金屬切削工藝及刀具發展現狀

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金屬切削工藝及刀具發展現狀簡介
隨著現代高新技術產業特別是IT產業的發展,以計算機產業為代表的新興製造業,其零件日益向尺寸小、重量輕、精度高的方向發展,特殊材料的使用也與日俱增。這種以……
金屬切削工藝及刀具發展現狀正文

隨著現代高新技術產業特別是IT產業的發展,以計算機產業為代表的新興製造業,其零件日益向尺寸小、重量輕、精度高的方向發展,特殊材料的使用也與日俱增。這種以「小、精、難」為特點的加工需求,是對製造業的新的挑戰,被稱之為「瑞士式加工」,近年來發展勢頭十分迅猛。在美國,為這種加工服務的工具和裝備製造商,兩年內銷售增長了50%。應該看到,這種發展趨勢,既是對機床工具工業的挑戰,同時也是一種新的機遇。本文是以瑞士式切削加工技術為中心,全面介紹國外一些工具公司應用瑞士式切削刀具及加工技術的情況。


現今,廣大零件加工廠對於不斷傳來的有關製造業的壞消息,已經習以為常了:諸如銷售下降、員工下崗、外來競爭加劇等等。但是,在精密製造業領域,情況卻與此截然相反:加工廠的運行呈現強勁勢頭。有人聲稱這種現象是金屬切削加工業一個不可逆轉的發展趨勢。這些趨勢包括:品種繁多的小型零件、精密工具技術和「按訂單大批量生產」。針對這種需求,開發出了瑞士切削加工技術。


這種類型的工具和製造技術,最重要的是突出一個「小」字。僅僅用公差嚴格來描述這類加工是不夠充分的。Remco Swiss公司的工長Steve Barani說:「不精確的刀具不能在這種加工中使用,例如0.125mm的公差是不夠用的。」該公司總裁Vince Robisch認為0.125mm的公差完全不行。


為了說明他的觀點,Robisch總裁以一個直徑為1.575mm的微型螺釘為例作了介紹,該螺釘是用鈹青銅棒料車成,車削該螺釘時,刀具應緊靠導套,其距離不超過0.508~0.635mm,否則會將材料頂彎。


Robisch認為,瑞士式車削法是加工小型零件的唯一方法,其它型式的機床都無法勝任。這種加工有下述兩個特點:(1)有固定導套;(2)有軸向活動式前頂尖座。和普通車床不同之處是,瑞士式加工車床沿Z軸的移動由工件完成,刀具則沿X軸作徑向運動。除了刀具和工件的結構形狀外,保持精度的一個重要方面是刀具/工件的觸點要盡量靠近機床導套,一般為0.635~1.016mm。具體大小取決於工件直徑,直徑小時,其距離要短些。


Robisch總裁認為,加工中,固定導套加上緊貼其後的刀具--刀具絕不能遠離導套。這兩個條件合起來,就可取得高精度。機床頭架則帶著棒料來回移動,使工件通過刀具進行切削。


Cox製造公司總裁Bill Cox指出,一方面導套對瑞士式加工至關重要,但另一方面,它也帶來了不少問題。這是由於工件長徑比變化所致。這種現象在使用成形棒料(如正方形和六方形截面)時尤為突出。成形棒料在導套中運轉時,產生的車削不均勻性要比無導套的固定頭架式機床嚴重。


機械式和數控式機床的選擇


瑞士式加工用的機床,可分為凸輪式和數控式兩種。凸輪式機床又可細分為兩種:一種是普通型的「工件轉動式」,另一種則是「工件固定式」,刀具繞工件旋轉的螺旋進給式車床。


在Remco公司,工件旋轉式的凸輪機床,遠遠多於昂貴的數控機床,數量約為4∶1。同時,像眾多瑞士式加工工廠一樣,Remco公司傾向於採用專用刀具和專用凸輪。該公司總裁Robisch聲稱,我們不採用現成的通用刀具,接到一個新零件的訂單,我們就設計專用刀具,這些刀具只為這個零件服務。完成任務后,把刀具保存起來。下次又有同類零件需要加工時,就不必重新設計刀具,用戶也不必再付刀具費用。


Cox製造公司認為,凸輪式製造工藝迄今仍很適用並具有生命力的原因是,20年前用舊工藝製造一組凸輪,既不精確,費用也高。而今天的凸輪用專用軟體設計,在數控機床上加工,既精確又經濟,可以說是數控技術提高了凸輪式機床的功能。


Bay Swiss製造公司的工長Dave Branvold指出,瑞士式加工刀具的特點,除了小型外,還需要有較大的后角,以減小切削壓力,使刀具不致於承受過多的摩擦力。否則,棒料有可能卡在導套里。這種刀具的第二個特點是需要正前角。直到最近幾年,人們不採用可轉位刀片,其原因是滿足不了上述要求,這就迫使加工廠不得不用硬質合金刀坯自行磨製合適的刀片。現在,由於可轉位刀片結構性能的改善,使用已日漸增加。


Branvold提到的情況,在瑞士式加工中不是個別現象。許多加工廠都認為最簡便的辦法是用釺焊式硬質合金刀具,自行磨出合適的角度。Branvold、Robisch和Cox製造公司都強調,他們在加工中需要專用刀具。Cox製造公司認為,我們的刀具是專為特定用途磨製的。


Stellram工具公司的技術經理David Wills對上述情況表示理解。他說:「我們一直和這一加工領域保持著聯繫。作為從歐洲過來的一家專業工廠,我們的優勢在小型車削加工方面。本公司一直尋求在適當的領域裡幫助用戶:假如用戶在其他工具供應商那裡解決不了問題,我們願與之合作,提供服務。我們的研發部門會幫助其改善質量和縮短工時。」


對工具供應商來說,瑞士式刀具增長最強勁的部分是在數控加工領域。瑞士式加工中的數控機床和凸輪式機床不同之處在於:刀具主要採用塗層可轉位刀片。Cox製造公司聲稱,在瑞士式數控加工中,我們多數採用可轉位刀片。


Micro-Matics公司總裁Dick Reiling指出,他並不認為有朝一日所有從事瑞士式加工的工藝人員都會停止自製刀具。但是他承認,我們正在試著盡量採用可轉位刀具。儘管它們很貴,但刀具磨損后更換簡便,工時損失很少。


市場在增長


是什麼力量使瑞士式加工獲得不斷增長?Stellram工具公司的技術經理David Wills認為,這是高新技術產業拉動了瑞士式加工的發展。零件日益向尺寸小、重量輕發展,非常規材料的使用也日漸增多,精度要求也很高。一些瑞士式加工的設備供應商表示:最近兩年,他們的業務量增長了45~50%,而其他任何機床供應商是不可能在兩年內達到50%的增長。


Centary工具和設計公司的副總裁Raymond Koontz同意上述觀點。他認為,高技術領域的需求,特別是計算機產業對精密不鏽鋼零件的需求,是瑞士式加工增長的最大原因之一。


例如,在一種雙向接觸開關上,有兩個零件可作為採用瑞士式加工製作的眾多零件的代表。一種是用於根部通道的鈦合金插件,另一種是液壓系統的鋼製針形閥。它們的特點是細而長且又很精密的零件,內徑公差要求0.01mm,外徑公差要求在0.0076mm。


在裝備了瑞士式螺絲車床的工廠里,生產上述類似零件的批量為1000~500000件,有時批量更大。單件工時低達6.5秒。這種瑞士式加工一般都在專門化的工廠中進行,而且通常在第一次走刀就切除90%的留量。這樣做的優點是能在長工件加工中保持同心度,並省去磨削等精加工工序。


然而,瑞士式加工的質量要達到高水平是有條件的:首先是工件毛坯棒料要圓而均勻。如果棒料有偏差,就會反映到工件上。所以,按瑞士式質量標準生產的銅、鋼和不鏽鋼棒料,加嚴了公差,滿足了均勻一致的要求。但瑞士式質量標準的冷拔棒料,並無現貨供應。可以用普通冷拔鋼加一道去表皮磨削加工來保證其圓度。這樣,費用要增加15%~20%。


Lombord Swiss Screw公司是一家瑞士式加工廠。它車削紫銅、黃銅、磷青銅、鋁、含鉛鋼、易切鋼、300和400系列不鏽鋼和鎳鉻鉬合金(8620S)等。該公司總裁Bernie Seewald發現,刀具壽命隨工件光潔度要求而變,而材料變化的影響更大。例如,一把刀具加工同樣的零件,材料為不鏽鋼時能切2000件,材料為易切紫銅時能切3000~4000件,而材料為黃銅時達到20000~50000件。Seewald說:「由於303和416系列不鏽鋼很難切削,所以我們採用Carpenter project70系列不鏽鋼,它比較容易切削。刀具一般採用Micro 100硬質合金釺焊式刀具,用金剛石砂輪修磨角度。此外,也採用TiN塗層的可轉位刀片。」


刀具的壽命與工件的結構設計也有關。例如,加工直角台肩和轉角時,其刀具壽命就比加工圓角時低。對某些材料的直角零件加工,其刀具壽命只1000件。


由於瑞士式加工的機動進給是左旋的,所以各種刀具包括鑽頭、鉸刀等必須是左切削的。這就使刀具成為非常規品種。例如左切削鉸刀就沒有穩定的現貨供應,使用廠不得不自製。


在瑞士式加工中,還必須注意刀具和工件之間、工件與機床之間的相互影響。例如,在加工中使用夾頭內置導套雖有助於車削長型零件,但在加工小直徑零件時,由於切削區域的導熱能力受到限制,熱膨脹的影響就成為問題。所以要限制切削速度,以免產生過多熱量以致把工件焊住在導套里。例如,加工直徑3.175mm,長度為50.8mm的零件,其切削速度必須在27.4m/min以下。


在瑞士式加工中,儘管新型機床都是數控的,但估計凸輪式機床仍佔60~70%。即使是數控機床,也是用來加工小型零件,一般棒料最大直徑不超過31.75mm。過大的棒料會造成裝卸困難。例如,直徑大至50.8mm,長度為3658mm的毛坯,由於笨重,所以裝卸困難。此外,大尺寸零件要保持嚴格的公差,就要付出高昂的代價,這也可以說是對瑞士式加工零件尺寸大小的一種內在限制。


當前在瑞士式加工領域中,正面臨著操作人員、調整人員和編程人員的嚴重短缺。除了人員短缺外,瑞士式加工中機床的調整和編程也是一項困難的挑戰。通常一台CNC機床加工一種新零件,其調整時間長至8小時,內容包括多至16把刀具和多達7軸的刀具路徑及其正確依次運作的安排,以及棒料進給器的調整,最終確保加工出合格的零件。


Rose培訓系統公司的Steve Rose說:「標準的培訓周期是:培訓一名機械操作人員至一級水平,即能操作瑞士式加工機床,約需2~3個月;培訓至2級水平,即能調整機床,約需9個月;培訓至3級水平,即學會編程,約需1年。」應該說,上述這些培訓還沒有包括老式機床的凸輪設計和製造所需要的技能和知識在內。而這些老式機床至今仍大量用於技術要求較低的零件生產。


以往,瑞士式加工工廠所使用的刀具是由硬質合金刀片焊接在鋼製刀桿上,所以這類刀具稱為釺焊或粘接式刀具。但近年來情況有所變化,很多工具製造商針對瑞士式加工的需要,推出了更多適銷對路的可轉位刀片品種。雖然釺焊式刀具的單件成本較低,而且可重磨10多次(甚至上百次),而可轉位刀片只能轉幾次位后丟棄。但是,提高勞動生產率的需要使得瑞士式加工工廠增加了可轉位刀具的試用。Whiz Cut(美國)公司總裁Tommy Townsend指出了這種動向。他說釺焊式刀具需從機床上取下重磨,再把它重新裝上機床並調整到正確位置,這件事做起來要比可轉位刀具困難得多,而且取下、重磨、再安裝調整時間長達5分鐘。可轉位刀具用鈍後轉個位置只需11秒鐘,而且保持刀具和工件的相對位置不變。他認為釺焊式刀具已經是一種過時的技術。假如把機床輔助時間和勞動工時的損失都考慮在內,釺焊刀具的成本則高達1000美元。現在,工具廠商不斷推出新的可轉位刀片,任何人都能選到適用的刀片。所以,人們開始不大使用釺焊刀具了。Townsend最後指出:「隨著瑞士式車削加工的增長,以及瑞士式加工工廠消費更多的可轉位刀片,在美國市場上這類刀具的需求急速增加。我們已經擁有150家用戶,這個數字每天都在增加,遠遠超出了原來的預期。」


Manchester工具公司的瑞士式刀具生產部經理Dave Strobelt也認為:瑞士式加工每年都在增長。但就全美國的金屬切削市場而言,比重仍不到10%。儘管如此,刀具製造商仍關注著這個潛在的市場。從發展趨勢來看,將會有越來越多的工具廠商提供為瑞士式加工服務的專門刀具品種。


塗層刀片


Manchester工具公司的瑞士式刀具生產部經理Dave Strobelt指出,由於塗層的使用,使可轉位刀片不僅方便高效,而且在改善工件表面光潔度、減少積屑瘤和改善切屑控制方面都卓有成效。Manchester公司的雙頭刀片,經磨銳,並用PVD塗覆TiN和TiCN,使刀片在加工300系列不鏽鋼時有效地防止積屑瘤的產生。刀片上的斷屑器還可對這種不鏽鋼切削時產生的帶狀切屑予以控制。Strobelt還指出,該公司生產的一種CSV刀片,經精磨、拋光,達到鏡面光潔度,從而保證被切的工件表面更加光潔。這一點對於小尺寸(直徑小於5mm)的醫療、牙科器件加工至關重要。這種刀片對凸輪式和數控式機床都很適用。


Stellram工具公司的Wills也指出,小直徑和外形複雜是瑞士式車削加工零件的典型特徵。這種零件加工時,要求工具廠提供的刀片經過精細磨銳,使用時可不必對刀口作額外修整。他還指出,對瑞士式加工的場合而言,單塗層效果最好,過厚的塗層(5~6μ)反而不適用。


NTK工具公司的助理總經理Noal Buschmohle指出,塗層能延長刀具壽命,所以,NTK公司銷售的瑞士式加工刀片90%都經過塗層。儘管公司一再強調,用戶自行重磨可能產生裂紋、破損和光潔度惡化等弊病,但仍有一些用戶習慣於自行重磨,為照顧這部分需求,本公司的出廠刀片有10%不塗層。


Century工具公司的Koontz除了同意塗層對延長瑞士式刀具壽命十分重要外,還特彆強調切屑控制的必要性,特別是切斷刀。他認為,Century的切斷刀片末端都開了條槽,用於「粉碎」切屑。假如沒有這條槽,切屑就會捲成Q形,然後再折斷推出。這個過程使切屑擋住了冷卻油使之無法抵達刃口。而帶斷屑槽的刀片使切屑剛剝離就立即被粉碎,從而使切削油持續澆向刃口。


刀片基體


瑞士式加工的刀片,絕大部分都用細顆粒硬質合金作基體。


Kyocero工業陶瓷公司的應用工程師Brent Lindsey說,在瑞士式加工中,有少量刀片採用金屬陶瓷和陶瓷。而刀具材料的選擇主要取決於加工工序的情況和工件材料。


Iscar金屬(美國)公司的技術培訓部主任Mike Gadzinski指出,瑞士式加工的刀片基體基本上都是硬質合金。金屬陶瓷刀片在高速條件下應用時,因為切屑流動輕快,可獲得較好的工件表面光潔度。但是,瑞士式加工機床的主軸轉速通常不夠高,所以更適於使用硬質合金刀片。在低於213m/min的速度下,金屬陶瓷無法顯示其優勢。


Manchester工具公司的瑞士式刀具生產部經理Dave strobelt認為,塗層和基體的優化匹配程度決定速度和進給量的使用水平。


Stellram工具公司的技術經理David Wills強調,細顆粒硬質合金基體對瑞士式車削十分重要。但他又認為,刀具性能60%取決於塗層質量及其結合強度,僅有40%才分別是刀片基體和幾何參數的影響。


在採訪中,所有的工具製造商都同意這樣的看法:即隨著瑞士式刀具消費量的日益增加,必將有更多的高效可轉位刀具推出,用以取代普通的釺焊刀具。


Manchester工具公司的瑞士式刀具生產部經理Dave strobelt說:「我相信,在用戶需要的刀具品種都能買到的時候,他們就會對可轉位刀具樹立信心。」

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