開發和改進切削刀具材料來大幅度提升切削速度

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開發和改進切削刀具材料來大幅度提升切削速度簡介
    切削速度的提高反映了機械製造整體技術水平的進步,為機械製造業帶來了巨大的經濟效益。從切削加工的發展歷史來看,通常是通過開發和改進切削刀具材料來大幅度提升……
開發和改進切削刀具材料來大幅度提升切削速度正文
    切削速度的提高反映了機械製造整體技術水平的進步,為機械製造業帶來了巨大的經濟效益。從切削加工的發展歷史來看,通常是通過開發和改進切削刀具材料來大幅度提升切削速度,從而達到提高切削效率、降低生產成本的目的。20世紀80年代以來,歐美刀具製造業經過大量的試驗研究,對切削機理的認識有了新的突破,認為當切削速度的提高超過某個臨界值(因材料而異)后,刀具的磨損並非按照泰勒曲線的規律急劇增加,而是在以後的某個區間內隨切削速度的提高而有所減少,並在經歷一個谷底后再重新上升。雖然對這一現象尚未得到一致的理論解釋,但並不妨礙根據這一規律在此谷底附近區間進行高速加工技術的應用。目前,工業發達國家的航空、汽車、動力機械、模具、軸承、機床等行業依據這個理論發展高速切削,使上述行業的產品質量明顯提高,加工成本大幅度降低,獲得了市場競爭優勢。


理論分析和實踐證明,高速切削是一個系統工程。從技術的層面上看,高速切削涉及高速主軸單元、快速進給和高加(減)速度的驅動系統、高性能的快速CNC控制系統、高剛性的機床結構、數據的快速處理和傳送、動平衡控制、超硬刀具材料和鍍層工藝技術等各個方面;從管理的層面上看,高速切削涉及高速加工理念、新的管理方法等。作為系統的一部分,各個環節只有互相協調,才能發揮其應有的效益。如在加工模具的曲面時,如果其它環節都符合高速加工的要求,但其CAM的數據處理只使用直線插補而不是圓弧插補或樣條曲線插補來模擬工件表面的曲線,機床的進給系統總是處在不停的加減速過程中,就無法達到預定的進給速度,從而限制了切削效率的提高和生產成本的降低。同樣,如果在高速銑削中選用普通結構的三刃立銑刀,由於其通常採用一齒過中心的結構,動平衡性能先天不足,同樣也不能達到預定的轉速,不能獲得預期的加工效率。


瓦爾特公司是世界領先的金屬加工刀具企業之一,在與世界各地的製造業尤其是德國汽車業的合作中積累了大量的成功經驗。瓦爾特(無錫)有限公司很早就在中國開始了高速加工的實踐。看到高速切削正在中國快速發展,作為國內企業的系統刀具夥伴,瓦爾特(無錫)非常願意與中國製造業共同分享高速切削的技術成果。?


在高速切削加工中,首先應充分重視刀具安全性問題。銑削是目前高速切削應用的主要工藝,銑刀(包括面銑刀、立銑刀和模具銑刀)是主要的高速切削刀具。這類刀具在高速旋轉時各部分都要承受很大的離心力,由於其作用遠遠超過切削力的作用(過大的離心力足以導致刀體破碎),因此成為刀具的主要載荷。德國在20世紀90年代初就開始了對高速銑刀安全性技術的研究,並在機器製造商協會的支持下,組成了由大學研究機構、刀具製造廠、研究所和刀具用戶參加的工作組,從事高速銑刀安全性技術的研究。經過近十年的工作,取得了一系列階段性成果,制定了德國國家標準並被採納為歐洲標準,推動了世界範圍內高速切削技術的發展。在此過程中,瓦爾特公司與工作組一起就高速銑刀的強度計算進行了研究。通過專門用於高速銑刀的有限元計算方法,分別開發了刀體、刀座、刀片、夾緊螺釘的計算模塊,還可模擬刀片在刀座里的滑動、螺釘頭在擰緊和工作載荷下的變形等。研究計算顯示,當轉速達到某臨界速度時,螺釘達到臨界應力而出現拉伸變形。而在達到臨界速度之前,螺釘首先產生彎曲,實際長度變長,夾緊力下降,造成刀片產生位移。


為了保證切削加工的安全,德國標準規定刀具產品應在至少超過廠家標稱的最高轉速60%的情況下才能發生位移,在至少超過廠家標稱的最高轉速100%的情況下才能發生解體或整體刀具的折斷。在實際應用中,瓦爾特公司在2000年的綜合樣本上,列出了幾乎所有的擴孔、鏜孔刀具和銑刀在不同直徑下的的最高轉速,保證在使用規定的原產刀片和原產配件的條件下銑削是非常安全的。而在德國達姆斯塔特大學的實驗中,瓦爾特標稱最高轉速8000r/min的銑刀在實際轉速高達36700r/min時才發生解體,也充分說明了瓦爾特刀具本身具有足夠的安全性。隨著高速加工的應用日益廣泛,現在越來越多的歐美刀具廠商在刀具設計階段就考慮對高速切削的適應性。如瓦爾特的球頭銑刀新產品F2339,其刀片底面有兩個空刀窩,可與刀體上的凸起部分相配合,對作用在夾緊螺釘上的離心力起卸載作用,使其可以採用相對較高的切削速度。高速銑削時,加工鋁合金的面銑刀在直徑較大時其轉動慣量也會很大,因此瓦爾特對加工鋁合金的大直徑銑刀採用了高強度鋁合金刀體,極大地降低了轉動慣量,增加了刀具的安全性。2003年,瓦爾特還推出了能在尺寸調節過程中自動進行平衡適應的鏜刀。


高速加工時,除了刀具本身的安全性,刀具夾持系統的安全性和安裝后的整體動平衡性能也必須充分重視。瓦爾特推薦在高速切削中使用HSK空心短錐柄作為刀具與機床的介面,刀柄與刀具的介面採用液壓式、熱膨脹式,而將標準的圓柱柄(不帶削平結構)作為刀具柄部的主要形式。在非常高的轉速下,除刀具和夾持系統本身的平衡是必要的前提條件外,刀具安裝后仍需要進行整體的平衡。因此,用於加工鋁合金的大尺寸銑刀必須能進行平衡調整。一般說來,高速切削條件下的盤類刀具至少應進行靜平衡,而桿類刀具則必須進行動平衡。由於我國企業較少在引進高速機床的同時引進平衡設備,因此希望能引起刀具用戶的重視。同時,筆者認為國內刀具供應商也必須加強高速刀具安全性的研究,以促進我國高速切削技術的發展。


由於高轉速帶來高的金屬切除率,因此,即使是加工鋁合金也會對機床的功率提出很高要求。計算表明,用直徑30mm的3齒玉米銑刀加工寬30mm、深度也為30mm的槽,如採用1100m/min的切削速度和0.1mm/z的進給量,功率可能達到57.6kW。因此,瓦爾特公司推薦用戶採用的高速切削策略是:高的切削速度、中等的進給量和小的切削深度。對於大余量加工,建議採用分層切削。

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