實現高效加工的刀具解決方案

tags:    時間:2014-03-12 02:31:29
實現高效加工的刀具解決方案簡介
    在金屬加工中,根據被加工工件的特點選擇合適的刀具,能夠充分發揮機床的性能,提高生產效率,降低生產成本。將單價、效率、壽命及縮短的輔助時間等因素綜合起來考……
實現高效加工的刀具解決方案正文

    在金屬加工中,根據被加工工件的特點選擇合適的刀具,能夠充分發揮機床的性能,提高生產效率,降低生產成本。將單價、效率、壽命及縮短的輔助時間等因素綜合起來考慮,就會發現,選用高速、高效和高壽命的刀具,單件產品的綜合生產成本將會更低。


高速、高效加工中心的使用使金屬加工踏上了高速、高效之路,但能否行之有效,還要看刀具的選擇,因為刀具是實現高速、高效切削的最基本、最有效和最活躍的因素。我們接觸了世界著名刀具廠家,研究了發達國家平均刀具費用和生產成本等各種相關資料,發現降低30%的刀具費用,可降低1%的單件生產成本;提高50%的刀具壽命,可降低1%的生產成本;而提高20%的加工效率,則可降低15%的生產成本。這充分說明利用現代切削技術,選擇高速、高效刀具,充分發揮機床的性能和效率,實現高速、高效切削,才是加工中心柔性生產線組織生產提高效率、降低生產成本的正確之路。


先進刀具特性


加工中心採用的高速、高效刀具除應具備一般刀具應具備的良好的硬度和耐磨性、高的強度和韌性等性能外,還應該具備:


(1)更高的可靠性——切削穩定,質量一致,換刀次數少,壽命長。


(2)更高的安裝精度和重複定位精度,好的互換性和快換性。


(3)系列化、標準化和通用化,盡量採用機夾可傳位刀具和多功能複合刀具。


(4)良好的斷屑、卷屑和排屑性能,確保切屑不纏繞在刀具和工件上,不破壞已加工表面,不妨礙切削液的澆注。


可供高速、高效加工中心選擇的刀具品種很多,下面幾種材料的刀具是常用的刀具:


(1)陶瓷刀具具有硬度高、耐磨性好、耐熱性和化學穩定性優良的特點,加工中不易與金屬粘接,在數控加工中獲得廣泛應用;其中氧化鋁基陶瓷刀具適用於碳鋼、合金鋼和鑄鐵材料的加工;氮化硅基陶瓷刀具更適用於合金鑄鐵、冷硬鑄鐵等高硬材料的加工,切削速度可達500~1000m/min。


(2)聚晶金剛石(PCD)刀具加工鋁及鋁合金材料有極高的壽命和良好的精度,切削速度可達1000~4000m/min,美國波音公司高速銑削鋁合金切削速度已高達5000~7500m/min。與PCD相比,CVD金剛石刀具硬度更高、耐磨性更好、摩擦係數更小、化學穩定性和熱穩定性更強,壽命較PCD長2~3倍,缺點是韌性不如PCD。CVD金剛石刀具被認為是汽車發動機產品加工中應用前景廣闊的新一代刀具材料,尤其是鋁及鋁合金材料的加工。


(3)立方氮化硼(CBN)、聚晶立方氮化硼(PCBN)刀具材料,同PCD、VCD相比有更高的熱穩定性和優良的化學穩定性,在1 200~1 300℃環境下也不與鐵系材料發生反應;其硬度、耐磨性與金剛石接近,非常適用於加工鑄鐵和淬硬鋼,被加工材料的硬度越高越能體現立方氮化硼刀具的優越性,由於在加工精度,切削效率,刀具壽命等各方面具有無可比擬的優越性,立方氮化硼、聚晶立方氮化硼刀具材料越來越受到世界各國的重視。


(4)塗層刀具,按塗層方法不同可分為CVD和PVD塗層刀具,根據塗層材料的性質又分為「硬」塗層刀具和「軟」塗層刀具,根據基體材料不同可分為硬質合金塗層刀具、高速鋼塗層刀具及陶瓷和超硬材料塗層刀具,最近又開發了納米塗層刀具。塗層刀具可以靈活地選擇基體材料和塗層材料使刀具獲得需要的性能,提高加工效率、改善加工精度、延長刀具壽命和降低加工成本。


刀具應用案例


近年來,長城公司轎車發動機廠採用世界著名機床廠家的高速、高效加工中心組建了3條柔性機加生產線,與世界著名刀具廠家美國肯納公司一起,結合所加工的產品精心選擇刀具,正在努力實現高速高效切削。


(1)KSCM-AluMill面銑刀


在缸體和缸蓋生產線,我們將肯納KSCM-AluMill面銑刀用於鋁合金缸體和缸蓋的平面銑削加工。此刀具由鋼製刀盤和鋁製刀體組成,在保證足夠剛性的前提下減輕了重量,而且雙金屬結構也減少了加工振動。該刀具具有高金屬去除率、低加工毛刺及高加工效率等特點,非常適用於高速切削。KSCM-AluMill面銑刀有5種形式的刀夾,不同刀夾相互搭配用於粗銑和精銑,可達到不同的表面粗糙度,也可同時安裝粗銑和精銑刀夾,粗精加工一次完成,縮短加工時間,提高工作效率。


實際加工中我們選用了適用於加工低硅鋁合金,具有高耐磨性、高壽命的KD1415和KD1420兩種PCD切削材料刀夾。KD1415刀片硬度較高,適於加工余量均勻,硬度一致的表面,因此將其用於缸體、缸蓋上下和前後表面的精加工;KD1420刀夾,刀片韌性較好,適用於余量不均勻,硬度不一致的表面,將其用於粗加工。精加工后,缸體、缸蓋上下面、前後面等大平面的平面度誤差最大不大於0.02mm,最小達到0.0034mm,平均平面度誤差不大於0.01mm,表面粗糙度低於Ra0.8,加工節拍滿足要求。KSCM-AluMill面銑刀更換刀夾時,僅做軸向調整,不需要徑向調整,具有調整方便、調整時間短和調整精度高的特點,在長城公司實際使用時實現了軸向調整偏差不大於0.003mm,使切削負荷均勻分佈到每個刀齒上,有效地延長了刀具壽命。經幾個月的試加工,KSCM-AluMill面銑刀鋁合金加工效果良好。


僅舉缸體頂、底面精銑為例,頂面精銑刀盤Φ100、Z12(9個精銑刀夾、3個修光刀夾),修光量0.008+0.002mm,整體焊接PCD刀片;加工參數:V=2500m/min,fz=0.12mm/z,Vf=11.5m/min;精銑后實測試件,表面粗糙度Ra0.8,平面度誤差<0.004,節拍滿足要求。底面精銑刀盤Φ200、Z24(18個精銑刀夾,6個修光刀夾),加工參數:V=2500m/min,fz=0.12mm/z,Vf=14.3m/min;加工后實測試件,表面粗糙度Ra0.8,平面度<0.004mm,節拍滿足要求。


(2)複合加工刀具


複合加工是提高加工效率的一個非常有效的手段,幾個加工內容用一把刀在一次加工中完成,減少了換刀次數,節約了輔助時間,提高了生產效率。階梯鑽是最簡單也是最常見的一種複合加工刀具,帶倒角刃的鑽頭就是最簡單的階梯鑽。在缸體、缸蓋孔系加工中,孔口需要倒角的鑽孔加工都選用了這種簡易階梯鑽,取得了良好的效果。例如,肯納直槽180°頂角TX階梯鑽頭,鑽孔時徑向力幾乎為零,4條直線刃帶沿圓周對稱分佈,導向性好,兼具修光作用,使鑽孔的直線度和位置度得到大幅提高。缸體和缸蓋孔系加工中,選用的另一種複合鑽頭是圓周均布3個切削刃的TF鑽頭,它鑽芯比二刃鑽頭厚、強度高,彌補了硬質合金韌性差的弱點;刀尖前端特殊形狀,可自動定心,不需加工中心孔;切削刃多使每轉進給量增大(切鋁時可達20m/min),強度高,可進行高速切削(切鋁時最高可達1000m/min),從而大幅度縮短了加工時間,提高了加工效率,尤其適於深孔加工,尺寸精度最高可達H9,位置精度最高可達±11μm,粗糙度Rz20~25。


在長城曲軸生產線,選用了肯納整體硬質合金SE階梯鑽頭,與普通高速鋼鑽頭相比有更高的鑽孔圓度,高速鋼鑽頭的鑽孔圓度最高可達到20μm,而SE鑽頭的鑽孔圓度僅為前者的1/5。按照這一鑽孔形狀精度,我們完全可以考慮免去擴孔這一工序,在某種場合,甚至可以替代要求不高的鉸孔(譬如擠壓螺紋的螺紋底孔)。這種鑽頭的特點是橫刃修磨的較短,可減少軸向力近50%;鑽芯附近前角為正值,因此切削刃更鋒利;槽形為拋物線型,鑽芯厚度更大,鑽頭強度更高、剛性更強;有兩個噴油冷卻孔,冷卻條件好;圓弧形切削刃和排屑槽型布置合理,便於切屑斷裂成小塊順利排出。該鑽頭用於曲軸前後端鑽孔,效果良好。


(3)精密孔加工刀具


現代工業的飛速發展對孔的尺寸精度、幾何形狀及表面粗糙度提出了更高的要求,尤其是汽車工業,即要求高精度又要求大批量,因而迫切需要高效率的精密孔加工刀具。金剛石鉸刀正是適應這種需要而發展起來的一種精密刀具。在缸蓋生產線導管和座圈底孔等工位,使用了肯納多刃整體焊接PCD鉸刀;缸體缸蓋定位孔的精加工,使用了肯納Bencere分體式可轉位PCD鉸刀,實現了高速高效切削,充分發揮了高速加工中心的性能,大大提高了加工效率。現場實際抽測部分產品?8、?10和?13三組孔,尺寸變動範圍在0.014之內,尺寸精度最大誤差不到公差的60%,平均誤差小於0.005mm,孔的表面粗糙度<Ra0.8。


缸體曲軸孔精加工和缸蓋凸輪軸孔精加工使用了肯納Bencere QUATTRO-CUT刀具,4刃可轉位刀片安裝在高精度鋸齒狀刀窩中,尺寸精度控制在μ級。與傳統分體式可轉位刀具相比,QUATTRO-CUT刀具只需調整刀片徑向高度,不需要調整刀片背錐,縮短了調整時間。按抽測記錄,精鏜曲軸孔。尺寸精度加工誤差<0.018mm,同軸度誤差<0.016mm,最小誤差僅0.0021mm,粗糙度<Ra1.6;精鏜凸輪軸孔,同軸度誤差<0.007,最小誤差為0.0014mm,圓度誤差<0.002mm,位置度誤差<0.063,最小誤差為0.0148mm,尺寸精度偏差<0.018mm,最小偏差為0.0044mm。兩組孔的加工都能滿足節拍要求,試加工至今已累計生產幾百件,效果良好。


(4)缸孔和曲軸加工刀具


長城公司缸體生產線上的缸體,缸孔鑲鑄鑄鐵缸套,缸孔粗加工是大余量的鑄鐵加工,需要刀具有高的強度和韌性,經仔細斟酌使用了肯納Fix-Perfect刀具。Fix-Perfect刀具系統是一個不同正負角組合的產品系列,其特點在於:刀片負的徑向前角和正的軸向前角,正的軸向前角減小了軸向切削力,並且與負的徑向前角形成了很好的剪切作用,便於斷屑。正的軸向前角使切削力向著主軸,使銑刀工作更穩定;而且,負的徑向前角能使最早切入工件的「衝擊點」離開刀尖,對刀尖起保護作用。刀片立裝,刀刃的下部有較強的實體支承,增加了刀刃強度。Fix-Perfect刀具加工精度、表面粗糙度都不錯,惟一不足就是壽命太低。


在曲軸生產線上,主軸頸及前後端軸頸的加工全部使用了KM工具系統。KM工具系統由美國肯納金屬(Kennametal)公司及德國WIDIA公司聯合研製,其基本形狀與HSK很類似,也是採用了1:10的空心短錐配合和雙面定位方式。其主要的差別在於夾緊機構的不同,KM刀柄是使用鋼球斜面鎖緊,夾緊時鋼球沿拉杆凹槽的斜面被推出,卡在刀柄上的鎖緊孔斜面上,將刀柄向主軸孔拉緊,刀柄產生彈性變形使刀柄端面與主軸端面貼緊。KM工具系統具有高剛度、高精度、快速裝夾和維護簡單等優點。試驗證實,KM刀柄的動剛度比HSK系統更高。


在曲軸主軸頸、前後端軸頸的車削加工中使用了KC9315等塗層硬質合金刀片,該刀片CVD複合塗層中有很厚的K-MTCVD氧化鋁層,抗磨損性能極佳,厚的KMT CVD TiCN塗層確保了長壽命,可以進行高速連續切削或者輕微斷續切削,特別適合加工灰口鑄鐵或延展性鑄鐵。在曲軸加工中切削速度達到223m/min,節拍滿足要求,實現了高速、高效加工。


結語


高速加工中心組成的生產線的高速、高效切削,是一個系統工程,受機床、刀具、被加工材料、冷卻潤滑和切削參數等多種因素影響,只有大量地試驗、充分地採集數據,認真仔細地分析,不斷摸索規律,將各種因素最佳組合,才能獲得預期的加工效果

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