可转位刀具 VS 整体式刀具

作者：张宪 编译    来源：《工具展望》

欢迎访问e展厅 展厅 2 钻头/丝锥/板牙展厅 麻花钻, 钻咀, 丝攻, 丝锥, 板牙, ... 对于美国Classic Turning公司的工具库经理John Greenman来说，整体硬质合金刀具的主要问题是显而易见的：“如今硬质合金刀具的价格有点离谱，我每次订购硬质合金刀具的价格似乎都要比上一次更高。”这种现状已成为变革的主要动机。他说，“今后我们将优先考虑采用新型可转位刀具。现在我们仍在大量使用整体硬质合金刀具，可转位刀具的比例只占约35％，但无论何时，只要有新的可转位刀具上市，我们都将尝试使用。” Greenman的观点不无道理。市场报告表明，在过去2年里，由于制造硬质合金的原料仲钨酸铵（APT）粉料的价格飞涨，致使整体硬质合金刀具的价格暴涨了60％～70％。对于直径大于13mm的整体硬质合金刀具，其价格呈指数规律上涨。而另一方面，可转位刀片的价格则相对稳定。 刀具成本以及其它一些因素导致刀具用户对可转位刀具以及其它可换刀片式刀具刮目相看。倡导者列举了可转位刀具的各种优点，如加工柔性好，使用方便，生产率高，库存要求低，可减少（或取消）换刀、重新对刀和调整等。 一些接受采访的刀具制造商和机加工车间表示，使用可转位刀具已是大势所趋，这种趋势在过去2年里进一步加速发展。他们用“稳定”或“略有增长”来描述整体硬质合金刀具的销售情况，而可转位刀具年销售额的增长幅度却高达50％～200％。 但是，这并不意味着整体硬质合金刀具的末路。在许多加工领域——包括模具加工——仍然需要使用整体硬质合金刀具。使整体硬质合金刀具成为首选标准的许多优势——如高刚性、低振动等——如今依然存在。 Kennametal公司的全球铣削产品经理Tim Marshall并不认为原材料价格上涨是整体硬质合金刀具受到冷落的唯一原因。他说：“我认为用户选用小直径可转位刀具的原因是在尺寸规格上可以有更多的选择余地。” Greenleaf公司的市场公关经理Bill Greenleaf认为，硬质合金价格高涨为可转位刀具（如Greenleaf公司的陶瓷刀片）的应用创造了新的市场空间，“价格驱动是一个因素，但是，对提高生产效率的需求或许才是更主要的原因，”Greenleaf说，“我不认为用户用我们的可转位陶瓷刀具替换整体硬质合金刀具仅仅是为了降低成本，用户们主要还是希望能够提高生产效率。当然，这些用户也很高兴地发现，与硬质合金刀具相比，可转位陶瓷刀具价格更稳定。” 可转位刀片和其它刀片之所以受到用户欢迎，其生产效率优势是最主要的因素，因为刀具成本在加工总成本中只占很小一部分（约2％～3％）。Ingersoll刀具公司的产品经理Bob Jennings认为，用可转位刀片和其它刀片替代整体硬质合金刀具，可以大大缩短更换切削刃所需的工时，从而使加工时间最优化。例如，更换整体硬质合金钻头时，操作者需要取下用过的钻头，装上新钻头或重磨过的钻头，然后重新调整机床程序，触测工件并重新设定Z轴，这一过程需耗时30分钟左右。而使用可换钻尖式钻头时，操作者只需用1～2分钟更换钻尖，即可重新开始加工。 此外，Classic Turning公司的Greenman认为，可转位刀片是小切深加工的首选方法，“只要是需要制备切削刃的加工，你肯定愿意使用可转位刀具而不是整体硬质合金刀具，因为加工前对整体硬质合金刀具的切削刃进行钝化处理需要耗费大量时间，而使用可转位刀具只需装上一个新刀片就行了。” 位于俄亥俄州的瑞士式加工制造商Northern Precision公司所使用的切削刀具中，可转位刀具已占到85％。但是，该公司总裁Howard Jarvis仍在继续努力降低整体硬质合金刀具的使用比例。“我们一直在使用可转位车刀和切槽刀片。但对于立铣刀，我们现在所能做的就是尽量使用短小型整体硬质合金立铣刀，以减少需要购买的硬质合金用量。”Jarvis说，“我们希望获得尽可能短的立铣刀，但我们还无法真正尝试使用可转位钻头，因为瑞士式机床上使用的钻头直径非常小。” Ingersoll刀具公司的铣刀产品经理Konrad Forman认为，目前的发展趋势是可转位刀具的使用在不断增多，并在不断开发减少使用整体硬质合金的新型刀具。他说，“在传统的可转位刀具产品中，我们已经看到了采用单排可转位立铣刀的趋势。虽然这种可转位立铣刀在单排方向上的切削长度不如整体硬质合金立铣刀，但其每齿进给量却可以大大超过整体式铣刀。我们公司已进一步采取措施，制造16mm、19mm和25mm的长刃刀具。这些可转位刀具已与整体硬质合金刀具展开了“白刃战”，并正在非常漂亮地赢得这场战役。” Forman也提倡使用新型可转位刀具，例如可更换硬质合金刀头的钻头和立铣刀，这种模块式刀头通过螺纹旋接到硬质合金或钢制刀柄上。“这些刀头可采用稍大的切深（13mm或16mm），看起来确实很像是整体硬质合金立铣刀的一部分。”Forman说，“它们的精度很高，其轴向和径向重复性可达0.013mm。此外，由于刀头非常小（与整体硬质合金刀具相比），因此刀具成本要便宜不少。” 加工循环时间的缩短是使用可转位刀具能提高车间生产率的另一个原因。“我们可以证明，用可转位陶瓷刀具取代整体硬质合金立铣刀能显著缩短加工循环时间，”Greenleaf说，“例如用整体硬质合金刀具加工时，必须首先在工件较软的状态下完成大部分粗加工，然后将工件送去热处理后，再重新装夹并用整体硬质合金立铣刀完成精加工。我们推荐在一次装夹中用陶瓷刀片进行硬铣加工，然后用硬质合金刀片完成精加工。在同一把刀具上采用可转位刀片就可以做到这一点。” Ingersoll刀具公司的Jennings非常关注刀具流动问题。整体硬质合金刀具需要重磨和重涂。在加工车间，可能有4根钻头在机床上，4根备用钻头在刀具室里，另外4根钻头在送去重磨的途中，还有4根钻头正在重磨。“同一加工需要的整体硬质合金钻头数量可能比可转位刀具系统多3～4倍，可转位刀具只需有1把在机床上，1把备用，然后准备几盒刀片就行了。”Jennings说。 表1 使用可转位立铣刀与整体硬质合金立铣刀的比较 可转位立铣刀—整体硬质合金立铣刀 面铣切削：粗加工和精加工—精密切削 用于大功率、高刚性机床—用于小功率、轻载荷机床或老式、低刚性机床 多工序粗切加工，开放公差，对表面光洁度无特殊要求—要求高光洁度、低表面粗糙度 用于较大直径刀具—用于32mm及更小直径刀具，加工多个直径时需采用轴切 虽然整体硬质合金刀具较高的价格可能增大了人们对选用其它刀具的兴趣，但在更换刀具时仍需综合考虑。例如，钻削加工时，被加工孔的加工要求——而不仅仅是刀具成本——对于选用可转位钻头还是整体硬质合金钻头有着最重要的影响。在许多情况下，需要选用整体硬质合金作为刀具材料。可转位刀具有一定的尺寸限制，有些刀具公司生产直径12.3mm以上的可转位立铣刀和钻头，而其它一些公司则可以生产直径小于6.35mm的可转位刀具。 肯纳公司孔加工团队的高级产品经理Chet Parzick指出，尽管可转位钻头能改善钻孔性能，但整体硬质合金钻头仍然具有加工表面更光洁、尺寸精度更高的优势。“用户仍将可转位钻头看作是一种能将工件材料从孔中快速切除的刀具。用它钻孔后，如有必要可再返回进行二次精加工。”Parzick说，“在对成孔的质量或尺寸没有严格要求的前提下，采用可转位钻头能降低每孔加工成本。孔深/直径比则是另一个考虑因素，因为整体硬质合金钻头能钻削更大的孔深。” Greenman也同意，整体硬质合金刀具加工的孔光洁度更好。由于整体硬质合金的刚性优于可转位刀具的高速钢刀体，钻孔时振动更小，因此可获得更好的表面光洁度。 一些接受采访的刀具制造商表示，由整体硬质合金刀具转而换用可转位刀具在加工操作上并无太大困难，需要注意的主要问题是机床加工程序的改编。“除非制造商使用的是非常老式的机床，一般的机床都能顺利完成加工程序的调整。”曼彻斯特刀具公司下属OTM的设计工程师Matt Neuman说，“对于旋转刀具的应用，有些机床可能会受到最大主轴转速的限制，有些机床或许需要采用热装刀柄，以使刀具在高速加工中保持稳定。” 肯纳公司的Marshall补充说，可转位立铣刀不断提高的多功能性使加工编程变得更为复杂，“大部分可转位立铣刀都能完成斜坡铣削、表面铣削、外周铣削、铣沟或开槽、螺旋插补铣削等，有些立铣刀甚至能在Z轴方向实现一定深度的插铣加工。这种多功能性的好处是不再需要多种刀具即可完成对工件的完整加工。” 肯纳公司的Parzick指出，使用可转位钻头加工时，由于大多数可转位钻头只有一个切削刃，因此切削速度会提高而每齿进给量会减小。典型的整体硬质合金钻头有两个切削刃，并以较高的每转进给量进行切削。“不过，可转位钻头每分钟几英寸的进给率通常比整体硬质合金钻头的进给率高。” 在如今的市场竞争中，制造商必须采用不同的方法来提高生产率。Forman说，“对于整体硬质合金刀具，在确实需要使用的加工场合，应该对其开绿灯，但也不能总是一成不变。”(end)

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