微幾何刀具邊緣修整

   時間:2014-03-12 02:42:47
微幾何刀具邊緣修整簡介
     針對特定的用途進行「理想」的刀具邊緣修整絕非易事。直到最近一段時期,刀刃幾何形狀和尺寸的設計,與其說是一門學問,不如說是一門藝術,因為刀具本身必須具備……
微幾何刀具邊緣修整正文

  

 針對特定的用途進行「理想」的刀具邊緣修整絕非易事。直到最近一段時期,刀刃幾何形狀和尺寸的設計,與其說是一門學問,不如說是一門藝術,因為刀具本身必須具備很高的耐磨性和硬度,致使刀具難以加工。

然而,正確的刀具邊緣修整對刀具的性能和壽命有很大的影響,通過減少常見失效例如碎斷、發熱引起的破損、積屑瘤等,這些故障嚴重影響刀具的穩定性。適當修磨刀具,還能改進切削過程的可重複精度,有助於實現完全自動化生產。

刃口修磨是微小的磨蝕過程,必須對整個過程進行控制,才能保證嚴格的公差要求。問題是,在對刀具材料進行加工時,很難控制金屬切除率和刀刃的一致性。修磨工藝常常憑著經驗推測,而且受制於機床的可變性和操作者的專業技能。

常規修磨工藝往往磨削過多刀具的角,並且可能由於零件差異而無法控制換刀基準。操作中,不僅刃口修磨難以控制,而且切削工況沿刀刃變化,加工時最佳修磨量也沿刀刃變化。

William J. Enders博士稱,「切削深度隨著刀尖半徑減小而減小,所以人們希望減小刀尖圓角半徑。」Enders是密執安理工大學機械工程與工程力學系副教授,兼密執安Houghton加工分析技術公司總裁,研究刀具邊緣加工已有十多年。

在刀具前緣,切削深度是最大的,因此刀刃最需要保護。而在刀具后緣,切削深度幾乎減小為零,修磨量應相應減小。對於恆定不變的修磨量,為了保護刀具前緣,在刀具后緣修磨量大於切屑深度,因此刀刃不能有效地切除材料,還增大摩擦、切削力、溫度和磨損。

直到不久前,刀具邊緣修整方法的進展速度落後於刀具其它相關技術,如基體材料、形狀尺寸和表面塗層。位於賓夕法尼亞州Cresco的Conicity

Technologies LLC ()利用其專用微幾何工藝,創造出了在同一刀具的不同表面進行可變修磨的工藝。該工藝採用緻密的碳化硅纖維刷,並採用計算機數控技術精密控制刃口成形,公差始終保持在0.0003英寸以內,這個數量級比大多數常規修磨方法更精密。

Conicity 執行副總裁Bill Shaffer 稱,「通過控制刀刃參數,專用微幾何工藝在達到正確的修磨量時停止切除材料,這樣,刀具邊緣修磨量沿刀刃有不同的分佈,使切削深度與刀具邊緣修磨量保持特定的比率。」他接著說:「例如,可換刀頭或卡盤刀具的刀具邊緣修磨量與刀尖半徑變化相關,修磨量的變化反映出了切削深度的變化。刀具邊緣修磨量隨切削深度的減小而減小。」
 具有變化刀具邊緣修磨的刀具能夠有效地切削,因為它們的刀具邊緣尺寸有變化,切屑不會卡在刀具和工件之間,從而最大限度地減小刀具摩擦,減小刀具壓力、切削力以及刀具和工件溫度,其結果是延長刀具壽命,改善零件表面光潔度和平面度,並避免毛刺的形成。可變刀具邊緣修磨幾乎可以用於各種刀具,包括鑽頭、立銑刀和鉸刀。

專用微幾何工藝還可以對一把接一把的刀具進行相同的刀具邊緣修整,加工工藝的一致性高於常規刀具邊緣修整。而且,該工藝可以把最優化的微幾何形狀和尺寸應用於每個切削操作。在一些情況下,這表示整個刀刃的修磨量是一致的,而在另一些情況下,則運用可變修磨量,以達到正確的刀具邊緣修整。

正確刀具邊緣修整的一個最明顯和最直接的好處是延長刀具壽命。專用微幾何工藝或刀具邊緣修整服務費用一般是更換刀具的10~20%,而且刀具壽命延長300~800%。

延長刀具壽命非常重要,諸多的理由包括節約刀具重磨和更換的成本,例如,位於賓夕法尼亞州Freeport的一家精密製造廠Oberg Industries,為充分利用其5軸加工中心而從高速鋼刀具改為專用微幾何工藝刀具邊緣修整的高性能硬質合金刀具,後者由賓夕法尼亞州Latrobe的Seim Tool公司提供。

Oberg 工具室保管Bob Binner稱,「由於專用微幾何刀具邊緣修整工藝,刃磨間隔一般延長300%左右,這是對專用微幾何工藝投資的極大回報。而且,延長刀具更換間隔時間意味著減少生產中斷和降低勞動力成本。」

據Binner所說,間接成本節約更有意義:「刀刃邊緣修整幾乎消除了破損現象,在我們的自動化加工過程中,刀具破損會造成接二連三的故障。如果全自動機床上發生刀具破損,可能導致多米諾連鎖反應,造成下游其它刀具破損。會使刀具損壞和昂貴零件報廢方面損失慘重,並且隨後的問題難以修復。使用經專用微幾何刀具邊緣修整的硬質合金刀具,就有把握進行高速運轉工藝,有時連續運行數周之久而不更換鑽頭和鉸刀。」

延長刀具壽命的經濟效益在宇航和醫療應用領域尤為突出,包括Inconel鎳基合金和鈦合金等堅韌材料的鑽削和加工。

在一個鑽削718 Inconel鎳鉻合金的航空應用中,使用專用微幾何刀具邊緣修整工藝,使加工直升機旋翼的刀具壽命從30孔增加到了60孔,而進給率/速度不變。這種刀具邊緣修整工藝,最大限度地減少了刀具上的熱量積聚,由於更加堅固的刀具邊緣,終端用戶進給率和速度提高了一倍,提高焊透率係數為4。鑽孔數量增加到120。這些孔更加精密,標準偏差減小了2/3。提高進給率和縮短換刀時間,使生產能力明顯增大。

專用微幾何刀具邊緣修整的另一個好處是減少刀具調整過程產生的報廢。例如,在銑制人造髖關節的螺紋孔時,需要進行銑螺紋、測量,由於刀具破損引起的報廢,通常加工四、五個昂貴的零件才能製造一個合適的可能符合標準的螺紋。

此外該工藝延長了刀具壽命,這些零件所用的螺紋銑刀壽命從75孔增至250孔,減少了轉換操作次數,而且改進了刀具更換前後的螺紋一致性,在使新刀具正確反應的同時,廢品量降低了75%以上。

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