合理应用高效刀具

作者：杭州前进齿轮箱集团有限公司 宣安光

欢迎访问e展厅 展厅 1 车刀/镗刀展厅 车刀, 槽刀, 切断刀, 倒角刀, 镗刀, ... 机械加工工艺技术正在向着“高效、高速、智能复合、绿色环保”的方向发展。新工艺的应用改变了传统的加工方法。 更新的加工方法符合“精益生产”、“准时生产”原则，具有更大的柔性和灵活性，能够满足快速变化的市场需求。 与此同时，为了充分发挥高效率柔性线的作用，工艺人员对刀具提出了许多新的要求，如尽量考虑同一种刀具能更多地完成同一工件不同工序的加工，努力减少刀具库存量，限制换刀频率，降低制造成本等。同时还要针对一些工艺难点，设计专用刀具、复合刀具或智能刀具，以解决加工精度和加工效率的问题。 根据有关资料的统计，通常刀具消耗占整个零件的加工费用相对来说是比较低的，约为3～10％。但刀具选用的合理与否将直接影响工件质量和加工效率，也是制造过程中的关键因素，必须给予足够的重视。 在切削过程中，刀具与工件基体和切屑之间的摩擦、挤压会产生大量的热，引起刀具磨损并降低刀具的寿命。对切削热的研究，通常都是针对“摩擦产生热－温度升高－刀尖形成积屑瘤－磨损加快－影响加工精度－刀具寿命降低”等问题展开，在大多数情况下得出的结论都是认为切削热是有害的，必须采取相应的措施降温。可是事情也有相反的一面，研究表明，有时却能利用切削时产生的高温提高生产率。在切削钢件时，切削区产生的高温可以软化工件，反而对形成理想切屑有利。所谓的“月牙红”加工法，采用了高性能的陶瓷刀或CBN刀，用较高的切削速度，较大的进给量进行切削，在刀尖处产生红热状态，使温度升高到350℃ 以上，此时工件由于材料屈服强度降低而“软化”，更易于与基体分离，形成带状切屑流出，故能显著提高切除率。 对普通箱体的加工，常采用典型的“一面两销”定位实施铣削平面、钻扩铰镗孔系等工序。加工较大的箱体孔时，因刀杆和刀排的结构所限，常常利用数控镗铣床的插补功能以铣代镗，避免了使用大型镗杆镗排，省去了制造大型复杂工装和反复调试的过程。但是当机床性能达不到相应的要求时，加工精度还是个难以解决的问题。这是因为加工中心的滚珠丝杆在加工中受力的作用产生的微小变形引起轴向运动误差，X轴和Y轴在插补运动时，都需要进行变向进给，随着速度的增加，产生的运动误差也随之增大，结果就会使加工孔的圆度达不到要求。由此，对机床提出了许多要求：如高转速，快速反应，具备高性能的数控和伺服系统，极短的插补周期，前馈控制，超前读数，快速自动加减速等等。装备有直线电机的加工中心就可以在高进给速度下通过插补，铣削出高精度的内孔。 图1所示为解决某一箱体工件加工的同一轴线上的细长孔时所采用的“静压镗刀”。因工件结构所限，同一轴线上相距较远的一组孔无法采用工作台旋转掉头加工的方法，只能从一面进行顺序镗孔，然而镗杆悬伸过长，无法满足同轴度的要求，故考虑新的加工方法。在加工其中某一孔时，借用前排或后排已加工好的孔作导向，解决同轴度精度问题。在这里特制的镗刀杆是中空的，由机床主轴引来的高压冷却液（～70bar）在已加工孔中形成静压轴承，将下垂的刀杆抬至中心位置，充分保证了被加工孔与相邻孔之间的同轴度。应用这种方法时，要求机床具备中心冷却功能，系统过滤精度～7μm，导向孔与镗杆导向部分的间隙约为0.15mm。 在缸盖曲轴孔/凸轮轴孔加工中，为解决一组孔的同轴度问题，将原来采用的非引导镗刀改为带导向条引导的特殊镗刀或铰刀，其刀杆上三块导向条的头部制成圆角倒锥，导向部分与工件已加工孔之间的间隙约为0.1mm，允许被加工孔与已加工孔间最大偏心量是0.4mm（镗孔）或0.1mm（铰孔），同样收到了较好的效果。 对精度要求高的工件作高速加工时，刀具的刚度、振动、动平衡等问题不可忽视。例如刀具刀柄的安装，过去常用7：24锥度的锥柄，仅靠锥面定位和利用锥面间的摩檫力传递扭距，在高速旋转中常常由于振动而变得不可靠，故改良的锥柄应运而生。德国HSK刀柄标准（DIN69893）采用1：10短锥联接。锁紧前，刀柄定位端面与主轴端面间的间隙很小，约0.2mm；锁紧后，利用主轴内孔的弹性变形补偿此间隙，使刀柄与主轴端面贴紧，即实现“两面锁紧”，刀具的径向跳动和轴向重复精度均比7：24锥度刀柄提高了2～3倍，有效减小了轴向串动和径向跳动，提高了刀具的支承刚度。 热装刀具在钻、铣、铰等刀具的刀柄上应用，可以解决振动、定位精度等问题，且省去了传统夹持工具的夹紧部件，利用热胀冷缩原理的夹持方式与机械弹性体收缩方式相比，夹持更可靠，精度更高，轴向重复精度达到0.001mm，径向重复定位精度达到0.003mm，离散度～2μ。采用热装方式安装刀具时先加热安装孔，插入刀具后冷至常温，刀座收缩将刀柄夹紧。刀具安装孔部件采用特殊合金钢材料制造，其涨缩系数大于一般钢材，加热至250℃左右可自如地装拆，此操作过程比较复杂，要有专用的加热装置。 由于高速加工发展迅速，高速钢材料的刀具应用日趋减少，在许多情况下被硬质合金、CBN、PCBN、PCD等高性能刀具所取代，但在某些成形加工、齿形加工、小尺寸的钻、铰、铣工序以及使用专用刀具的场合中还有应用。过去常用的高速钢材料W18Cr4V自加入了Mo元素成为钨钼系高速钢后，切削性能有较大改善。利用粉末冶金制造的高速钢材料，性能的提高更为明显。目前车间应用的M2（W6Mo5Cr4V2）、M42（W2Mo9Cr4Co8）、ASP60等高速钢刀具的切削用量都有了很大提高。 当然，高速钢所使用的切削用量远比不上其他高效刀具，但在性能上已有重大改进。高速钢刀具经采用涂层（PVD物理气相沉淀法，涂TiN硬膜等）处理后，能成倍地提高切削速度，也可将进给量提高50～100％，取得较为满意的效果。 硬质合金刀具应用最为广泛，相关标准规定常用的硬质合金刀具材料分为K（WC＋Co）、P和M（WC＋TiC＋Co）三类。硬质合金性能的改进主要是提高硬度和韧性。细晶粒（1～0.5μm）和超细晶粒（<0.5μm）硬质合金的应用能大大提高刀具的硬度和韧性，而其抗弯强度几乎与高速钢相当，并且刀具刀口锋利，加工效率很高。加工铸铁工件，切削速度可达500m/mim。加工铝件，机床主轴转速达30，000r/min，进给量2m/min， 切削线速度可达到2，000m/min。 国内硬质合金刀生产厂紧跟国际制造技术的发展，适应用户设备不断更新的需要，采用先进的成形技术和烧结技术，开发了不少高性能刀具。厂商推荐的几种国产铸铁铣削刀有较好的使用效果。如YD201、YBD151、YBG40，以及YBD052、YBD152、YBD252等，其推荐的参数见表4所示。 YD201适用于铸铁、耐热合金的半精加工，在中等切削速度、较大进给量的条件下耐磨性和韧性良好。 YBD151 的基体是高耐磨性材料与MT－TiCN烧结而成，加上Al2O3、TiN涂层，适于加工灰口铸铁和球墨铸铁，允许较高的切削速度。 YBG40的具有良好的韧性和抗磨损性，适用于灰铸铁铣削加工，也可以加工钢件（轻负荷铣削）。 山德维克可乐满公司供应的新一代加工钢件的刀具改进了几何形状和断屑槽形式，效率明显上升。如SandvikCoromant的车削刀GC4225，铣削刀GC4240、1030，硬车刀CB7015，铸铁铣削刀CoroMill365 等；ISCAR公司推出的多用途车削刀等，都具有很高的技术含量。除了较好的切削性能以外，刀的可靠性和寿命也有很大提高，刀尖位置精度也很好。 模块式刀具系统的出现，使车削中心大大扩展了加工范围。这种车刀将刀头分离为独立的切削头模块，切削头与刀座通过弹性凹槽联接在一起，利用联接部位的中心液压拉杆可实现刀具快速夹紧或松开。联接部位为敞开式的平直面，换刀时用压缩空气喷射清洁，刀具重复定位精度可达到0.002mm。由于刀具精度高，刀头更换后不需要对刀或试切，就可以获得合适的加工精度，能显著降低加工工时，提高切削效率。 各种涂层可使刀具获得非常优良的综合机械性能，有效地提高切削效率和刀具使用寿命，从而得到了广泛的应用。经涂层处理后，刀具具有优良的性能，寿命也提高了3～5倍。刀具涂层的涂覆方法主要有PVD（物理气相沉积）法和CVD（化学气相沉积）法两种。涂层材料有TiN、TiC、TiCN、AlCrN、CBN、PCBN和金刚石等，涂层也由过去的单涂层发展到双涂层、三涂层、复合涂层、纳米涂层等。 为了提高刀具的利用率，大多数情况下采用重涂技术。涂层刀具由于磨损等原因引起性能变差时，常常采用重磨。但刃磨去除了刀具切削区的涂层，无法复原涂层具有的特性，加工效率远小于原始状态。解决的办法就是进行重涂。如果重磨和重涂的费用比新购价格便宜，并能恢复相当的切削性能，则可获得一定效益。但随着重磨次数的增加，刀具尺寸和切削角度不断发生细小的变化，刀具逐渐失去原有的性能。 涂层刀具——加工使用——涂层剥离——刃磨——重涂——再使用 在这一流程中，重涂前的准备工作，如涂层剥离、重磨、研磨等，费时费工。尤其要指出的是，在硬质合金刀具涂层剥离处理中，对合金中的Co的丢失会影响其性能，必须采取措施，因而相应地增加了成本。最好的办法是不用进行涂层剥离处理而直接对经过重磨的刀具进行重涂。目前已有部分涂覆技术公司掌握了此项技术，相信很快就会得到推广使用。 在齿轮制造行业中，滚齿工艺在制齿加工方面占了70 ％ 以上，采用高速滚齿意义重大。为了实现高速滚齿，滚齿机必须具有相应的要求，例如，提高刚性，提高滚刀头的驱动功率，提高数控、伺服功能，实现温度补偿等等。 目前生产中应用的滚刀材料以HSS为主，也有使用硬质合金镶块滚刀或整体粉末冶金硬质合金滚刀。 高速钢滚刀多采用涂层处理，例如常用的M35、M42、A4等刀具材料，应用TiN涂层，其基体韧性好，涂层耐热、耐磨，防止崩刃，切削速度可提高至120～150m/min。 利用粉末冶金烧结成形法制造的整体硬质合金滚刀，也有较好的效果。这种刀具经过涂层处理，切削速度可提高到250m/min以上，轴向进给量达到3～6mm/r。而且只要设备条件允许，可实现干切。图2为各种材料制成的滚刀在湿切和干切条件下切削速度图。 滚齿时滚刀与工件相当于一对互相啮合的蜗杆蜗轮，按照连续展成的方式，滚刀的直线齿形刀刃包络切出工件渐开线齿形。滚削加工要为后续的加工，如热处理前的剃齿或热处理后的磨齿留有适当的加工余量，齿根部分则在滚齿中加工至成件要求。齿面部分所留的加工余量要同时考虑热处理变形与展成齿形的关系，规定齿形的形线要求，并作为滚刀设计的原始依据。 在编排工艺时，计算滚齿时间所推荐的公式如下： 式中： n0－滚刀转速，r/min；b－齿轮宽度，mm Z0 －滚刀头数；e－切入行程距离，mm Z2 －工件齿数；a－切出行程距离，mm 从中可看出，滚刀转速越高，头数越多，切削时间越短。为了提高效率，除了提高滚刀转速和进给速度以外，应尽可能采用多头滚刀。增加头数能明显提高切削速度，减少切削刃切削次数，有利于滚刀的切入，减少磨损，提高刀具寿命。一般常用2～4头，也有5～7头的。 增大滚刀的直径和刀槽数能加大切屑厚度，也能提高生产率。滚刀直径受机床结构所限，增大的余地不大。增加刀槽数在许多情况下会影响刀齿的强度，故出现了将两排、三排齿槽合而为一的双齿滚刀或三齿滚刀。这种滚刀既可以用于粗切，也可以用于精切。特别是刀齿强度提高后可加大切削用量，改善了切屑形成条件，还能适应重切削的要求沿整个刀刃合理分布切削区域。与普通滚刀相比，效率提高了4～6倍，故常称之为重切削滚刀。 在整个滚齿过程中，滚刀沿工件轴向进给的同时，还要沿滚刀轴向位移，即作窜刀运动，使滚刀上的全部刀齿都参与切削，均衡刀齿的磨损，提高刀具耐用度。若发现工件齿面粗糙度明显变坏，有光斑，毛刺增多或声音不正常，应及时刃磨。 在机械加工厂里，设备、刀具、夹具、量仪、辅具和工位器具，都要纳入统一管理。当刀具重新研磨时，车间必须保证重磨缓冲区（刀具储备）中保有一定量的备用刀具。就刀具而言，迫切需要一种软件，对加工零件、工艺参数（特别是切削用量）、库存情况、刀具使用状态等方面进行全面管理。目前已有的管理软件在使用中不断完善，扩大了应用范围，关键是这些软件能否和车间正在应用的软件接口。 行之有效的软件的基本模块，如系统管理模块、图形库模块、与主系统接口模块、仓储模块、订货模块、现场物流控制模块、条形码识别模块等等，应能有效运行，合理控制每把刀具的行踪，降低库存，指导采购，合理分配资源。从而减少计划时间，减少制造过程的停顿，减少刀具流转的费用。 原载 国际金属加工商情(end)

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