從橫機用刀具看刀具應用理念

翟芳宇

(中國紡織機械(集團)有限公司,北京 100176)

0 引言

在金屬加工中,實現(xiàn)高質高效是制造企業(yè)永恒的追求。雖然機床、工裝、工藝甚至編程軟件、切削液等都會影響加工效率,但構成機械加工最重要的要素是機床、工裝和刀具。其中,刀具最終切除材料,是實現(xiàn)高品質加工的重要影響因素,且因其具有可選性,所以通過優(yōu)選刀具來縮短加工時間,可提高加工效率[1]。近年筆者公司成功收購了意大利某知名電腦編織橫機制造企業(yè),筆者從意大利電腦編織橫機用刀具(以下簡稱橫機用刀具)的應用,來分析刀具性能對加工的影響,總結與學習國外先進的刀具應用理念。

1 影響刀具性能的主要因素

單論刀具本身對加工的影響,其性能主要由材料、涂層、裝夾方式和刃口形式綜合決定。

刀具材料是決定刀具切削性能的根本因素。優(yōu)質刀具應具有硬度高、沖擊韌性好、耐磨性強和耐熱性好等特點。

涂層是在刀具表面涂覆耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物,以形成化學屏障和熱屏障,從而提高刀具的紅硬性抗磨損能力。

裝夾方式與刀柄結構形式是刀具系統(tǒng)重要的組成部分,是切削動力的來源,是穩(wěn)定加工的基礎,夾持方式的改變可以提高刀具的功能水平。

刃口形式特征賦予刀具不同的切削功能。

1.1 刀具材料

刀具材料主要有高速鋼和硬質合金等。按制造工藝不同,高速鋼分為普通熔煉高速鋼和粉末冶金高速鋼。與普通熔煉高速鋼相比,粉末冶金高速鋼的強度提高80%～90%,韌性提高30%～40%,耐用度可提高2～3倍。按材質不同,高速鋼分為普通高速鋼和高性能高速鋼,因為高性能高速鋼增加了鈦、鈷、鋁等元素,其耐用度為普通高速鋼的1.5～3倍;如Go高速鋼、M42高速鋼、HSS-E高速鋼等。硬質合金具有硬度高、耐磨、強度好、耐熱和耐腐蝕等系列優(yōu)良性能,尤其紅硬性比高速鋼高很多,因此其切削速度比高速鋼高4～7倍,刀具壽命延長5～10倍,可大大提高切削效率[2-3]。

目前,紡機行業(yè)刀具材料以高速鋼為主,尤其整體刀具如鉆頭、銑刀、鉸刀和絲錐等高速鋼材質占98%以上,而高性能高速鋼的使用很少。但硬質合金材料在國外刀具上使用非常普遍,數(shù)量比例遠高于我國,約占95%以上,只有少量必須用高速鋼的工藝,也由粉末冶金、高性能高速鋼取代。

合金材料分類:P為加工長切屑的黑金屬,如鋼材;N為加工有色金屬;K為加工短切屑的黑金屬,如鑄鐵;S為加工耐熱合金;M為加工不銹鋼;H為加工淬硬材料。

1.2 刀具涂層

涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)小和熱導率低等特性,切削時可比未涂層刀具耐用度提高2～5倍,切削速度可提高20%～50%。

國內涂層技術應用于車、銑合金刀片者較多,但普通高速鋼刀具上基本無涂層,這可能是基于成本的原因。而橫機刀具基本均有涂層,且涂層性質在刀具上明確標出,方便選用。各種涂覆材料顏色及應用范圍見表1。

表1 涂覆材料顏色及應用范圍

1.3 刀具裝夾方式

刀柄以刀體裝夾方式區(qū)分,主要有液壓夾頭刀柄、熱漲刀柄、彈簧夾套刀柄、側固式刀柄等,見圖1。

圖1 不同夾持方式

液壓夾頭刀柄夾持精度高,需要輔助的設備系統(tǒng),加工過程穩(wěn)定性好,但夾持力較熱漲刀柄小;熱漲刀柄夾持精度高、穩(wěn)定性好,也需要輔助的設備系統(tǒng),夾持力大,切削過程穩(wěn)定;彈簧夾套刀柄定位精度較高,使用方便;側固式刀柄結構簡單,定位精度低、加工過程加持穩(wěn)定性差。采用長徑比為3的驗棒測量頭部徑跳比分別為0.003 mm～0.006 mm(圖1a)),0.01 mm～0.03 mm(圖1b)),0.03 mm～0.06 mm(圖1c))。

1.4 刀具切削刃幾何形狀

1.4.1 銑 刀

影響銑刀切削性能的因素主要有端面刃型、齒數(shù)、螺旋角和周刃形狀。

1.4.1.1 銑刀端面刃型

只有周刃無端刃可徑向進刀,不能軸向進刀,適合加工零件周邊。既有周刃也有端刃可實現(xiàn)徑向、軸向進刀,可加工臺階,如圖2所示。

圖2 周刃和端刃

1.4.1.2 銑刀齒數(shù)

齒數(shù)少,優(yōu)點是齒槽寬,容屑空間大,有利于排屑,可以大進給;缺點是切削平穩(wěn)性差,用于粗加工。

齒數(shù)多,優(yōu)點是刀具剛性好、切削平穩(wěn),使切削效率提高;缺點是切屑易阻塞,用于精加工。不等分齒結構可進一步減小振動。

銑削時,若槽溝深度寬度比大于1,為防止切削扭矩太大(刃口長,切屑不易被切削液帶走,冷卻不充分)可選用齒數(shù)少的銑刀。若槽溝深度寬度比小于0.5,不必考慮阻塞和振動問題,應增加齒數(shù),減少單刃負荷。對于單純的側面加工,不存在切屑阻塞問題,應提高刀具剛性,改善加工面精度,所以選用密齒銑刀。

1.4.1.3 銑刀螺旋角

標準螺旋銑刀的螺旋角一般為15°,加大螺旋角可增大刀齒實際工作的前角,提高刀具鋒利程度,即起到了刃傾角的作用。加工脆性材料或硬度較高的材料時,為增加刀齒強度,宜選用較小的螺旋角[4]。

增大螺旋角可減小徑向切削力、增加參與工作的切削刃長度,因此減少了刀齒切入、切出時引起的徑向振動,但同時也使軸向分力增大,在加工薄壁類零件時會引起軸向振動。國外變螺旋角銑刀能顯著增加銑削的平穩(wěn)性,利于加大進給速度。

1.4.1.4 銑刀周刃形狀

立銑刀圓柱方向周刃后刀面做成波形曲面,或做成玉米形,起到分屑作用,用于粗加工可降低切削力、提高切削效率。這種粗加工銑刀在橫機刀具上應用的非常普遍。

1.4.2 鉆 頭

橫機用鉆頭與國內鉆頭使用的不同點,首先在于整體合金的大量使用和高精度鉆頭的應用,其次在于可靈活選用不同頂角、螺旋角和齒數(shù)的鉆頭,來加工不同性質的零件[5]。

在提高切削系統(tǒng)加持穩(wěn)定性的基礎上,利用高精度鉆頭可簡化工序。如高精度孔的加工工藝以前需要3～4道工序(即起鉆—鉆—擴—鉸孔),而使用合金高精度鉆頭僅需鉆一道工序,即可實現(xiàn)H8以下精度零件的加工。這項技術經(jīng)筆者公司改良,目前已廣泛用于紡機主要零件銷孔的加工。

鉆頭頂角根據(jù)被加工材料和刀具材料而定,減小頂角或加大螺旋角會增大主切削靠近外徑處的前角,使拐角處刀尖變弱,散熱條件變差,加快刀具磨損。所以,整體合金鉆頭的頂角達到140°,而普通高速鋼鉆頭的頂角為120°。

加工強度、硬度高的材料選用小螺旋角和大頂角;加工硬度低、韌性大的材料選用大螺旋角和小頂角;合金刀具的螺旋角較高速鋼的小;3刃比2刃有更高的加工效率和精度。

1.4.3 絲 錐

絲錐加工的工作條件最為惡劣,刀體同時參與加工的面積大,因而摩擦力大、扭矩大,易折斷,所以刀具使用時要盡量采用較短的工作長度、較大的排屑槽和校準部分較大的后角,以減小高速切削時的摩擦。有的刀具為減小參與加工的工作面積,采取去掉部分相間螺紋齒的工藝方法。直槽絲錐通常用于通孔、盲孔加工,優(yōu)點是易于復磨。刃傾角絲錐是在直槽絲錐切削錐部分增加負刃傾角,切屑從前方流出,用于加工通孔。螺旋槽絲錐的排屑效果好,切削輕快,用于盲孔攻絲。擠壓絲錐的強度高,用于塑性材料。

1.4.4 鉸 刀

鉸刀尺寸精度高,耐磨要求高,橫機用刀具合金較多。國內因底孔的位置度差,使用整體合金鉸刀的情況較少。鑲合金鉸刀是一個解決辦法,但受到孔徑限制。圖3為螺旋推鉸刀,目的是保護已加工孔不被鐵屑劃傷。圖4為組合鉸刀,通過調節(jié)螺釘調節(jié)鉸刀尺寸。

圖3 螺旋推鉸刀

圖4 組合鉸刀

1.4.5 特色刀具

圖5為積木式組合刀具,通過選用不同直徑和長度的刀具進行組合,可實現(xiàn)各類直徑、深度鉆孔、锪孔。圖6是一種簡單實用的鏜孔刀,有1頭、2頭、3頭鏜刀之分。3個刀頭可以分別單獨調節(jié),從而實現(xiàn)粗鏜、半精鏜、精鏜一次完成,極大地提高了加工效率。

圖5 積木式組合刀具

圖6 鏜孔刀

2 橫機用刀具帶來的啟示

2.1合金刀具、高性能高速鋼和涂層技術可以提高加工精度和效率,應大力推廣應用。雖然一次性投入大,但由于刀具壽命及切削效率提高,綜合性價比較高。另外,由于國內已有很多企業(yè)可以進行合金刀具的修磨,修磨費用約為原刀具的20%,降低了刀具成本,為企業(yè)帶來實惠。

2.2不僅要分粗精加工工序,而且要區(qū)分粗精加工刀具。粗加工刀具的使用不僅能降低切削力,保護機床不受大載荷沖擊,還能減小加工應力,減少零件變形;精加工刀具往往是密齒刀具,加工中切削平穩(wěn),不僅改善了零件表面粗糙度,還提高了其形位精度,尤其常用于銅、鋁等硬度較小且無法磨削零件的加工。目前,國內企業(yè)通常情況下只分粗精加工工序,而不區(qū)分粗精加工刀具。

2.3刀具夾持方式對加工至關重要。應用精度高的刀具配以精度高的夾持方式,可以減少振動,提高加工精度,甚至可以減少加工工序,提高生產(chǎn)效率,如以鉆代鏜、以鉆代鉸等。

2.4工欲善其事必先利其器,根據(jù)零件的特點設計簡單適用的刀具,樹立有刃口即刀具的理念。對大批量和有特別要求的零件,我們也要學習橫機用刀具開放的設計思路和方法,開發(fā)簡便適用的積木式刀具,提高工具的適應性,降低生產(chǎn)成本。

3 結語

國外橫機制造企業(yè)用刀具的應用實例帶給我們的思考很多,對待國外先進技術、理念,我們不僅要學習、消化,更重要的是要結合自身的實際情況,將其應用于生產(chǎn)實踐當中,提升技術水平,增強企業(yè)競爭力。