数控刀具

浅谈切削刀片的演变

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浅谈切削刀片的演变
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背景:

随着时代的变迁,切削刀具的形状和切削刃几何参数经历了一系列有趣的演变。

伴随着对更高生产效率和加工效率的不懈追求,研制新合金牌号并推介至生产车间,促使了智能精密刀具演变的日益加快。客观而言,金属切削可转位刀片不断演化,其几何参数被不断地修正,形状也经历了多次重新设计。

在20世纪中叶,国际标准化组织颁布了ISO标准,该标准详细规定了制造可转位刀片应遵循的具体尺寸和特性,其目的在于保证不同制造商的可转位刀片和刀槽的兼容性。

ISO标准是机床操作员、安装协调员以及生产组长们一贯执行的规范,但新的技术革命催生了一系列设计迥然不同的刀具,它们不仅具有令人印象深刻的几何形体,能满足各行业对高速刀具的苛刻要求,还同时保持较长的每刃寿命。

缘起:

为了提升生产效率和实现快速金属切削(FMR),人们不断抛开ISO标准另辟蹊径,追求精密独特的切削刃几何参数设计。实现这些目标的途径之一是寻找一种提高切削速度和进给量的方法,在尽可能短的时间内切除大量材料。

然而,对刀刃几何形状进行改进以提高加工效率的尝试遭遇到了小功率CNC加工中心主轴功率不足、低扭矩、夹具夹持力不足等限制因素的制约。

考虑到上述限制,刀具制造商把主要精力集中在设计更低切削力的刀片刀刃上。切削力减小后,即使提高刀具进给量和切削速度,也能够使刀具的加工操作相对平稳;而且,因切削力的降低,还能在一定程度上降低振动。

超细晶粒硬质合金基体的发展,兼以一系列出色的耐热、耐磨涂层,以及先进的粉末金属压制技术,共同促进很多具有独特几何形状、新颖切削刃刀具的成功问世。

来自计算机领域的技术进展,如CAD/ CAM软件及其他设计软件,也使得研发部门的工程师及刀具设计工程师受益匪浅。

计算机软件、有限元分析系统和仿真软件成为研发部门工程师达成设计目标的主要支持及辅助工具。在对切削刃的几何形状进行优化设计时,这些软件可以提供正确的决策数据,从而进一步提高加工效率和生产效率。

在这种创新趋势下诞生了螺旋切削刃,这种刀具不仅可以降低能耗,而且能够在低功率机床上实现高强度的加工任务。同时,这种创新趋势也促进了大正前角切削刃、立装夹持机构以及其它高性价比设计元素(如多切削刃刀片)的发展。

下面按加工类别对几款新型刀片进行介绍:

铣削

革新的可转位刀片设计,先进的几何形体等一系列对刀具的改进提升了刀具在切削加工中的表现,通过铣削加工最能体现。

从数学公式计算的角度看,提高切削速度和进给量在铣削加工中具有关键作用,因其直接作用为提高金属去除率(用Q表示)。

伊斯卡正在着力推进刀具的几何参数的改变、创新发展切削刃的形状和设计,以便让用户能够获得更高的金属去除率Q。

铣刀片结构日新月异,演变仍在继续。提升生产效率,推动铣削理念的不断推陈出新,设计指向更高进给率、直指高金属去除率。

案例之一,伊斯卡飞碟铣刀(Feedmill)凸三角形铣刀片,大圆弧切削刃,具有刀片进给速度高,每齿去除材料多的优点。

另外,刀片底部带有圆柱形凸起部分,该凸起部分能够安装在刀槽内的匹配孔里,这使得刀片可承载更高的切削力,并能够在超常规进给速度下运转。基于此设计,刀片的夹紧更加牢固,并将通常作用于夹紧螺钉的大部分应力传递至凸起部分。由于刀具独特的几何参数设计,使切削力沿轴向作用到主轴上,即使应用于大悬伸加工,也能保持很高的稳定性。

案例之二,在立装铣削系列中,蝴蝶刀片表现出高的切屑可控性。立装夹持机构减小了施加在螺钉上的应力,进而消除了螺钉失效的潜在风险。蝴蝶铣刀(TANGMILL)单次走刀就能实现切深达14mm的高精度90°方肩铣。立装铣刀片兼以大正前角切削刃,可降低加工过程中的切削力。

案例之三,伊斯卡风火轮(Shredmill)系列铣刀,该铣刀刀片为圆形,带有锯齿切削刃。刀片底部带有一个圆柱形凸起部分,刀片可实现四次转位。

在进行超深腔铣削加工时,即使空冷吹气进行排屑,由于切屑形状、重量和尺寸的影响,排屑也会经常出现问题。在深腔加工中,有一种现象,就是对余留的长切屑,一起进行二次切削。

而使用风火轮刀片进行加工时,由于其独特的锯齿切削刃设计,产生的切屑很小,避免二次切削。

另外,刀片切削刃上的锯齿交叠设计,实现了“全效率”刀具结构。深腔大悬伸刀具容易引起振动和不稳定。

案例之四,为实现模具加工中的大进给粗铣及型腔加工, HELIDO H600刀片植入了三种成熟的设计理念:螺旋切削刃使刀具切入更加平稳;17°主偏角减少了刀具的径向力;伊斯卡束魔涂层技术(Sumo Tec)延长刀刃使用寿命。每个凸三角形刀片周边磨制形成六个切削刃,并紧固在楔形定位槽内。

切槽和切断

案例之五,五角霸王刀的问世。对于切槽和切断加工,刀片的几何参数和形状从单刃、传统设计刀片演变为五角形刀片,这种刀片具有五个切削刃,每个切削刃都带有卷屑槽。因此在进行切槽、切断和侧壁车削时经济性很高。

从几何学角度而言,由于五角刀片带有止推挡块,因此具有很高的径向精度。

这种多功能车刀在进行切槽、侧壁车削和端面车削等一系列工作时,确保在大切深、高进给情况下工件侧壁具有高精度。

这种五角形设计使刀片更加强固,因此具有更高的切削参数、更出色的直线度及表面光洁度,尤其是在槽底和侧壁处。

案例之六,立装槽刀,譬如,TANG-GRIP立装自夹式槽刀,单头,全新的夹持方式。此设计使得刀片高刚性立装夹持于刀槽,刀槽寿命更长。另外,可实现在高进给率下,获得高直线度和高表面光洁度。此类刀具,切削力作用于接触面长,刚性佳的刀槽后壁。

与先前的夹紧系统相比,这种新型设计的刀具没有上压爪,因此更适用于大直径工件的切断和断续加工,排屑更流畅。所有这些特性使退刀时刀片可能脱落的问题得以解决。

结束语

如今,整个制造业都在努力提高生产效率。越来越多的制造商正在积极优化生产过程,期望将生产成本降到最低。

这种不遗余力的追求,颠覆了传统刀具在形状、几何参数和卷屑槽方面的设计理念。

在这种创新趋势下诞生的螺旋切削刃刀具不仅可以降低能耗,而且能够在低功耗机床上进行高强度的加工任务。同时,这种创新趋势也促进了大正前角切削刃、立装夹持机构以及其它高生产效率设计元素的运用。

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