可转位刀具的利与弊

从上世纪20年代末以来,硬质合金切削工具已普遍应用于金属切削领域。在1950年左右,采用硬质合金刀片的刀具逐步广泛用于金属切削,直到至今仍是金属切削的必备利器。

可转位刀具通常由钢制刀体等组成。刀体上加工出刀片窝槽,用以精确定位刀片。钢制刀体需夹紧刀片,并可将刀体和刀片的组合体安装在加工机床上。

可转位刀具对整体刀具的优势

在采用硬质合金可转位刀片前,需要将整体刀具从加工机床上拆卸下来进行重磨。由于重磨的工作量很大,大型工厂通常建立重磨车间来专门进行工具重磨。因此,采用可转位刀具的一个最显著好处就是不需要从生产现场拆卸刀具就可实现切削刃的更新。刀片切削刃的更新通常用以下方法来实现:松开夹紧的刀片,旋转或翻面(转位)刀片到一个新的切削刃,或安装一片全新的刀片来取代完全磨损的刀片。

尽管某些场合还在使用整体钻头、丝锥和其它整体工具,在现代的车削工艺中,可转位车削刀具已处于主导地位。随着CNC机床的普及,可转位刀具已经有效取代了高速钢刀具、硬质合金钎焊刀具和特殊成形刀具。借助CNC机床的多轴联动和几乎无需使用专用车削刀具,可转位车削刀具能简化生成复杂形状。

此外,在车床上使用可转位钻头也比使用传统的整体高速钢或硬质合金钻头更具优势。通常先用可转位钻头钻孔,然后将钻头偏离孔中心来扩孔,这样就不需使用镗刀进行镗孔。由于CNC车床的转塔刀架通常会由于磨损造成不对中而损坏标准钻头,而采用可转位钻头就会更适应这种不对中情况。

像可转位钻头一样,使切槽刀片功能多样化的切槽车削刀片,代表了车削刀具的一个巨大进步。老式的切槽技术只能在一个方向进刀,而切槽车削刀片在径向和轴向都可进刀切削。

常见应用

不同刀具制造商的可转位车削刀具有很大的通用性。车削刀片按常用形状如菱形、正方形和圆形来制造,刀片的形状和尺寸符合ANSI和ISO标准。这种通用性可使工艺人员自由选择刀片的材质和刃口槽型。由于所有的主流刀具制造商均按相关标准生产车削刀片,因此,选择一种最佳性能的刀片相对来说比较容易。

与车削刀具不同,不同刀具制造商的可转位铣刀刀体采用了不同的刀片形状和槽型,用户只能购买对应刀具制造商的铣刀片。尽管如此,工具制造商已为其专有的刀片形状开发了成系列的铣刀刀体,一种刀片就可用在一个系列的刀体上,由此可减少库存并让工艺人员的使用更灵活。

大多数工具的制造商可定制非标的可转位成形刀具。而成形铣削刀具仍是完成复杂形状的有效方法,并能提高生产效率和减少刀具库存。通常,带有阶梯、圆弧和倒角特征的零件需用多种刀具共同加工。若采用组合可转位成形刀具来加工,则可缩短生产时间、降低刀具库存和提高零件质量。

定制的非标可转位刀具价格昂贵,并且通常需要修改刀片,因此刀片价格不菲。因为这些原因,定制的可转位刀具通常用于大批量生产或用于制造昂贵零件。

可转位铣削刀具的一个重大技术进步在于对模具大型腔体的插铣粗加工。由于用于深腔或阶梯的粗加工刀具很长,在传统加工工艺中,刀具侧面给进切削会诱发刀具振动。粗加工插铣刀则按轴向进给,可使切削力导向机床刚性最好的主轴锥度部位。需要超长刀具加工时采用插铣粗加工可带来很高的金属去除率。

不足之处

可转位刀具也有不足之处。刀片通常是在模具中用高压压制合金粉末和结合剂制成。压制成形后,再用高温烧结,使合金粉末与其它材料结合,并使刀片具有一定强度。这种压制刀片比磨制刀片刃口强度更高。尽管刀片强度更高,但刃口不够锋利,限制了有效的浅切深能力,从而使精加工变得更困难。

对于带有多个刀片的铣削刀具,刀片窝槽和刀片尺寸的变化,会使不同刀片的切削刃位于不同平面内。其后果是产生较差的表面光洁度或明显跳跃的接痕。对于这种情况,只能采用另一类型的刀具来进行精加工。

随着工具行业继续需求模块化、低库存、高生产率、更长的刀具寿命和通用刀具解决方案,可转位切削刀具技术将不断进步并取代已过时的刀具。

螺钉驱动槽型

用传统的锥面驱动槽如十字槽(Phillips)拧紧或松开螺钉时,拧紧工具常会打滑。根据受力分析,施加于螺钉的部分能量会使螺丝刀或起子头从螺钉槽口滑出。操作者必须施加额外的端面压力才能防止这种滑出效应。

带垂直侧壁的驱动槽如Hex(内六角)、Torx(梅花型)和TorxPlus(梅花增强型),消除了这种滑出效应。Torx和TorxPlus驱动槽的基本区别是:前者带有15°的驱动角,而后者几乎是0°角,从而可以保证最佳扭矩传递到螺钉。尽管具有垂直侧壁的Torx驱动槽可防止滑出效应,但其15°驱动角阻止了起子头和螺钉槽的完全啮合,并产生少量的、可缩短起子头寿命的径向应力。

由于Hex驱动槽不仅会在接触点会产生应力集中,而且不可避免地造成螺钉头部的损坏。相对施加的力来说,其传递的扭矩也相对较低。

拧紧或松开螺钉的危险在于高应力集中。高的应力主要发生在hex螺钉头部并使螺丝刀和螺钉产生应力。基于椭圆几何形状以及没有角边的Torx驱动槽可减少应力集中,可保护螺丝刀和螺钉并延长其寿命。这种基于椭圆的几何形状带来了起子头和螺钉之间的小容差范围并改善了力闭合。

TorxPlus驱动槽通过几乎0°的工作角和更大的芯部直径来进一步改善了力闭合,允许更高的扭矩传递和防止螺钉和螺丝刀损坏。

硬质合金刀片的制造商常采用Torx或TorxPlus系统来拧紧刀片。因为能更加有效地传递扭矩,所以采用TorxPlus是发展趋势。采用TorxPlus驱动槽,几乎不需施加端面载荷就可保证螺丝刀与螺钉槽啮合,减少了手动装配时操作者的肌肉应力和疲劳。一般来讲,硬质合金刀片制造商更倾向于手动锁紧方式而不是自动锁紧系统。

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