工中遇到怎樣的困難，用戶(hù)都希望獲得一種既能提高生產(chǎn)率又能降低單件成本的經(jīng)濟(jì)刀具的解決方案。多切削刃刀具已經(jīng)存在，但是用戶(hù)還在尋求能夠提供最低每刃成本的刀具。
方肩銑削的經(jīng)濟(jì)性還體現(xiàn)在以下方面。用戶(hù)希望第一次就實(shí)現(xiàn)真正的90°直壁，不必動(dòng)用費(fèi)錢(qián)耗時(shí)的另一個(gè)銑削加工。有些多刃刀具噪聲很大，振動(dòng)劇烈，因此其表面粗糙度的效果不甚理想。需要低噪聲、低振動(dòng)的銑削刀具，而且必須采用較小的公差刀片（周邊磨削）和刀片座�？蛻�(hù)需要高精度的刀具來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳質(zhì)量的表面粗糙度。減少不同刀具的庫(kù)存量有助于提高利潤(rùn)�？蛻�(hù)需要可用于多種不同加工（包括平面銑削）的方肩銑刀。事實(shí)上，客戶(hù)希望得到一種用于普通加工的可靠、經(jīng)濟(jì)高效、首選的解決方案。
山高刀具公司的Square-6產(chǎn)品是一款采用三角形刀片的獨(dú)特方肩銑刀。每個(gè)刀片有2個(gè)切削刃的Turbo旋風(fēng)銑刀是一款最常見(jiàn)的方肩銑刀，它切削輕快，加工效率高。美中不足的是刀片的有效切削刃數(shù)量少，在談及經(jīng)濟(jì)性時(shí)缺乏優(yōu)勢(shì)。Square-6有6個(gè)切削刃，因此每個(gè)切削刃的成本低，非常經(jīng)濟(jì)。刀片座的軸向前角為負(fù)，但是刀片上的正角切削刃能保證切削前角為正，因此可以確保高性能。Square-6具備3種不同刀片幾何角度和3種不同的齒距，這使得其能在廣泛的材料、加工和工況下都能提供同樣的高性能。 90°的主偏角確保只需一次加工就能得到真正的90°方肩，從而節(jié)約生產(chǎn)時(shí)間。帶涂層的刀體具有更長(zhǎng)的刀具壽命。預(yù)硬的刀體和周邊精磨的刀片具有更好的精度，可靠性更高，也能夠提高所加工零件的精確度和公差。
三角形的方肩銑刀刀片有6個(gè)切削刃，增加了刀體的制造難度。常見(jiàn)的Turbo旋風(fēng)銑刀片和方刀片都是單面刀片，分別由2個(gè)和4個(gè)切削刃。而Square-6的刀片是雙面的，對(duì)刀桿上刀片座的設(shè)計(jì)、制造提出更高的要求。但隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，其加工也不成為一個(gè)難題。所以，隨著制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，類(lèi)似于Square-6這種注重經(jīng)濟(jì)性的產(chǎn)品將會(huì)不斷出現(xiàn)。
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