可换头式刀具的新进展
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钻削是切削加工中应用最多的工艺,无论是在加工中心、数控车床,还是在专用钻床上,都可以进行钻削加工。每孔加工成本、钻孔质量和孔的完整性都是选择钻头和工艺时需要考虑的关键因素。常常可以把一些相关的加工工序如铰孔、倒角、扩钻、镗孔等集成在一把刀具上,在钻孔时很方便地一起完成。
人们公认,钻削是切削加工中应用最多的工艺,无论是在加工中心、数控车床,还是在专用钻床上,都可以进行钻削加工。每孔加工成本、钻孔质量和孔的完整性都是选择钻头和工艺时需要考虑的关键因素。常常可以把一些相关的加工工序如铰孔、倒角、扩钻、镗孔等集成在一把刀具上,在钻孔时很方便地一起完成。
可更换钻尖的钻头于20世纪90年代后期问世,当钻头上的硬质合金钻尖磨损后,可以方便地进行更换,而无需将钻头的刀体从刀柄和/或机床主轴上取下。每一把钢制刀体可适用于给定尺寸范围内不同直径的齿冠,用户无需为钻削每一直径的孔而购买一支特定尺寸的钻头,从而可以节约成本。通常,钻头刀体可覆盖的孔径范围约为1mm,许多刀具供应商提供的钻尖直径增量为0.10mm。
在钻头钢制刀体上更换硬质合金钻尖的概念引导了可换刀头铣刀和模块化铰削系统的开发,并同样取得了成功,使用户获益非浅。
可换钻尖式钻头在以下方面具有优势:
  1. 节省大量加工操作和刀具管理费用;
  2. 减少刀体使用的硬质合金材料;
  3. 更长的刀具寿命和孔加工的可预测性;
  4. 减少钻头库存;
  5. 消除了对钻头进行重磨、返回和所需备份刀具的流动性;
  6. 装刀时间大幅缩短,因为是在机床和刀柄上更换钻尖,无需预调、补偿和对刀。
为了正确选择钻头类型,就需要正确回答关于钻孔尺寸、公差和表面光洁度要求,以及加工任务或车间的经济性等问题。对于孔径小于12.7mm的加工,考虑到加工精度和加工性能,整体硬质合金钻头仍然是推荐的解决方案;对于孔径大于25mm的加工(特别是粗加工),推荐使用可转位刀片式钻头。在大功率机床上加工孔径大于25mm乃至51mm的孔时,采用可转位刀片式钻头尤其有效。
在孔径范围为12.7-25.4mm之间的钻削加工中,可换钻尖式钻头已成为一种常见的选择,因为这种钻头可提供兼具精密制孔能力和成本效益的、可衡量的综合竞争优势。硬质合金钻尖具有针对工件材料和加工要求优化钻尖形状设计的特点,并且通常不进行重磨,因此更换的每个钻尖都是新的,其加工性能与所有其它新钻尖完全相同,而重磨的整体硬质合金钻头则做不到这一点。
肯纳旗下Widia公司新开发的Top Drill M1模块化钻头在8-25.99mm的标准孔径范围内,兼具模块化钻削系统的经济性和整体硬质合金刀具的加工性能及孔加工质量,适用于长径比(L∶D)为 3D和5D的孔加工,钻头刀体既可以配法兰刀柄(公制),也可以配圆刀柄(英制)。
肯纳公司的Chris Merlin解释说,TDM1模块化钻头是Widia公司新上市的Victory产品线的组成部分,它是一种采用精磨钻尖和精磨刀体的免夹紧可换刀片式钻削系统。这种非重磨刀片避免了使用可重磨刀片所带来的物流和刀具寿命方面的难题。
Merlin说,“由于不存在刀片重磨问题,模块化钻头提供了加工性能的可预见性。TDM1钻头使用户可以避免这样的难题:为了保证重磨性能,有时必须在可重磨钻头尚未达到最大使用率之前就更换刀具。”
像TDM1这样的模块化刀具通过可更换刀片之间的一致性,保证了加工孔径的一致性。而可重磨刀片因为存在背锥,会造成孔径缩小。当然,可重磨刀片还会造成钻头长度发生变化。使用TDM1钻头时,不再需要在工具室预调刀具长度,也无需在工具室与机床之间来回搬运刀具,减少了编程时间和机床出错的可能性。
TDM1可更换刀片采用了K20F氮铝钛涂层牌号和UPM几何形状设计,其特点是面向钢和铸铁工件的加工设计钻尖形状。该钻头瞄准分销商市场,钻尖的设计极具柔性,只需准备一种类型的钻头就足以适应80%-90%的加工需要。
山高刀具公司(Seco Tools Inc.)的Thomas Sandrud指出,该公司的Crownloc可换钻尖钻头的应用已相当普遍,应用领域包括航空航天、发电、汽车和医疗等行业。该钻头有3种分别针对钢、不锈钢和耐热合金、铸铁加工而优化设计的几何形状。对于不同材料的加工,可以采用相同的刀体,只需更换钻尖即可。
Crownloc钻尖在刀体上的安全性通过内部紧固来保证,即将钻尖拉紧或旋紧在一根拉杆上,由拉杆将钻尖锁紧在刀体的互锁V形槽齿面上。Crownloc钻头可用于加工直径10-25.99mm的孔。
Sandrud说,Crownloc可换钻尖钻头的加工性能接近整体硬质合金钻头,并可以作为精加工刀具多次使用。标准Crownloc钻头可加工的最大孔深为7D,为满足如今加工更深孔的要求,山高公司还能定制设计孔深达10D的Crownloc钻头。
伊斯卡公司(Iscar Metals Inc.)副总裁Bradley Teets说,“钻头失效的后果总是非常严重。我们的SumoChamdrill(束魔变色龙钻头)是继Chamdrill和Chamdrilljet可换钻尖钻头后开发的第三代产品,经过改进的钻尖和刀座使该钻头能进行50次转位,其刀具寿命比第一代产品提高了一倍。
Teets介绍说,“SumoChamdrill的特点是有4种不同的标准钻尖几何形状、锋利的切削刃和光滑的排屑槽。钻尖上磨光的排屑槽使切屑可以顺畅而不间断地流动,精磨的齿槽具有更好的钻进性能。”该钻头的特点是带有螺旋状冷却液喷嘴的可转位钻尖,对于各类不同材料的加工,可采用不同的钻尖几何形状。 SumoChamdrill可用于铣削中心或车床上。
SumoChamdrill的刀柄设计基于德国标准DIN 9766,适用的钻削深度为:长径比从1.5D、3D、5D到8D。钻体内设有螺旋状冷却液孔。Teets说,“锁紧部分增加的精密圆柱体改善了刀具的刚性,并减小了内应力。刀具上精密磨制的止转平面改善了对钻尖定位和支承的控制。为了防止钻削过程中刀片被甩出,在刀座上还设有轴向限动件,它甚至在失去夹持力的情况下也能有效限制刀片移动。
住友电工硬质合金公司(Sumitomo Electric Carbide Inc.)推出了SMD系列可换钻尖式钻头,用户购买一个刀体,可以适配5种直径尺寸的刀头,而每种尺寸的刀头又有3种用于加工不同材料的钻尖类型:SMDT-MTL刀头用于加工钢件,而SMDT-C刀头经过倒棱的切削刃在加工铸铁时可避免崩刃。SMDT-MEL则是为加工耐热合金、不锈钢和铸铁而设计的。
SMD钻头刀体系列的规格由原有的3D和5D(长径比)扩展到了8D。Rich Maton说,“据称,SMD的镀镍刀体比传统的可换钻尖钻头刀体提供了更长的刀具寿命。刚性良好的齿槽联接系统确保了钻尖的稳定性,而钻尖的硬质合金基体与住友ZX涂层相结合,提供了很好的耐磨性。”SMD钻头的加工直径范围为12-30.5mm,适用于加工各种不同工件材料的生产车间,以及汽车、航空航天和石油行业的零部件加工车间。
瓦尔特美国公司(Walter USA Inc.)生产的Xtra-tec Point Drills钻头具有针对不同材料优化设计的可换式钻尖,分别用于加工钢件(P6001),铸铁(P6002),不锈钢、球墨铸铁和难加工材料(P6003),铝和铝合金(P6004),以及在钢、铸铁、不锈钢和难加工材料上加工长径比达10D的深孔(B4010)。
可换式钻尖的设计与其加工对象相互匹配。例如,P6003采用优化设计的几何形状和新型涂层,用于加工通用机械、能源和航空工业的各种不锈钢和长切屑钢件。 P6004采用了锋利的切削刃和新型涂层,用于加工通用机械、汽车和航空工业的铝件和含硅(或不含硅)铝合金的加工。B4010采用了内冷却设计,可对切削刃进行冷却并辅助排屑,可加工长径比达10D的深孔。硬镍镀层改善了钻头的排屑性能并能防止腐蚀,适用于通用机械、能源和航空工业的加工。
联合机械工程公司(Allied Machine and Engineering Corp.)设计开发的GEN3SYS可换钻尖式强力钻头可使机床的加工时间最大化,并减少价值不菲的装刀时间。该公司称,与同类产品相比,该钻头可以提高钻孔质量、表面光洁度和定位准确性。GEN3SYS钻头涂覆了该公司的AM200涂层;初期产品的直径范围为12-32mm,可选择螺旋槽或直槽钻头;钻头长径比为3D、5D和7D;可选择C1和C2基体牌号。
在英格索尔刀具公司(Ingersoll Cutting Tools),可换钻尖或刀头的概念已被应用于三类切削刀具,包括Qwik-Twist可换钻尖式钻头系列、Qwik-Ream可换式铰刀和Chip-Surfer铣刀系列。

图1 Qwik- Twist钻头(Ingersoll公司)
Qwik- Twist系列钻头(图1)解决了使用整体硬质合金钻头时钻头数量通常变化不定的问题。英格索尔公司的Bob Jennings解释说,“在生产加工中,我们发现,用户通过在机床上快速更换刀具,可以更好地管理加工过程:不必卸下刀具夹头和刀具,无需重调刀具、Z 轴和与工件接触,只需更换钻尖即可。在无人值守加工中,一旦确定了刀具寿命,机床就可以按照刀具的预期寿命来设定和运行。因此,用于无人值守加工的刀具应该具有相同的刀尖、相同的几何形状、相同的切削刃制备以及采用相同的涂层。”
在高速铰削加工中,英格索尔的Qwik-Ream可换铰削头式铰刀适合常用的小尺寸范围加工,以及用于难加工材料铰削的专用、涂层、钎焊PCD或CBN铰刀。加工尺寸范围为12.7-32mm。英格索尔公司的 Michael Butler解释说,“该铰刀可用于加工中心或数控车床,以发挥高性能涂层和基体的优势。我们希望采用内冷却方式,因为在高速铰削时,需要非常有效的冷却方式,以有利于排屑、润滑和冷却。”
Butler说,“我们还建议,在加工中心上进行铰削加工时,最好使用可调式心轴,使用户能通过拼合式快调刀柄上的径向、轴向螺钉和指示表来调整工件与主轴的偏差。如果采用一台精密现代机床和良好的冷却方式,用户可以期望将进给率和切削速度提高 25-30倍。而且,由于无需从机床上卸下刀柄,因此其安装时间为零。”

图2 Chip-Surfer铣刀(Ingersoll公司)
英格索尔的Chip-Surfer铣刀系列采用可与直柄和锥柄适配的各种可换式硬质合金刀头,刀柄可选用钢、重金属和硬质合金三种材料。Michael Dieken介绍说,“采用同时配合连接方式使该产品与众不同。采用对称结构设计、转速可高达30000r/min的各种类型刀头包括立铣、球头铣、倒角和沉孔铣、钻铣、圆角铣、强力(大进给)铣、环面精铣等硬质合金刀头。刀头与刀柄通过一个锥体实现配合,旋紧后直径公差可保持在5/10;用扳手在90°方肩处拧紧时,刀头高度的重复性小于5/10。”
通过可选用的刀头和刀柄类型的快速增加,可以看出可换头铣削概念已被广泛接受。Chip- Surfer系列在2000年刚推出时,只有10种刀柄和20种刀头,而现在该系列已包括100种不同类型的刀柄(算上公制刀柄则多达250种)和 1500种不同的刀头。“典型的应用领域包括航空航天、医疗和通用机械加工业。由于Chip-Surfer刀具的高精度,模具制造业成为其较早的用户行业。采用整体ER配合的刀柄开拓了该刀具在瑞士式机床、铣/车加工中心上的应用(尤其是加工医疗器件)。”
KOMET美国公司(KOMET of America, Inc.)开发的模块式Reamax TS刀具系统旨在降低刀具成本,同时提高其加工柔性,以满足被加工材料和直径的各种不同需求。Reamax TS刀具系统的主要特点是铰削头与刀柄之间的联接。这种高精度联接保证了铰削时安全传递扭矩,并可获得精密铰孔所要求的同心度,还能保证在更换刀头后孔与孔之间保持相同质量的光洁度。该系统可用于加工通孔、盲孔、高精度孔、长径比达5D的深孔,以及用于高速切削加工。
Reamax TS刀具系统采用单个刀柄与多个Dihart铰削头的标准联接,适用直径范围为18-64.999 mm。利用其径向夹紧系统,无需将刀柄从主轴接口卸下,即可进行铰刀的更换。为了对刀具磨损进行补偿,以满足小至IT4的公差要求,Reamax TS多槽铰刀具有微调功能。
山特维克可乐满铣刀开发专家David Öhlund解释说,“CoroMill 316铣刀具有多种刀头,可与多种刀体联接,开发该刀具是为了填补整体硬质合金铣刀与可转位铣刀之间的空白。我们既有钢制刀柄,也有硬质合金刀柄。硬质合金刀柄的刚性是钢刀柄的3倍,用于精加工和远距离加工时特别有效。在悬伸量超过4D的远距离加工中,可获得更好的表面光洁度,并可减少各次走刀之间的工步。”
铣削专家William Durow解释说,“我们发现,整体硬质合金刀具采用的切削深度通常小于1D,因此不需要在刀槽全长上都采用昂贵的硬质合金,需要做的只是给刀具装上一个整体硬质合金刀头。CoroMill 316铣刀正是作为整体硬质合金铣刀的一种具有成本效益的替代品而开发的。”
Durow表示,“我们开发CoroMill 316的最初目标之一是用于那些更换刀具困难的加工场合,但这一概念很快得到拓展。例如,在医疗加工行业,特别是在瑞士式机床上,你会发现,对一把整体硬质合金刀具进行装卸、调整并从头启动加工程序是多么困难。而采用CoroMill 316铣刀,你只需换上新的刀头拧紧即可。由于换刀重复性很高,你只需按下按钮,就能继续加工。”

图3 CoroMill 316铣刀(Sandvik Coromant公司)
CoroMill 316铣刀(图3)具有各种刀头类型,可用于立铣、球头铣、强力(大进给)铣、倒角铣、粗铣和精铣,以及径向球头铣等,直径尺寸范围10-25.7mm。刀柄材料有钢和硬质合金,分为直柄和锥柄,悬伸长度从短到长。典型的加工包括大进给面铣、槽铣、螺旋插补铣削、方肩铣、轮廓铣削和斜面铣削。需要采用昂贵的整体硬质合金刀具进行长悬伸加工的航空发动机机匣、框架加工,以及医疗器件加工也是该刀具典型的应用领域。
Öhlund说,“CoroMill 316采用拥有专利的螺纹机构来实现精密而稳定的连接。基本上从两个方面来确保刀具的径向和轴向精度:为了保证刀头与刀体对中,可换刀头与刀体之间采用了锥形接口,以确保在中心线上定位。还采用了表面接触定位。当你将刀头连接紧固到刀体上时,是在轴向接口的端面实现接触定位。”
BIG Kaiser精密工具有限公司将可换刀头概念提升到了一个新水平。该公司很快将推出由其母公司大昭和(BIG Daishowa)工具公司开发的一种可换头式铣刀,以拓展其Fullcut Mill高性能整体式铣刀系列,其适用直径范围为16-32mm。
据称,这种可换式刀头新颖的模块化连接机构使该刀具像整体式刀具一样牢固,可避免因撞击造成的灾难性失效。这种称为Fullcut Mill Contact Grip的连接机构能在刀头受损后快速进行更换。更重要的是,它能够在FCM(方肩铣和槽铣)与FCR(斜坡铣、螺旋铣、插铣)所用的刀片(或刀座)之间实现互换。Contact Grip的奥秘在于带有锥面和端面接触定位的精密螺纹连接。通过在径向和轴向采用大正前角切削刃,Fullcut Mill铣刀可成功地实现平滑、无噪声的立铣加工。
本文作者:胡红兵(译)
原载:《工具展望》2010年第2期
上载于:2012-11-27 20:55:13

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