难加工材料的加工策略与刀具创新

发表时间:2015-8-13 浏览:4924

标签:刀具 所属专题:切削加工

    为了切削加工最先进的难加工材料,最重要的因素是什么?是能满足功率和精度要求的机床,还是刀具、刀具夹头、夹具和排屑冷却系统?这个问题的答案似乎与 “鸡和蛋谁更重要”的问题一样令人难以捉摸。而且,机床制造商和他们的用户,以及从切削刀具到加工软件到冷却液系统的第三方供应商并非是在“各自为战”。在航空航天、医疗器件、石油和天然气以及正在复苏的全球汽车制造业,为了寻求加工难题的解决方案和加工策略,各方正在进行日益紧密的协作。他们正在努力对刀具的基体材料和几何形状进行创新,乃至对关于如何最有效去除工件材料的传统观念提出挑战。
    通过关注那些能真正改变“游戏规则”的行业应用,可以推动创新性刀具解决方案的发展。在航空发动机和陆基涡轮机的应用中,高温工作环境要求零部件具有极佳的耐热性,而这正是钛、钛合金、Inconel合金、镍基和钴基高温合金材料的主要优势所在。例如,Inconel 718材料的耐热性为其提供了在涡轮发动机高温区工作的重要性能。但这种耐热性在零件加工过程中却可能十分有害。如果对切削区的高温控制不当,就会损坏刀具或缩短刀具寿命,并会降低加工效率。
    在难加工金属材料的加工解决方案中,更有效地形成切屑以及具有创新性地处理切屑至关重要。英格索尔刀具公司航空刀具产品经理Don Yordy描述了在对这些材料(如在粗加工前预先淬硬至HRC50的Ti10-2-3或Ti 5553)进行粗加工时可能面临的挑战。“对预淬硬工件进行粗加工的情况并不少见。工具钢和沉淀不锈钢通常都是在粗加工之前预先淬硬到HRC 40以上。但我们最近才开始对淬硬钛进行切削试验。在初期阶段,试验内容仅限于用我们最新开发的刀具对这些材料进行仿形铣削、凹腔铣削、等高线铣削、端面铣削和钻削加工,并测试刀具的功能性和切削刃寿命。”
    在自己的技术中心进行测试之前,英格索尔公司根据用Evo-Tec套式铣刀对淬硬钛进行仿形铣削的现场测试结果,对前景感到相当乐观。Yordy解释说,“我们用一把直径127mm的套式铣刀铣削淬硬钛时,切削刃寿命可以稳定达到2小时,刃口磨损也符合刀具失效模式。”但是,一旦英格索尔开始在技术中心对其他类型的刀具和编程方法进行综合切削试验(尤其是在切削较深的工件特征时),他们就开始体会到粗加工淬硬钛的困难。Yordy解释说,“在切屑形成时,尤其是当刀具切入和切出工件材料时,会产生非常大的横向切削力,极易导致切削刃崩刃。在加工退火钛时,插铣通常是一种防止刀具崩刃的好办法。而在加工淬硬钛时,我们希望使用大进给铣刀来减小对切削刃的冲击。”
    Yordy表示,“用大进给铣刀加工时,刀具切入淬硬钛材料时会产生压缩载荷。会引起切削刃振动的横向(径向)切削力和作用于刀具的力矩大部分将改变方向成为轴向载荷。这种效应可使刀具切入和切出工件材料时变得平稳而柔和。”在切削试验中,用插铣刀和套式铣刀铣削较深的工件特征时,经常出现无规律可循的切削刃崩刃和破损现象,而大进给铣削方法可以消除这种现象。Yordy说,“尤其是用套式铣刀铣削较深的工件特征时,当刀具切出工件材料的瞬间,扭矩和压力大幅减小,使刀具处于空载状态,再次切入工件时极易造成切削刃破损。”
    英格索尔公司开发了几种主要用于满足模具制造业加工需求的大进给铣刀。Yordy说,“在模具行业,使用加长刀具加工深型腔的情况比较常见。我们测试了两种用于加工淬硬钛材料的铣刀,虽然它们能消除切削刃无规律破损现象,但我们对切削刃的磨损率并不满意。不过,我们已经改变了刀具的失效模式,使其具有可重复性和可预测性,这样我们就能开始并完成切削刃寿命试验。”
    目前,这种加工淬硬钛时表现优异的大进给铣刀采用了新的刀具设计,在轴向和径向均呈大正前角的刀体上,可以安装4种刀片型式中的任意一种。Yordy说,“我们预期,呈大前角的刀体可使所有型式的刀片都能有效形成切屑。但对于在淬硬材料加工中如何长久保持这种设计的有效性,仍然存在一些不确定性。刀具的耐用性没有问题,试验结果表明,用平顶型刀片加工时刀具寿命最长。用这种刀片加工的最大切深为3.56mm。该系列大进给铣刀将在最近的IMTS展会上以Hi-Quad F型号正式推出。”
    据肯纳金属公司介绍,结构材料轻量化的趋势将会持续增长,而且不仅仅局限于航空航天工业。就轻质结构材料而言,钛合金、铝合金、镁合金和碳纤维增强塑料(CFRP),以及它们的复合材料将会成为航空航天业的主流材料——至少目前看来是如此。肯纳公司整体硬质合金立铣刀产品经理Thilo Mueller认为,汽车行业将是推动CFRP材料发展的下一个重要领域。
    在大批量生产的汽车行业,CFRP零部件的加工将是一项重大挑战。肯纳公司预见到了这种趋势,并加强了与汽车工业的沟通交流。该公司将CFRP材料分为从纯碳纤维基材到铝/CFRP/钛叠层材料的五大类(C1-C5),其中包括CFRP与有色金属、高温耐热合金、不锈钢以及有色金属+高温合金构成的复合材料。
    钻削加工CFRP材料时,被认为特别难以解决的是材料分层和刀具寿命问题。肯纳公司开发了加工CFRP的金刚石涂层硬质合金钻头和加工金属/CFRP复合叠层材料的PCD钻头。该公司的金刚石钻尖SPF钻头适合加工纯CFRP材料,该钻头必须钻削数百个孔,并要克服刀具寿命短和材料分层的难题。
    虽然PCD刀具的使用寿命可以提高30%-50 %,但对刀具的直径和几何形状却有一定限制。 在硬质合金支承刀杆上直接生长金刚石晶体的PCD刀具可以刃磨出切削刃几何形状,而无需通过钎焊刀尖来形成具有正前角的切削刃。CNC数控轨道钻削工艺是最近开发的另一项先进加工技术。它采用一把铣刀,以一种类似于圆周铣削的方式来完成复合叠层材料的孔加工。为了实现自由切削,铣刀轴沿Z轴方向略微倾斜。这项开发工作是与瑞典机床制造商Novator公司合作开展的。与在航空制造业普遍采用的常规手动钻头进给装置不同,这种Novator轨道钻削装置采用了CNC数控加工单元,并配备了检测程序,可通过调整圆周运动轨迹,对刀具磨损进行自动补偿。
    除了钻削系统以外,肯纳公司还开发了用于加工CFRP材料的铣削系统——压缩型镂铣刀。该铣刀采用V形刀槽(刀尖处为右旋螺旋槽,刀杆上为左旋螺旋槽),是切槽和修边加工的首选刀具。在精密表面加工中,V形反旋螺旋槽能对CFRP基体层起到压紧作用,可提高表面质量和切削稳定性。对于纯CFRP材料的加工,肯纳公司可以提供通用性最好的去毛刺型镂铣刀。顺铣型镂铣刀则是为铣槽和表面铣削而专门设计的。左旋螺旋槽铣刀的主要优势在于可达到更高的切削速度。开发人员为这种刀具选择了含钴量较低的硬质合金基体,以增强金刚石涂层的粘附性,从而提高了切削性能。
    加工钛合金的挑战在于:如何在扭矩较小、具有典型结构刚度的加工中心上实现所要求的高金属去除率。MAG公司开发的Cyclo-Cut Max-Flute高效立铣刀能够加工钛合金、Inconel合金和不锈钢零部件的内部结构。这种具有创新性的立铣刀采用了16刃的高密度刀槽设计,在2037 r/min的主轴转速和5.8m/min的切削速度下,仅需33.8Nm的扭矩和6.76kW的功率,即可达到131cm3/min的金属去除率。
    在粗铣钛合金、Inconel合金和其他高温合金时,为了达到期望的金属去除率,传统的铣刀需要在低转速下以大扭矩进行铣削。而Max-Flute立铣刀的加工特点则是采用较小的径向切深,以减少传入刀具的切削热和提高表面切削速度。通常,切削钛合金时产生的切削热有60%-70%都传入了刀具中,从而导致刀具寿命大幅缩短。
    切削钛合金时非常容易发生颤振,不但会影响零件质量,还可能导致难以预测的刀具失效。为了消除共振和减少颤振,Max-Flute立铣刀采用了不等距刀槽设计。通过采用很高的进给率和较小的径向切深,可以高效切除大量工件材料,并将刀具失效和零件报废的风险降至最低。Max-Flute立铣刀能实现高效铣削的另一个原因是,当与Surfcam 公司开发的TrueMill铣削软件配套使用时,铣刀能保持恒定的切入角,使整个刀具路径的径向切深更稳定一致,从而提高了材料去除率,缩短了加工周期,并延长了刀具寿命。Max-Flute/TrueMill铣削方案使机床能进行大负荷高速加工,而采用最大刀槽密度,则使铣刀能达到最大进给率。
    特定行业的加工挑战往往还包括必须为一些加工任务提供以前可能并不存在的加工解决方案。Emuge公司是一家主要生产丝锥、挤压成形丝锥、螺纹铣刀、立铣刀和各种刀具夹头的工具制造商。该公司新开发的Rekord DZBF系列丝锥(图4)采用了专门设计的断屑技术,能够避免形成在碳素钢、合金钢和奥氏体不锈钢攻丝中经常产生的连续长切屑。Emuge公司总裁Peter Matysiak解释说,“为一种丝锥单独设计断屑功能比较费事,但我们还是这样做了。虽然这种丝锥对于许多加工对象都十分有效,但其主要研发目的是为了解决能源行业制造商在加工石油、发电和风力涡轮机行业所用的阀门和其他零件时遇到的攻丝难题。” Rekord DZBF系列丝锥采用了新开发的切削面几何形状和螺旋槽型,可对切屑流、切屑卷曲度和切屑长度进行综合优化。这种断屑技术能够形成短小、易断、可控的切屑,消除排屑槽堵塞现象和丝锥因切削齿崩刃而失效或折断的潜在威胁。
    Rekord DZBF系列丝锥的尺寸规格范围为12.7-51mm,适用于卧式和立式两种加工机床。这种磨制丝锥加大了中径尺寸,规定的配合精度等级为2BX(优于2B级),此外还采用了长丝锥柄(DIN标准的加长型),提高了丝锥的排屑、冷却和润滑功能。丝锥表面涂覆的TiN涂层减小了丝锥与工件之间的摩擦,改善了螺纹光洁度,提高了刀具寿命。该丝锥适合加工碳素钢和合金钢、铸钢和锻钢、工具钢和模具钢,以及硬度达HRC35的300不锈钢。

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