专用难切削材料的刀具

点击数:672 发布时间:2017-08-30
现代高效产品要求采用同样讲究的材料。针对此类材料的加工,也对所采用的刀具的特性提出了一些特别的要求。“现成的”技术方案无法提供很多帮助,因此需要进一步强化研发工作。对此,既要对刀具的结构设计,也要对切割材料和涂层进行优化。在这里,对淬火工具钢、钛金属和CFK复合材料材质的刀具解决方案进行简单介绍。
专用难切削材料的刀具

“在工业加工领域,目前的发展趋势是与日俱增的难加工材料的应用和刀具所受负荷程度越来越大。”位于Oberkochen地区的LMT公司的顾问Diethard Thomas博士说道。今天所采用的材料则以往更加难以加工。特殊的挑战来自于对硬度较大,直至68HRC的钢材、钛金属材料和复合材料的加工,尤其是高科技应用场合所需的碳纤维复合材料(CFK)。属于此类挑战的还有使用越来越普遍的不锈钢,因为在加工这种材料时会产生很不利的切屑。

图1 针对CFK复合材料铣削加工的VHM微型铣刀和转位刀具

对加工策略的优化至关重要

较高或很高硬度的材质要求较高的切削力和较大的刀片负荷,同时所产生的热量也会较大。仅仅通过改进切削刀具的材质特性并不能解决问题:更需要做的是对刀具结构设计、大阻力切割材料和相应涂层进行智能化的综合整改。此外,对加工策略的优化也显得非常重要,例如长短辐旋轮线铣削工艺。

在铣削高强度材料时,通常会考虑缩小切削角度和准备出相应的切割边缘。通过准备出合适的切割边缘,刀片的稳定性可以得到增强。另外一个结构性的措施便是放大边角的半径,这是因为刀片边角所受到的机械载荷和热载荷最大。因此,锐边的出现会导致刀片提前磨损。在刀片材质种类方面,只要是设备的状态稳定,就可以选择具有很高K类热硬度的微粒硬质金属材质。否则的话,则P质量就更有优势。合适的涂层不仅具有很高的硬度,同时也以很高的热硬度而见长。与少数几个固定的材料相比,此类材质的切割值有所降低。根据不同的应用场合,每齿进给量也下降大约20%。

刀具制造厂商所面临的挑战是非匀质材料结构的复合材料。在把CFK与例如铝材相复合的结构部件铆接成所谓的垛材时,必须对板材进行钻孔、铰孔和倒角。迄今为止需要采取三道工序和最多用到三种不同的刀具。现在,LMT Berlin公司对此研发出了一种刀具,采用这种刀具只需一个工序即可完成加工。这种带有PKD刀片的“One-Shot-Drill”(一枪钻)以拥有作业安全的多功能而见长,它可以避免喷溅、毛刺生成和分层现象。在顾及刀具更换时间的情况下,在CFK上镗出1000个符合公差的孔,可以节省58%的成本。

图2 带有ISO转位刀片,用于对钛金属进行粗加工的套式立铣刀。各齿排采用不同的刀片尺寸可以确保新型铣刀的良好性能

“对现代难加工高效材料的相应切削刀具的研发工作实际上需要讲究勤奋。”位于Düsseldorf地区的ZCC公司的产品经理Nobert Reiche解释说。在这方面并没有捷径可走,而是需要坚韧不拔和对细节问题持续进行优化的协作精神,例如切割材料的成分、涂层方式和结构以及刀片的外形与布置等问题。对此则需要与用户、Düsseldorf总厂里的硬质金属技术专家、涂层技术人员和应用实验室进行紧密合作。研发工作主要在德国进行,例如相当关键的涂层范围即为如此。

图3 配备有PKD刀片的One-Shot-Drill钻具可以一次性实现钻孔、铰孔和倒角功能,并可避免断裂、毛刺生成和出现分层

避免分层是CFK铣削中面临的一个挑战

对CFK材料进行铣削时所面临的特别挑战之一便是如何避免分层的问题,即复合材料里有一部分纤维被扯出。在这方面,刀片的几何外形非常重要。单纯降低6mm直径范围内的刀片的几何外形尺寸的做法并不凑效。在这个范围内,ZCC公司在其自行研发的,直径小至0.8mm的VHM微型铣刀上拥有专门的技术诀窍。

这种铣刀通常可以被应用到对高档汽车和跑车的CFK部件的加工场合上。对可以使金刚石涂层达到极佳附着力的高效硬金属合金的研发也是非常重要的。它对刀片的耐久性有着决定性的影响。

ZCC公司也在钛金属材料加工(例如航空航天)领域里潜心研发。钛金属合金具有冷硬化倾向并可构成具有粘结特性的长条切屑。冷硬化现象可以导致刀具快速变钝。此外,尤其是在切削螺纹时,钛金属的典型的弹性和强度特征会造成刀具“卡壳”。

若要达到优良的加工品质,需要选择锋利的刀具、合适的角度半径、正确的硬度和正确的进给量。刀具的硬度要与材料的硬度相适应。目前,ZCC公司与一家用户和一家领先的涂层厂家一起,共同研发更好的、可加工精细部件的刀具,以达到很强的加工能力和一次成型铣削。对刀具形状和刀片几何外形的研发工作由ZCC公司负责实施,刀具涂层则由一家在业内很有名的德国企业负责,而用户则负责各类试验。在经过第一次试验失败之后,所开发的七刀片刀具达到了可接受的效果。该研发团队期待着目前再次改进的刀具外形能够获得关键性的突破。

在加工航空航天所需的钛金属结构件时,往往需要达到一个很高的切削容量,切削速率成为了一个很重要的竞争力指标。另一方面,在钛金属加工上也要战胜极大的挑战。钛金属合金的范围很广,在可加工性方面也存在着各种不同之处。从传统的Ti6Al4V到诸如Ti10-2-3或Ti5553等的强度更高的合金。Ceratizit公司也是本领域里的一家专业化公司。这家位于卢森堡的切削加工厂商具备粉末冶金和应用技术的加工能力。无论是针对涡轮铲斗的高合金钢、耐高温材料,还是钛金属合金材料。

钛金属的热导性能较差,因此切削刀具的热负荷会加大,刀具的磨损风险也会变得更大,这是因为刀具受到的热负荷会加大。另一个因素便是钛金属的润滑性倾向,因此切屑很容易会与转位刀片焊结在一起,并在再次进刀时会与刀刃周边产生烧结现象。

针对各种不同的加工任务,研发出相应类型的刀具产品。转位铣刀在大物料量加工场合可以达到极佳的效益,因此它通常是粗加工场合的首选刀具。而VHM刀具则主要适用于半精加工和精加工,其主要任务当然也是这些方面,例如曲率半径很小、镂空和槽口尺寸很窄而无法采用转位刀具等场合。容屑槽数大和轴向切削率高等,均属于这种刀具的固有优点。

图4 Ceratizit公司是一家在难切削材料加工领域里的专业化企业。高合金钢、高耐热材料和钛合金材料均属于其加工能力范围

切屑的安全排放决定了生产流程

Mapal公司针对钛金属内置结构件的挑战性加工,研发出了一种创新型的带有ISO转位刀片的套式立铣刀。据Mapal公司介绍,齿排上采用各种不同刀片规格,可以使这种新型铣刀达到很高的性能。刀片呈径向安装。“由于材料的可锻性强,刀片会经受到比诸如铸件加工更大的负荷。径向安装方式可以帮助刀片经受住这种负荷。”该研发项目的高级项目经理Axel Fleischer解释道。在研发工作中,除了刀片及其最佳的安装角度之外,铣刀的基体也至关重要。对经过硬化和镀镍处理的特种工具钢的选择,是影响到铣刀基体功能的一个重要因素。

对内部冷却剂的输送作了彻底的优化,每个刀片均单独接受冷却剂的供给。最佳设计的冷却剂输送路径与经过抛光的大容量切屑腔室可以确保切屑的安全排放。在研发过程中,切屑腔室的结构设计虽然显得有些繁琐,但是对于铣刀的成功应用来说,则非常重要。这是因为在切削率很高的情况下,确保流畅的切屑排放是至关重要的。“对此也需要做大量的试验工作。”Mapal公司研发工程师Dietmar Maichel总结说道。

各个部分的优化结果汇总起来的效果究竟如何,最初的实际试验结果可以给出答案。“航空领域里的一个用户对采用新型Mapal钛金属加工铣刀所能达到的数值非常满意。”这家位于Aalen地区的企业的项目负责工程师Jens Ilg如是说。在加工TiAl6V4钛合金部件时,采用了两款直径分别为50 mm(Z=4)和63 mm(Z=5)的新型铣刀,其最大切割深度为30 mm,每齿在全断面切割时的进给量为0.15 mm。

在航空航天领域,大约有三分之一用于铆钉和螺栓紧固的复合材料孔是通过手动工具进行打孔的。因此,在设计刀具时需要特别重视对手动工具所存在的无法避免的定位与稳定性方面的不良影响进行补偿。

尤其是当刀具发出侧向楔入力或需要耗费很大的垂直力时,孔的质量、生产率和员工的注意力都会受到不良的影响。此外,在刀具发生断裂时,孔的下部便会产生毛刺、破裂和分层。倒角往往也会受到损坏。对钻孔的典型要求是粗糙度Ra<4.8 μm,整个范围内的分层程度为<1 mm且无剥落现象。如果是金属包覆的情况,则粗糙度要求为Ra<3.2 μm(<1.6 μm,金属范围),孔的误差范围为±0.02~±0.04 mm,而CFK的误差范围则为无切屑损伤现象出现。