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用于特殊钻削的非标刀具 |
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作者：山特维克可乐满 |
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目前，由于各种大型复合材料中要求加工的紧固件孔越来越多，机床面临的挑战就越来越变为大量的很深的和复杂的孔加工。这是两个完全不同的应用领域，但其共同点是为了获得令人满意的加工结果和具有竞争力的加工性能，必须使用定制化的刀具。
非标刀具是指最适用于对零件进行完全切削或部分切削的刀具，是基于已经得到验证的标准概念例如已有的刀片、夹紧装置、刀柄和接口；它可能是配有多个标准刀片的专用刀柄，能作为两个或多个标准刀具使用；也可能是用特殊的硬质合金材质和/或槽形制成的可转位刀片，其使用效率最大且能够提供更长、更稳定的刀具寿命。与非标刀具相关的还包括不完全标准，作为标准刀具的备选，具有偏差很小的特点。
当需要加工更加复杂的零件时，零件的各种特征要求采用专门的非标刀具解决方案。这一点同样适用于加工简洁的零件，因为非标解决方案可以消除所遇到的生产瓶颈。把非标刀具作为最佳解决方案的场合很多，包括绝大部分的加工范围、材料和行业类型，其最多的是能代表大部分非标刀具的组合式刀具解决方案。这些解决方案通常是以例如标准刀片、刀卡、刀具接口、钻槽、防振系统或刀座夹紧装置的各种组合为基础。具有独特性能的纯粹非标刀具占非标刀具总数近四分之一，而类似标准刀具的非标刀具占四分之三。
加工领域为深孔加工和由复合材料制成的零件的加工是被认为主要使用非标刀具的地方，这类复合材料主要为碳纤维增强塑料（CFRP），以及通过金属的堆叠对复合材料进行支撑的材料。
深孔加工广泛应用于各种不同的行业，最主要是能源业和航空工业。一些深孔零件通常看起来很难加工或者说很难开始进行加工，但是使用定制的非标刀具解决方案就可以通过一种高效且安全的方法轻松解决这一难题。
适用于深孔加工的非标刀具
涉及深孔加工的零件通常要求钻出非常深的孔，且加工复杂性也各有不同，例如包括孔的表面精度、腔室、孔径变化、形状、凹槽、螺纹及不断变化的中心线方向。深孔加工的成功主要取决于标准刀具和非标刀具的混合运用，需要根据非标刀具方面的经验进行设计。切削刃的槽形和材质以及有效的冷却液和排屑共同作用，实现了以最高的穿透率和加工安全性达到所要求的最理想加工结果。
直径小于1 mm的孔通过硬质合金枪钻完成，但是对于直径大于等于15 mm的孔，使用带焊接切削刃的钻头以及在18mm直径以上的孔应用机夹可转位刀片的钻头，将使深孔加工变得更加高效。可转位刀片和现代钻管系统为深孔加工提供了使用新型非标刀具的可能性。
全球深孔加工中心为各行业提供可用的开发、设计和测试资源，以促进零件加工的工艺。除了小批量零件应用之外，该中心还与需要较高零件产量和大量高质量孔的钻削行业进行合作，例如热交换器和胚料的生产。该应用中心拥有已经验证的应用跟踪记录，以及成功应用于航空工业、能源业和普通工程领域中的复杂孔的高效加工的解决方案。
除了利用单管或双管系统进行比较简单的深孔钻削外，还有一些刀具适用于在各种复杂和受限条件下对孔进行加工。该中心主要是为所需的工艺进行规划、为深孔加工刀具设计最合适、效率最高且安全的支撑的刀具，扩充刀具可以完成的切削特征，以及提供技术支持。
示例1
在该示例中，精心设计的深孔加工非标刀具能够对石油勘探零件进行加工。要加工的零件将近2.5 m长，需要在上面先钻出底孔然后加工一个比较复杂的形腔。使用非标刀具解决方案的目的是获得紧密公差和实现优良的表面质量，这意味着需要钻出一个直径为90 mm的孔，并用浮动铰刀对其进行精加工；之后，需要在深度为1.5 m的地方，通过扩孔和铰削工序加工出一个直径为115 mm的孔；在孔中较浅深度的地方同样通过扩孔和铰削工序加工并形成一个倒角；再可通过镗削和扩孔形成两个带倒角的内腔，随后经过铰削处理至最终尺寸。
若采用传统加工方法，则该零件的加工时间将超过30个小时。若使用非标刀具的深孔加工解决方案，则加工时间将缩短至7.5小时。
复合材料的加工
在某一工序中，将特定复合材料切削至最理想结果以及与机床或设备完全匹配需用到大量非标刀具。事实上，专用刀具的需求量相当大，约80%的刀具均针对特殊用途而设计，用于提供最佳性能和加工效果。这是对具有通用和特殊性能的标准刀具的补充。
碳纤维增强塑料（CFRP）是复合材料加工领域中用到的主要材料。任何复合材料的特征和可加工性都是不同的。CFRP是加工业所面临的一大挑战，通常很难将其加工至具有竞争力的完美水平。当CFRP中堆叠有金属（例如铝合金或钛合金）时，利用切削刀具进行的优化加工便成为一个非标刀具专家考虑的问题。
复合材料加工中的装夹刀具也悄然发生着变化，从最初的手持刀具到电动自动进给刀具、机器人再到CNC机床。一致性、稳定性和机床性能等因素会根据不同的应用场合而有所变化，从而对切削刀具的要求也会不同。
质量在复合材料加工方面越来越受到人们的关注，且与切削刀具的性能直接相关。即使是非常小的变化都很有可能在零件表面造成不达标的瑕疵。非标刀具的加工工艺制定对于孔加工非常关键。
钻削复合材料意味着需要对两种完全不同特征的材料--各种成分不同的纤维复合材料进行切削。新增的堆叠金属（例如钛）对材料增加了一种切削特质。采用直接压制烧结技术的聚晶金刚石（PCD）切削刃或PCD涂层硬质合金的孔加工刀具经设计后通常能够提供令人满意的钻削质量和较高的效率。在航空工业，有很多工序都需要钻削大量的孔，可以通过将各种不同的特殊槽形和材质相互组合，以消除分层、纤维碎裂和过多的毛刺，并为高效率加工的钻头提供适当的耐磨性和韧性。采用vein烧结技术能够产生锋利的、更耐冲击的切削刃，从而在所有的加工应用中实现最佳的加工结果。即使 在手工操作的电动钻机或手进给钻机常因操作者的不同而产生切削力的变化，这种刀具也可以适应，但此时，使用PCD涂层钻头是最合适的。
在该示例中，航空工业选择使用配有电动刀具的钻头，该刀具专用于堆叠有钛合金和铝合金的碳纤维增强塑料（CFRP）。此应用中的要求是保持孔的尺寸和表面质量，尽可能减少退出毛刺，同时实现很长的刀具寿命，以及针对两种不同的堆叠材料运用最大的切削参数。孔的直径范围为 6-10 mm。
在这种情况下，最佳的解决方案是采用具有特别设计的槽形的直接压制烧结PCD钻头，该槽形的设计是在切削刃上有两个刃带，从而提高使用手持刀具（需要超高强度）进行钻削时孔的圆度，钻尖设计可以为手持应用提供额外的强度，并且允许钻头立刻进行自对中，同时操作员只需要使用最小的进给力。当使用导向套时，该非标钻头将在堆叠材料之间生成尺寸差异最小的孔。
当加工复合材料时使用非标钻头进行优化之后，刀具的使用寿命将从15孔增加至100孔，同时，将需要的钻头数量从79减至25个。除此之外，它还缩短了预设置、装载和换刀所需要的时间。加工结果令人满意，操作过程安全可靠！(end)
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(1/6/2011) |
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