瓦尔特:提高切削效率、降低加工成本

提高切削效率、降低加工成本是金属切削技术长期追求的发展目标。一般来讲,提高切削效率、降低加工成本主要有三个途径:提高切削速度、提高进给速度和提高切削深度。

1．高速切削

切削速度的提高反映了机械制造整体技术水平的进步,为机械制造业带来了巨大的经济效益。从切削加工的发展历史来看,通常是通过开发和改进切削刀具材料来大幅度提升切削速度,从而达到提高切削效率、降低生产成本的目的。20世纪80年代以来,欧美刀具制造业经过大量的试验研究,对切削机理的认识有了新的突破,认为当切削速度的提高超过某个临界值(因材料而异)后,刀具的磨损并非按照泰勒曲线的规律急剧增加,而是在以后的某个区间内随切削速度的提高而有所减少,并在经历一个谷底后再重新上升。虽然对这一现象尚未得到一致的理论解释,但并不妨碍根据这一规律在此谷底附近区间进行高速加工技术的应用。目前,工业发达国家的航空、汽车、动力机械、模具、轴承、机床等行业依据这个理论发展高速切削,使上述行业的产品质量明显提高,加工成本大幅度降低,获得了市场竞争优势。

理论分析和实践证明,高速切削是一个系统工程。从技术的层面上看,高速切削涉及高速主轴单元、快速进给和高加(减)速度的驱动系统、高性能的快速CNC控制系统、高刚性的机床结构、数据的快速处理和传送、动平衡控制、超硬刀具材料和镀层工艺技术等各个方面；从管理的层面上看,高速切削涉及高速加工理念、新的管理方法等。作为系统的一部分,各个环节只有互相协调,才能发挥其应有的效益。如在加工模具的曲面时,如果其它环节都符合高速加工的要求,但其CAM的数据处理只使用直线插补而不是圆弧插补或样条曲线插补来模拟工件表面的曲线,机床的进给系统总是处在不停的加减速过程中,就无法达到预定的进给速度,从而限制了切削效率的提高和生产成本的降低。同样,如果在高速铣削中选用普通结构的三刃立铣刀,由于其通常采用一齿过中心的结构,动平衡性能先天不足,同样也不能达到预定的转速,不能获得预期的加工效率。

瓦尔特公司是世界领先的金属加工刀具企业之一,在与世界各地的制造业尤其是德国汽车业的合作中积累了大量的成功经验。瓦尔特(无锡)有限公司很早就在中国开始了高速加工的实践。看到高速切削正在中国快速发展,作为国内企业的系统刀具伙伴,瓦尔特(无锡)非常愿意与中国制造业共同分享高速切削的技术成果。

在高速切削加工中,首先应充分重视刀具安全性问题。铣削是目前高速切削应用的主要工艺,铣刀(包括面铣刀、立铣刀和模具铣刀)是主要的高速切削刀具。这类刀具在高速旋转时各部分都要承受很大的离心力,由于其作用远远超过切削力的作用(过大的离心力足以导致刀体破碎),因此成为刀具的主要载荷。德国在20世纪90年代初就开始了对高速铣刀安全性技术的研究,并在机器制造商协会的支持下,组成了由大学研究机构、刀具制造厂、研究所和刀具用户参加的工作组,从事高速铣刀安全性技术的研究。经过近十年的工作,取得了一系列阶段性成果,制定了德国国家标准并被采纳为欧洲标准,推动了世界范围内高速切削技术的发展。在此过程中,瓦尔特公司与工作组一起就高速铣刀的强度计算进行了研究。通过专门用于高速铣刀的有限元计算方法,分别开发了刀体、刀座、刀片、夹紧螺钉的计算模块,还可模拟刀片在刀座里的滑动、螺钉头在拧紧和工作载荷下的变形等。研究计算显示,当转速达到某临界速度时,螺钉达到临界应力而出现拉伸变形。而在达到临界速度之前,螺钉首先产生弯曲,实际长度变长,夹紧力下降,造成刀片产生位移。

为了保证切削加工的安全,德国标准规定刀具产品应在至少超过厂家标称的最高转速60%的情况下才能发生位移,在至少超过厂家标称的最高转速100%的情况下才能发生解体或整体刀具的折断。

在实际应用中,瓦尔特公司在2000年的综合样本上,列出了几乎所有的扩孔、镗孔刀具和铣刀在不同直径下的的最高转速,保证在使用规定的原产刀片和原产配件的条件下铣削是非常安全的。而在德国达姆斯塔特大学的实验中,瓦尔特标称最高转速8000r/min的铣刀在实际转速高达36700r/min时才发生解体,也充分说明了瓦尔特刀具本身具有足够的安全性。随着高速加工的应用日益广泛,现在越来越多的欧美刀具厂商在刀具设计阶段就考虑对高速切削的适应性。如瓦尔特的球头铣刀新产品F2339,其刀片底面有两个空刀窝,可与刀体上的凸起部分相配合,对作用在夹紧螺钉上的离心力起卸载作用,使其可以采用相对较高的切削速度。高速铣削时,加工铝合金的面铣刀在直径较大时其转动惯量也会很大,因此瓦尔特对加工铝合金的大直径铣刀采用了高强度铝合金刀体,极大地降低了转动惯量,增加了刀具的安全性。2003年,瓦尔特还推出了能在尺寸调节过程中自动进行平衡适应的镗刀。

高速加工时,除了刀具本身的安全性,刀具夹持系统的安全性和安装后的整体动平衡性能也必须充分重视。瓦尔特推荐在高速切削中使用HSK空心短锥柄作为刀具与机床的接口,刀柄与刀具的接口采用液压式、热膨胀式,而将标准的圆柱柄(不带削平结构)作为刀具柄部的主要形式。在非常高的转速下,除刀具和夹持系统本身的平衡是必要的前提条件外,刀具安装后仍需要进行整体的平衡。因此,用于加工铝合金的大尺寸铣刀必须能进行平衡调整。一般说来,高速切削条件下的盘类刀具至少应进行静平衡,而杆类刀具则必须进行动平衡。由于我国企业较少在引进高速机床的同时引进平衡设备,因此希望能引起刀具用户的重视。同时,笔者认为国内刀具供应商也必须加强高速刀具安全性的研究,以促进我国高速切削技术的发展。

由于高转速带来高的金属切除率,因此,即使是加工铝合金也会对机床的功率提出很高要求。计算表明,用直径30mm的3齿玉米铣刀加工宽30mm、深度也为30mm的槽,如采用1100m/min的切削速度和0.1mm/z的进给量,功率可能达到57.6kW。因此,瓦尔特公司推荐用户采用的高速切削策略是:高的切削速度、中等的进给量和小的切削深度。对于大余量加工,建议采用分层切削。

2.高进给切削

按传统方式进行精加工时,由于对工件表面粗糙度有一定的要求,刀具的进给量较小。例如车削表面粗糙度要求为Ra0.4μm的圆柱表面,当刀尖圆角为0.8mm时,其进给量fz应不超过0.10mm/r。为了满足高效切削的要求,目前刀具制造业已开始向用户推荐高进给的Wiper刀片。Wiper车刀片一般是按设计的主偏角在副切削刃上制造出一个直线形的修光刃(也有用大直径圆弧作修光刃的)。在理论上,如果不考虑系统刚性和修光刃本身的微观缺陷,只要进给量不超过刀具修光刃的宽度,则工件的表面粗糙度仅受工件材料晶粒大小的影响(这个影响是微乎其微的)。在实践中,某汽车零部件制造企业使用瓦尔特的Wiper车刀片采用了0.3mm/r的进给量,比原有加工效率提高三倍多,而工件表面粗糙度仍达到Ra0.4μm。

与此同时,瓦尔特也致力于大进给铣刀的开发。今年,瓦尔特的大进给铣刀F2330已经问世。这种铣刀具有变化的主偏角(最小处为0°,外径处的主偏角约15°),切深一般不超过2mm,而最大进给量可以达到每齿3.5mm。以工作直径52mm的瓦尔特F2330铣刀为例,由于该铣刀具有3个刀齿,故刀具每转进给量最大可超过10mm。

3.大余量切削

国内一般将大余量切削称为重切削。在笔者看来,大余量切削虽然也是高效切削的一个方面,但总体上并不能称为新技术。过去国外只有几家刀具制造商生产采用立装刀片结构的重切削铣刀,近年来,包括瓦尔特公司在内的一些国外主要刀具制造商都可供应多种重切削铣刀。

笔者认为,值得注意的是用于模具深腔粗加工的大余量切削铣刀。通常在加工型腔时采用沿等高线切削的加工方法,即使采用爬坡法也属于斜向切削。由于采用这两种加工方法均存在一定的径向切削力,而在深腔加工中刀具悬伸较长,为了避免在径向切削力的周期性作用下产生振动,通常采用较低的切削用量,从而使得切削效率较低。瓦尔特公司近年推出的插入式铣刀F2230,采用完全的轴向进给,从而在铣刀上几乎没有轴向切削力,使切削用量和生产效率得以大幅度提高。2002年,湖南一公司粗加工材料为30CrMnTi的传动轮,过去采用国外某著名刀具公司的玉米铣刀进行分层切削,整个粗加工时间过长(耗时约90分钟),在加工到一半时还需更换刀片,因此仅粗加工时的刀片消耗就达约300元人民币。采用瓦尔特F2230铣刀后,加工效率大幅度提高,耗时减少到51分钟,一次装夹刀片后可以加工1.5～2个工件,工件粗加工时的刀片消耗降至约100元人民币。由于刀具费用、机床费用和换刀费用都显著减少,因此每年节省制造费用约9.8万元人民币,经济效益明显提高。

笔者认为:高效加工技术的发展和应用前景广阔。在上述三类高效切削方法中,大余量切削的发展余地相对有限,因为大的加工余量代表着较低的材料利用率和相对较低的经济效益,而且随着精密铸造、精密锻造等工艺的不断发展,大余量切削的应用场合会进一步减少。因此,研究的重点应集中在高速切削和高进给量切削技术方面,其中高速切削又是最值得重视的高效加工方式。在高速切削领域内还有许多工件材料的切削特性需要在不断的切削实践中被认知,而随着材料技术尤其是纳米技术的发展,刀具材料的切削性能也将得到不断提升。这些刀具技术的发展必将同机床制造技术、数据处理和传输技术、切削热控制技术等相关技术的进步形成良性互动,从而促进高效切削技术的不断发展。

(责编:阿 杰)

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