使用切槽刀具的10个要点
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切槽是车削加工中的一种重要加工方式,切屑形成和排出的特点使其在几乎每个方面都与众不同。创新的刀片设计和涂层可以提高切槽加工的效率和质量,但要圆满完成这种加工,还必须掌握一些加工要点。
切槽是车削加工中的一种重要加工方式,切屑形成和排出的特点使其在几乎每个方面都与众不同。创新的刀片设计和涂层可以提高切槽加工的效率和质量,但要圆满完成这种加工,还必须掌握以下一些加工要点。

(1)了解沟槽类型

了解三种主要的沟槽类型十分重要,它们是:外径沟槽、内径沟槽和端面沟槽。对于刀具的应用,每种沟槽都有一些特殊要求。一般来说,外径沟槽最容易加工,因为重力和冷却液可以帮助排屑。此外,外径沟槽加工对于操作者是可见的,可以直接和相对容易地检查加工质量。但是,必须避免工件设计或夹持中的一些潜在障碍。一般来说,当切槽刀具的刀尖保持在略低于中心线的位置时,切削效果最好。
内径切槽与外径切槽比较类似,不同之处在于冷却液的应用和排屑更具有挑战性。对于内径切槽而言,刀尖位置略高于中心线时可获得最佳性能。
为了成功地加工端面沟槽,刀具必须能在轴向方向移动,且刀具的后刀面半径必须与被加工半径相互匹配。端面切槽刀具的刀尖位置略高于中心线时加工效果最好。

(2)加工机床及应用

在切槽加工中,机床的设计型式和技术条件也是需要考虑的基本要素。对机床的一些主要性能要求包括:具有足够大的功率,可保证刀具在正确的速度范围内运行,而不会发生失速或抖动;具有足够高的刚性,可完成要求的切削加工,而不会发生颤振;具有足够高的冷却液压力和流量,以帮助排屑;具有足够高的精度。此外,为了加工出正确的沟槽形状和尺寸,对机床进行适当的调试校准也至关重要。

(3)了解工件材料特性

熟悉工件材料的一些特性(如拉伸强度、加工硬化特点和韧性)对于了解工件对刀具有何影响至关重要。加工不同工件材料时,需要采用切削速度、进给量与刀具特性的不同组合。不同的工件材料可能还需要特定的刀具几何形状来控制切屑,或利用特定的涂层来延长刀具寿命。

(4)正确选择刀具

正确选择和使用刀具将决定加工的成本效益。切槽刀具可以两种方式加工出工件几何形状:一是通过一次切入加工出整个槽形;二是通过多次切入分步粗加工出沟槽最终尺寸。在选择刀具几何形状后,可以考虑采用能提高排屑性能的刀具涂层。
Thinbit公司为要求通过一次切入加工出整个槽形的切槽加工提供了一种专用刀具。这种Design-a-Groove系列刀具有多个切削刃,为了符合特定的加工需求,用户可以对刀具的弧度、角度、倒角、后刀面和其他几何形状进行合理组合。该刀具采用刀片式结构(刀片宽度范围0.1-6.4mm,尺寸增量0.025mm),刀具磨损后,可以单独更换刀具的某些部分。这种量身定制刀具几何形状的方式可以简化加工编程,使用户能够在相对比较简易的机床上加工复杂零件。这些专用刀具还有利于保证沟槽形状加工精度,缩短加工循环时间。
该公司的Groove'n Turn系列切槽刀具(宽度范围0.1-3.8mm,尺寸增量0.025mm)是为通过多次切入分步加工出沟槽形状而设计的。在粗加工后,用户可以精加工沟槽,并增加一些形状特征(如半径和倒角)。

(5)成形刀具

在大批量加工时,应该考虑采用成形刀具。成形刀具通过一次切入加工出全部或大部分沟槽形状,可以空出刀具位置和缩短加工循环时间。市面供应的成形刀具是通过放电加工(EDM)制成的刀块或一组刀片。非刀片式成形刀具的一个缺点是,如果其中一个刀齿比其他刀齿更快地破损或磨损,就必须更换整个刀具。Thinbit公司提供的一种刀片式沟槽成形刀具使用户能单独更换刀具的各个部件。需要考虑的一个重要因素是控制刀具产生的切屑和成形切削所需要的机床功率。

(6)选择单点多功能刀具

多功能刀具(如Thinbit公司的Groove ‘n Turn刀具)使用户能在轴向和径向生成刀具路径。这样,该刀具不仅能加工出沟槽,而且还能车削出直径、插补加工出半径,以及加工出角度。该刀具还能进行多向车削。也就是说,一旦刀片进入切削,它就可以沿轴向从工件的一端移动到另一端,同时始终保持与工件的接触。总体而言,采用多功能刀具能将更多时间用于切削工件,而不是用于换刀或空行程移动。由于可以使换刀机械手空位数量有限的加工中心完成更多的加工操作,多功能刀具还有助于减少整个工件的加工工序。

(7)采用正确的加工顺序

合理规划最佳加工顺序需要考虑多种因素,如工件强度在沟槽加工前后的变化,因为先对沟槽进行加工后,工件的强度会降低,可能不足以顺利加工出其他一些结构特征。这可能会促使操作者在下一道工序中采用低于最佳值的进给量和切削速度,以减小颤振,而降低切削参数可能会导致加工时间延长、刀具寿命缩短和切削性能不稳定。
在选择最佳加工顺序时,另一个需要考虑的因素是,下一道工序是否会将毛刺推入已加工好的沟槽中。有时,最好将沟槽留待最后加工。与此相反,如果沟槽相对于工件直径比较宽,可能就需要首先加工沟槽。后续加工在沟槽内产生的毛刺很难清除,并会对零件加工增加额外的工作量。作为一种经验法则,可以考虑在完成了外径和内径车削后,首先从距离刀具夹头最远的点开始加工,然后加工沟槽和其他结构特征。

(8)进给量和切削速度的作用

进给量和切削速度在沟槽加工中发挥着关键作用。不正确的进给量和切削速度可能会引起颤振,降低刀具寿命和延长加工循环时间。影响进给量和切削速度的因素包括工件材料、刀具几何形状、冷却液的类型和浓度、刀片涂层和机床性能。为了纠正因进给量和切削速度不合理而造成的问题,往往需要进行二次加工。对于各种不同的刀具,虽然可以罗列出“最优化”进给量和切削速度的许多信息来源,但最新、最实用的信息通常来自刀具制造商。许多刀具制造商都雇用了对刀具的性能和局限性非常熟悉的技术支持人员,为用户提供服务。虽然为了获得最佳加工效果,还需要对技术支持人员提供的建议进行验证和精确调整,但刀具制造商仍然是通过一次加工就获得满意结果的最佳选择。

(9)选择刀片涂层

涂层可以显著提高硬质合金刀片的寿命。由于涂层可以在刀具与切屑之间提供润滑层,因此还能缩短加工时间、改善工件表面光洁度。目前常用的涂层包括TiAlN、TiN、TiCN等。新的涂层组合和改进牌号正被不断开发出来并推向市场。为了获得最佳性能,涂层必须与被加工材料相互匹配。

(10)切削液

切削液的正确应用意味着为切槽刀片与工件接触的切削点提供充足的切削液。切削液起着双重作用——为切削区降温和帮助排屑。在加工盲孔内径沟槽时,提高切削点处的切削液压力对于改进排屑非常有效。对于一些难加工材料(如高韧性、高粘性材料)的沟槽加工,高压冷却具有明显优势。
水溶性油基冷却液的浓度对于难加工材料的沟槽加工也至关重要。虽然典型的冷却液浓度范围为3%-5%,但为了提高冷却液的润滑性,并为刀尖提供保护层,也可以试验一下提高冷却液浓度(最高到30%)的效果。
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2011年第3期
上载于:2012-12-3 19:25:21

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