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组合刀具的合理使用及选择

时间: 2011-07-01 15:00 来源: 作者: 赵炳桢 编译点击:
为了适应制造技术所面临的产品日益多样化、更高的生产效率和环保的要求,相继出现了高速切削、干式切削等新的加工技术。高速切削技术使加工过程中的切削时间显著减少,这是采用了新的材料和涂层所取得的效果。在此基础上,通过进一步提高切削参数来提高生产率的潜力已十分有限。

提高生产率另一种办法就是尽可能减少辅助时间。首先,把复杂零件分解为多道工序并采用多种刀具的加工工艺方法需要占用很多换刀时间和工序前后的传送时间。减少这些时间对提高生产率具有现实意义。其中一个已被证实很有效的做法就是用多功能的组合刀具取代功能单一的标准刀具,而正确选择和合理使用组合刀具才会取得应有的效果。

组合刀具的形式

迄今为止,组合刀具有多种形式。常见的阶梯钻就是一种简单的组合刀具,其特点是在一次走刀中完成几把刀同一种工艺的加工。较复杂的组合刀具常常集成可完成不同工艺的几把刀,如能钻孔又能铣削的钻等组合刀具,通常要分几次走刀或在不同工位上依次完成几把刀的切削。这是一种最典型的组合刀具,可覆盖很大的加工范围,既有简单的钻孔—倒角组合刀,也有集成5~10把刀的专用组合刀具。还有一种更为复杂的组合刀具:内部集成有产生辅助切削运动的传动机构或旋转轴,有机械式和机械电子式两种,可以满足加工零件特殊部位的要求,这样的刀具对结构或机床的控制系统往往有特殊的要求,以实现对刀具运动部分的控制。

组合刀具的优点

组合刀具的主要优点是提高了生产效率。如使用有4个阶梯的,加工一个活塞孔的时间大约缩短70%。除了节省换刀时间外,用户还可从空出的机床刀库位置和减少的刀具夹头中获益,空出的刀库位置可使备用刀具在机床工作的同时予以更换。由于刀具数量减少,所以可简化刀具的管理,节省费用。

关于组合刀具价格昂贵的问题,Bosch Rexroth公司技术开发部主任Emrich博士认为,在计算时应考虑到由于减少刀夹和节省行政费用所得到的补偿;因此,一把专用组合刀具能替代的标准刀越多,就应越早加以采用。此外,在加工质量方面,应用专用组合刀具也是有利的,使机床的定位精度不再那么重要,例如一个多台阶的孔在一次走刀中就加工完成,孔的不同心度误差也减少,因为前面的钻头对后面的钻孔起到了定心的作用。他同时指出,使用复杂的组合刀具要求机床的操作者有相应的知识,所以对他们应进行适当地培训。

几种典型的组合刀具


图1 模块化组合刀具

图1是Kennametal Hertel公司的模块化组合刀具。由钻头、倒角刀和刀体模块组成。可根据加工对象更换模块,调节孔深。模块化的结构有可能使各种带柄的昂贵的专用刀具、消振接头组成不同的专用刀具,用在不同的机床上。


图2 加工连杆孔组合刀具

图2是Walter公司预加工连杆孔的专用刀具,使加工连杆的刀具数量减少,生产效率提高;并对可转位刀片的材质、几何形状、涂层作最佳的选择,保证较长的刀具寿命。


图3 刀片位置可调的组合刀具

图3是BilZ公司的可调阶梯刀具,包括镗孔和铰孔工序,一次走刀完成孔的全部加工。其特点是可利用一个滑楔对镗刀的可转位刀片进行调节,根据加工要求,可作轴向、径向或角度的调整。该调节装置可用于不同几何形状的可转位刀片,且装夹定位可靠,甚至可用于断续切削。


图4 扩—铣组合刀具

图4是Ruebig公司开发的加工练板的扩—铣组合刀具,有4把可转位刀具在一道工序中依次进行扩孔、精镗、平端面和铣倒角等加工,保证了很高的加工精度,而对机床精度的要求已不重要。


图5 多工序PCD组合刀具

Mapal公司的PCD组合刀具的特点是,它把在一个工件4个不同工位加工的刀具组合在一起,包括铣平面、镗孔和圆周铣削(图5)。被加工工件是一个铝合金(AlSi93Cu)支架,首先是三刃铣刀进行圆周铣削,接着是镗阶梯孔和倒角,然后铣接合面,最后镗连接孔。

另一个典型例子是加工螺纹孔的组合刀具。一般采用常规的工艺需两道工序、钻孔和攻螺纹。而Emuge公司创新开发的组合刀具把钻底孔、倒角和切螺纹加工并成一道工序完成,在圆周铣螺纹时,刀具走一个螺距就完成螺纹的加工(图6),用这把刀具可加工不同直径相同螺距的螺纹。之后又集成了倒角工序,进一步扩大了刀具的功能和经济效果。


图6 加工螺纹孔的组合刀具


图7 铣螺纹——镗孔组合刀具

图7是JEL公司的加工螺纹和镗孔的组合刀具,用于加工铸铝合金制造的过滤器壳体,包括加工一个S80×3的锯齿螺纹孔、一个直径为80.1mm的输入孔和45°的锪孔。该刀具由一个刀体夹持一个直径为25mm的4齿PCD螺纹铣刀。为了镗输入孔和倒角,在刀体的圆周上焊有三片PCD刀片,刀具的加工效率很高,镗孔时切削速度为2500m/min,进给量为0.1mm/r;铣削螺纹时,切削速度为1180m/min,每齿进给量为0.01mm。全部加工时间为8.8秒。


图8 可径向走刀的组合刀具

要在内孔加工空刀槽,可用有控制功能的组合刀具。图8是Komet公司开发的加工铸铁刹车鼓壳体的孔和槽的组合刀具,可保证两者之间很好的同心度。它是由一把套装铣刀和一个滑块组成,加工时首先由铰刀铰孔,然后整把刀具继续在孔内旋转,由滑块带着两把刀进行径向切槽,此时铰刀的刃带起支承作用。使用这把刀具的前提是,需要一台专用机床,以操纵驱动滑块的拉杆。为了使这种组合刀具能在标准机床上使用,Komet公司推出了机电一体化的可调滑动元件的刀具,在刀杆里面内置一个可控的电机,驱动刀具里的一个旋转轴,这样可由系统直接控制滑板的移动。

从以上介绍的各种组合刀具可以看出,多数组合刀具是针对一个特定的应用场合而开发的专用刀具,因此供货时间长。如何才能缩短供货时间,确保产品质量,Komet公司在1996年实施了一个“容易专用化”项目,借助一个CAD/CAM系统,对每一个具体工件的组合刀具可根据图纸的数据进行模拟。至今,Komet公司组合刀具的30%销售额是用这个方法开发的,供货时间由平均8~10周下降到只需3周。


图9 刀体标准的组合刀具

另一种缩短交货期的做法已在Rubig公司内得到应用,该公司准备了可加工成不同形式安装可转位刀片的标准化刀体,在这个刀体上还留有空间,可增加更多的刀具。因此,通过巧妙地组合这些标准构件组成不同的专用刀具,缩短了交货周期,也降低了制造成本。图9是Guhring公司的用于铰、镗加工的带有可调系统的刀具,在一个标准的刀体中集成了多种刀具。

组合刀具的发展前景


目前越来越复杂的组合刀具结构被用户所认可。为推动组合刀具的发展和扩大使用范围,刀具制造商在开发这些刀具的同时,必须考虑到用户可能遇到的种种问题,寻求解决办法,采取种种措施,包括开发有一定柔性的可控的刀具、开发新的涂层技术、刀具材料和几何形状,为降低刀具成本,甚至可把刀具的生产基地转移到制造成本低的地区去生产。

但是有柔性的组合刀具只有在不需改造机床或与控制系统能顺利连接时才得以推广;新的组合刀具将把与加工效率有关的每个因素,如基体材料、涂层材料、几何形状等因素,都应针对具体的加工对象予以最佳化,形成综合优势。与此同时,由于辅助时间的节省而提高了这些优势的利用程度,取得提高生产率的效果。这种把提高切削效率和减少辅助时间综合应用的趋势,将推动组合刀具更广泛的应用。

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