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铣刀 |
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革新刀具展示制造业未来发展方向 |
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作者：雅式网络 |
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面对着日益提高的刀具质量要求和随之上升的刀具成本压力，不断完善质量、效率和成本这三者的平衡日益成为生产企业的关注重心。鉴于机床不断朝向高速化趋势发展，高速铣削、复合化加工，以及微细形状切削等成为切削技术发展的主要方向。本文结合实际应用介绍了多项最新刀具技术，它们不仅有其先进性，实用性亦相当强，反映了今后新型制造业的发展方向。
齿轮加工新概念——“去变形滚刀”
在与客户及机床商的紧密合作研究之下，德国蓝帜-菲特（LMT-FETTE）联合利勃海尔集团共同开发出三合一组合齿轮加工刀具。它取代过去粗铣-去毛刺-剃齿在不同机床上进行的三步加工工艺，将一把粗加工滚刀、一套去毛刺倒角刀和一把精加工滚刀“去变形滚刀”（Twist-Free-Hob）安装在同一刀柄上，使得粗加工滚齿、齿面倒角以及齿轮精加工这三个步骤可在同一台机床上完成。
图1 去变形滚刀
齿轮切削与去毛刺在同一机床上完成，所有刀具装在一把刀柄上，不需任何其它的人工或机器修磨，也无需增加去毛刺的机床和刀具。这是最为经济的齿轮精加工，特别适于相同或相似规格齿轮的大批量生产。而且，粗加工和精加工滚刀亦可独立设计，分别选用最优化的齿数、槽数，以及特别的齿形。这样一来，粗加工滚刀可以采用最快的加工速度而不必顾及工件最后的齿形质量。而精加工滚刀“去变形滚刀”（图1）由于不需要大量切削单次重磨，生产批量明显超出那些同时作粗与精加工的滚刀。利用精加工滚刀修正齿形误差，可以加工出无齿形误差的正齿轮和斜齿轮。滚刀采用对角滚切的方法，在滚削余量的同时消除齿形误差，可提供更高的齿轮承载能力和运行平稳性。
蓝帜—菲特还开发出齿轮倒角刀具，节省去除齿轮毛刺的成本。第一把倒角刀去除齿轮顶部的毛刺并倒角。第二把倒角刀则去除根部毛刺并倒角。
采用专用材料和特殊镀层的施耐尔（Schnell）刀具
在革新性切削技术如超硬铣削（Hard Milling）、高速铣削（HSM）和精密加工领域，德国施耐尔（Schnell）的刀具以高速度、高寿命和高性价比著称。其刀具产品拥有先进的软硬件技术、专利和诀窍，并采用专用刀具材料和特殊镀层。镀层技术由国际知名企业为其度身定做，刀具材料则采用瑞士和德国的先端粉未冶金烧结技术，材料颗粒为直径0.2μm以下的纳米级微细颗粒，并配置有超硬的表面NOVA镀层或高寿命的LL镀层。可适合于各种淬硬模具钢材、淬火合金工具钢材的高速切削加工，最高加工零件硬度≧HRc70。该系列刀具率先进入切削HRC70硬淬模具钢材的这一传统禁区，向电火花加工工艺提出了挑战。 
图2 LL镀层立铣刀
图2中眩目的金属蓝色LL镀层是2005年推出、应用纳米技术开发而成的超长寿命镀层，Schnell买断了该产品4年的独家使用权。实验表明，采用了LL镀层的刀具，在加工超过HRC70的硬淬钢材料的实用工艺中能使操作人员游刃有余，得心应手，就好像在用传统刀具加工普通硬度的材料一般。此外，相比传统镀层，应用LL镀层的刀具寿命可延长2至3倍，这将大幅降低生产成本。
SS镀层是施耐尔研究开发的先进超平滑镀层技术。在常规硬度钢材或其它金属材料的切削中采用这一镀层，可显著增强加工过程的稳定性，并获得更光滑的表面。在同一加工参数条件下，超平滑的SS镀层可以克服粘刀现象并杜绝刃部刀瘤的产生。如果用球刀加工注塑模具型腔面，则可达到无须抛光而直接注塑成型的效果。
Sandivik GC4225（突破一号）——全面提升钢件车削加工性能
在普通钢车削应用范围（ISO P25的应用范围）内，零件、工序、材料、加工工况以及刀片尺寸都发生了很大变化。没有任何一种加工范围像P25牌号的车削范围一样，对P25牌号的切削刀具有着如此苛刻的要求。而如何用相同的刀片牌号获得最佳效果对金属切削业而言是一个巨大挑战。
作为应变挑战的一个产物，山特维克可乐满经过广泛而深入的开发，推出了新一代P25牌号——GC4225（突破一号）（图3），它作为GC4025牌号的升级版本，是一种提供了强大通用性的多功能解决方案。依凭其优化的性能和高度可靠性，可通过应用更高的切削参数来提高生产效率，并对应工件材料的变化和日益苛刻的操作要求。
图3 GC4225（突破一号）可显著提升普通钢车削应用中的加工性能
提及应对变幻莫测的刀片磨损的重要性，试以飞机起落架（合金钢）的加工为例。其典型工序是需要先执行两次半精加工（走刀切深可高达8mm），随后执行一次精加工（切深为1mm），以便为下一道工序留出加工余量。刀片必须同时满足这两种工序不同的苛刻要求，以便保持良好的切屑控制和恒定的刀具寿命，从而才能够完成整个切削工序。
首先，GC4225牌号改进了P25刀片的形状，拓宽了普通钢车削刀片的应用范围。其次，刀片韧性和耐磨性双双得到改善，提供了对应多种苛刻工序的潜力。第三，通过不断的降低有害磨损类型，使得刀具寿命较旧有型号提高了一倍。而且由于能更为精确地预测磨损以规避破坏性磨损，可降低钢车削工序的整体成本，这对加工车间来说相当有吸引力。第四，拥有了刀具寿命的可预测性，并进一步改良涂层粘结性，显著提高了刀片的刃口安全性。第五，改进耐热能力，获得更佳的耐用性。
至于新牌号对应多种苛刻工序的潜力，以加工汽车曲轴为例，它涉及到钢锻件的车削和要求苛刻的间断切削。这本应归为P25应用范围限制之外，通常用更具韧性的P35牌号刀片来进行加工，以本案例指定条件计，其刀具寿命为每切削刃44个零件。实际测试结果是：旧有P25牌号仅拥有14个零件的刀具寿命，而GC4225牌号拥有41个零件的刀具寿命，已经逼近P35牌号的磨损程度。由此也可验证，作为刀具领域的知名品牌，山特维克可乐满拥有应对挑战的实力。
快速金属切削——ISCAR刀具新品
ISCAR面巿的2006年新品涵盖了铣削、车削、孔加工、多功能刀具，以作为对快速金属切削（FMR）的重要补充。这印证了ISCAR的一个理念：鼓励用户接触最新的切削技术，并相应地升级他们的刀具及生产工艺，以获取在切削中的更佳表现及特性，正如计算机用户不断更新软硬件一般。
05、06年间该公司实施的刀具全面升级，改良渗透到了涂层、硬质合金基体、切削刃几何形体，产品系列等各方面。首先，升级了合金牌号：AL-TEC (PVD涂层)主要应用于加工球墨铸铁；α-TEC (CVD涂层)则主攻灰铸铁的加工；DO-TEC (CVD + PVD复合涂层，强度更高)带来铸铁加工的变革。而且，由于成功地将最先进的合金牌号应用于更高效、更经济的加工中，每刀片设计的切削刃数更多。
此外，“迷你化设计”是新品开发的另一理念。譬如，采用如图4所示迷你蝴蝶铣刀片设计出高进给率的密齿型铣刀。借助小尺寸的刀片及其立装结构设计，相比传统铣刀，可设计出更多铣刀外径。
图4 迷你蝴蝶铣刀片
UPGRADE的铣刀——HELIOCTOFEED八角飞碟铣刀对三刃飞碟铣刀及八角刀片的优势进行了组合，令每刀片可使用的切削刃更多，可应用于高效加工；飞碟金刚具有大圆弧形刀头，能实现小切深下的高速进给；精加工波形刃立铣刀，实现了单一硬质合金立铣刀同时完成粗精加工。当这一优点被应用于槽铣、90°方肩铣，以及型腔铣时，采用粗加工的切削参数便可获得高质量的表面。
体现在孔加工方面，可以使加工直径范围更宽。而数款多功能刀具的推出则出于顺应复合加工之需求。诸如，用于车铣复合加工中心的模块式快换切削单元；以及可进行车削、钻削、铣削与螺纹加工的多功能刀柄、单一刀具；还有DR-MF多功能钻头，可在CNC车床上以单一刀具完成外园车削、内孔车削、钻削，端面车削等多种加工应用。
日立高进给圆弧角铣刀ASR多刃型（超润滑皮膜JX涂层刀片）
日立新研发的高进给圆弧角ASR多刃型铣刀能进行小切深高进给加工，可大幅改善模具粗加工环节的生产效率。小切深高进给加工的优点在于可减小切深、并在可能的情况下提高机床进给量，这样在粗加工后便形成接近要求的精加工形状，提高总体生产效率。相反，使用圆刀片加大切深来提高切削效率，会在加工后留有很大的加工残余量，降低后期精加工的效率。
提高小切深高进给加工的效率，关键在于多刃化和适用于高速加工的刀片涂层。而ASR多刃铣刀和JX涂层的组合，使得即使在最尖端的加工机床上实施铣削加工之际亦能进行高速高效粗加工。以轻快加工的试加工为例，刀杆Φ32-5刃（ASRM2032R-5刀头可换式），刀片材质JX1045，被削材40CrMnMo7（相当于SKT3）情况下，可获取如下的优异参数：切削速度为Vc=300mm/min（转速n=3000min-1）；进给速度为Vf=50m/min（1刃进给量fz=3.3mm/刃）；切深apxae=0.3x25mm。
图5 ASR多刃型Φ32–5刃（左）与旧产品Φ32–2刃（右）
首先，ASR多刃型铣刀，在不影响切刃强度的前提下，将刀片尽可能小型化，铣刀的切刃数实现了多刃化。以外径Φ32为例（如图5所示），相比以往产品的2刃，ASR多刃型不仅扩充为5刃，而且加工时的进给速度提高至2.5倍。
至于高进给铣刀的优点，圆刀片本身具备大切深的优势，但是由于切削刃同工件的接触点增多而造成更高的切削阻力，导致在高进给情况下的加工很难进行。此外，由于刀具突出长，圆刀片横向受到切削力作用时更易于抖动。而ASR多刃型铣刀采用了轴方向受力的独特设计，即使刀具突出较长时刀体也不易发生抖动，确保稳定加工。同时，小型化刀片的切刃更短意味着切削阻力的降低，这也将有效抑制多刃化引起的阻力增大。
其次，日立研发出一种刀片材质涂层JX涂层，可明显抑制月牙洼磨损、外周刃磨损以及刃尖粘刀现象。该涂层是在钛铝化合物中添加自身带有润滑材料的一种皮膜，切削热促使涂层膜表面形成很薄的一层可有效抑制切削刃粘刀的酸化物。另外，高硬度皮膜所选用的材料，其硬度等同于高硬度皮膜领域中的TiSiN系涂层，具有适应高速高效加工环境的出类拔萃的耐磨损性，采用JX涂层后，加工寿命延长至使用旧有涂层时的1.5～2倍。
峰EST高效切削刀具的高效成型拉削加工及搓挤加工技术
在多年为汽车业提供高效切削刀具的过程中，嘉兴恒锋/亿爱思梯工具有限公司实现了精密拉削刀具及搓挤刀具制造和修磨的国产化。通过积极运用高效成型拉削加工与搓挤加工技术这两项高效技术，优化了轿车零部件的生产效率和产品质量。 
图6 拉刀磨削
首先，拉削加工技术不再局限于简单内孔内花键及平面加工，各种专用外轮廓精密成型拉削刀具（如不等分精密外花键筒式拉削成型刀具及精密螺旋槽渐开线拉刀）应运而生。比如配以专用数控机床的复杂型面组合拉刀及车/拉组合成型拉削刀具，能使某些汽车零部件的批产效率实现几十倍乃至上百倍的提高。而且，产品质量更可靠、精度更稳定，表面光洁度也更佳。数控精密磨削技术使得在极细小和复杂的拉削刀齿上也可铲磨后角，并使复杂的圆弧实现光滑连接，在圆弧齿上亦可带有后角。不仅如此，可达μ级的加工精度催生出锋利而精确的刀刃，拉削因此变得更加顺畅轻快。加上对粉末冶金高速钢和超细微硬质合金的广泛采用，大幅提升了拉刀的切削速度与使用寿命。
其次，在精密搓挤技术方面的应用可使轿车零部件中大量的小模数渐开线花键轴的加工更加轻松。例如一件模数1.058、齿数40、压力角30°长度40mm的花键轴，用传统滚削技术加工每件需耗时4分钟，而精密搓挤技术可使加工时间降至仅为10秒，生产效率的提升幅度高达24倍。此外由于组织流线分布好，不仅强度更高、其表面光洁度和尺寸精度也更为稳定和提高。同时，无铁屑无油雾的加工过程，使得生产环境也得到明显改善。
《中国机械与金属》(end)
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(8/22/2006) |
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