微型刀具的开发与应用
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适用于钻削、铣削和车削的微型刀具取决于亚微米颗粒硬质合金和涂层的开发,尤其需要重视刀具夹头、主轴和机床刚度,以形成有效的金属切除系统。
在医疗和牙科、电信、模具和航空航天工业,一些零件的尺寸越来越小,使微型切削刀具的需求增加,一些刀具的直径甚至比人的头发丝还细(平均直径仅为0.09mm)。这些适用于钻削、铣削和车削的微型刀具取决于亚微米颗粒硬质合金和涂层的开发,尤其需要重视刀具夹头、主轴和机床刚度,以形成有效的金属切除系统。
小型或微型刀具的分类是一种相对的说法,通常是指直径范围0.05-2mm的刀具。目前并不缺少能够满足旋转刀具最小径跳要求的机床,以及能够安全、精确地夹持这些刀具的刀柄。Makino、RokuRoku(MC Machinery)、Roeders、Kern、Chiron、Mikron、Hermle、Yasda等公司生产的高速机床已经证明了其微加工能力。作为一种加工类型,瑞士式车削中心具有用微型刀具加工超高精度微小零件的能力。
在使用这些微型刀具进行加工时,需要特别小心谨慎。要注意以下要点:
  1. 控制刀具的径向跳动极具挑战性;
  2. 刀具的夹持和操作要注意刚度和清洁度;
  3. 机床和主轴需要精心维护。
由于零件尺寸越来越小,加工要求也越来越严,更多的难加工材料(如钴铬合金、钛合金、不锈钢等)需要采用亚微米牌号硬质合金刀具以及为加工定制的涂层,而且刀具必须保持必要的锋利度。医疗器件、模具和印刷线路板(钻削)的加工仍然在微型切削刀具的应用中占据主导地位。缩短加工循环时间、消除对微细结构采用二次电火花加工的必要性,仍然是微型切削刀具(包括钻头、立铣刀和瑞士式加工刀片)创新的首要任务。

图1 山高公司直径小至0.1mm的Jabrom迷你立铣刀
山高刀具公司扩展了用于加工硬金属(如淬硬钢、钛合金)和软金属(如铝、铜)的Jabro迷你立铣刀产品系列。Jabro产品经理WilliamBogue解释说,“直径为0.1-2mm的新刀具扩展了我们加工由钛合金、钴铬合金以及高温合金制成的医疗装置的能力。对淬硬模具材料的加工也获得了成功,刀具寿命延长且可预测,同时获得了更好的加工表面质量。”
这两种新型Jabro迷你整体硬质合金立铣刀系列包括用于加工硬度达HRC65的淬硬钢的JM100系列和用于加工铝和铜的400系列。Bogue说,“我们正在持续进行研发,并努力培训用户使用小直径刀具加工复杂形状零件的能力。用微型刀具进行加工时,需要采取一种完全不同的心态和注意力来对待加工能力,包括机床刚性、刀具夹持以及非接触式激光预调等。”
与日本或欧洲相比,美国业界在微型切削刀具技术的广泛应用方面可能稍微滞后一些,但是,医疗/牙科、电子和光学领域的加工应用正成为已成功应用于模具加工的微型刀具的目标领域。美国尼亚加拉刀具公司的Micro Tool微型立铣刀有2槽、3槽或4槽的方头、球头、短粗型、常规型和加长型等多种型式,直径尺寸范围为0.13-3mm。直径0.13-1.4mm的刀具尺寸增量为0.03mm。直径小于0.13mm的刀具可以特殊订货。
使用微型刀具时,刀具、机床和刀具夹持的质量非常重要。尼亚加拉刀具公司的William Sebring解释说,“主要的影响因素是径向跳动,即从刀柄到切削刃的量表读数值(TIR)。对于一把直径13mm的铣刀,1/2000的径跳误差也许可以接受,但如果一把直径为0.25mm的刀具径跳达到5/10,则是不能接受的。将刀具安装到刀具夹头上时的清洁度,以及在高刚性机床上使用径跳小、重复性好的合适刀具夹头,对于使用微型刀具进行高速加工非常重要。对加工过程加速/减速信息的控制能力(即控制器可以提前预读还有多少程序块的能力)也至关重要。”

图2 Emuge公司的新系列牙科用球头和环面立铣刀,用于加工氧化锆、有机玻璃、石蜡、钴铬合金、钛合金等牙科矫形常用材料
Emuge公司新推出的微型刀具旨在扩展微加工的特定应用,如注塑模具、挤压模具或石墨和铜电极的铣削加工。该公司铣削产品专家Stephen Jean说,“这些微型立铣刀的特点是,几何参数经过优化的切削刃与纤细的内凹锥形颈部相结合,可对从HRC65的淬硬钢到石墨等材料进行高效铣削。颈部设计的允许悬伸比是10∶1。刀具的这种外形设计结合了德国高校的研究成果,该研究采用有限元参数法进行刀具建模,开发和整合了理想的颈部形状,以便在最大限度地减少振动的同时,使刀具的长度和刚度最大化。”
微型刀具也很适合用于常规零件和微机械零件的高精度表面结构加工。已经证明,微型刀具在加工铸币模具和医疗器件(模具和设备)时具有很高效率,尤其是在采用电火花加工后还需要将零件移至其它机床进行精细结构加工的场合。Jean相信,微型刀具可以帮助制造商克服加工复杂零件时遇到的困难。
Emuge公司的微型立铣刀直径尺寸为0.2-2mm,有效切削长度与直径之比分别为2.2∶1、5∶1和10∶1,有球鼻铣刀、环面铣刀、平头铣刀等24种不同的结构型式,分为不涂层、TiAlN涂层或金刚石涂层铣刀。该公司的整体硬质合金微型立铣刀适用于加工从石墨、铝到硬度达HRC66的淬硬钢等各种材料。
瓦尔特Titex公司的X-tremeDM20和DM25高效内冷却整体硬质合金微钻可满足钻削孔径更小的深孔的加工需求。该公司产品经理Patrick Nehls介绍说,“DM20和DM25微钻可用于光纤、模具和液压行业的加工,例如,可能需要在液压阀上加工多个小孔,或需要用具有较长钻削深度或较大悬伸量的钻头在曲轴上钻削油孔。”
DM20微钻的直径范围为2-2.9mm,可钻削的孔深达20倍孔径;DM25的直径范围2.5-2.9mm,可钻削孔深为25倍孔径。刀具夹持对于减小径跳误差非常重要,采用热装夹头可以获得最高的夹持精度,采用液压夹头和高品质弹簧夹头也能获得不错的夹持效果。DM系列微钻的优势是可以缩短加工循环时间。Nehls解释说,“对于小直径钻削,通常的方式是采用高速钢麻花钻,以稍慢的转速进行啄击循环加工,特别是在不能采用内冷却钻头的情况下;或者也可以采用枪钻加工,但它需要特殊的机床和夹具。一般来说,DM钻头的加工速度比高速钢钻头快5-10倍,从而可以缩短加工循环时间。”不过,Nehls指出,高速钢刀具对加工条件具有更好的包容性,尤其是在安装和夹持刚性较差时。
对于螺纹加工,特别是昂贵工件的螺纹加工,Nehls推荐采用圆周螺纹铣削,“在加工价值昂贵的工件时,人们总是希望使因螺纹加工导致工件报废的风险最小化,因为螺纹加工通常是传统工艺中的最后一道工序。采用WalterPrototyp整体硬质合金圆周螺纹铣刀,用户就拥有了通过CNC程序控制加工过程的优势:可以控制螺纹中径,加工具有相同螺距和不同直径的螺纹,用同一把螺纹铣刀加工左旋或右旋螺纹,与使用成形丝锥或切削丝锥相比,该铣刀还能加工出更接近孔底部的螺纹。”
瓦尔特Prototyp螺纹铣刀有两种类型:一种可以加工大多数工件材料,另一种用于加工硬度高达HRC65的硬材料。瓦尔特美国公司可免费提供用于计算攻丝、铣削和螺纹铣削参数的CCS软件和用于钻削加工的TEC软件。

图3 BIG Kaiser公司的Sphinx微钻
BIG Kaiser精密工具公司Sphinx钻头产品助理经理Mike Bojanowski认为,制造商一直期盼能像使用其它钻头一样用微钻进行加工,“长期以来,普遍的看法是,当孔径小到某一尺寸以下,就不可能以可接受的钻头寿命实现精密钻削。其实,如果使用得当,微钻完全可以拥有与大钻头一样的加工性能,包括刀具寿命、重复性和尺寸精度。”
该公司的Sphinx微钻由细颗粒高强度硬质合金制成,钻头的直径尺寸从0.05mm(比人的头发丝还要细一点)到2mm,标准长度为6倍直径,还可以提供直径0.3-1mm、长度为2倍直径的中心钻或定心钻。
Bojanowski介绍说,微钻良好的加工效果首先来自于高精度的弹簧夹头。此外,定期保养机床,包括检查和润滑轴承,可以长时间地保证精密钻削效果。BIGKaiser公司提供了可以减小径向跳动的“NewBaby”弹簧夹头。
M.A.Ford制造公司为医疗器件加工开发了直径小至0.13mm的微型立铣刀,包括双槽、四槽的方头和球头立铣刀。该公司目前正在开发的微型钻削技术意在将用户从老式的印刷电路板钻削平台引向专门适合金属加工的微钻。该公司制造和设计总监JoeKueter解释说:“我们正在为更关注医疗设备和金属加工业的用户开发截然不同的刀具几何设计、硬质合金材料和涂层技术。在某些情况下,我们还可以生产直径小于0.08mm的刀具和直径公差0.003mm、最大单点径跳0.0025mm的钻头。”
印刷电路板钻头以其价格低廉著称。不过,Kueter认为,对于用户而言,钻头与钻头、孔与孔之间的一致性,以及这种新钻头可用于金属切削、陶瓷和医疗器件加工的事实正变得更为重要。用于制造某些直径刀具的硬质合金牌号既可以提供更高的横向断裂强度,同时又可以提供在小直径钻削中保持锋利切削刃所需的硬度。当为小直径钻头涂覆涂层时,涂层必须很薄,以保持切削刃的锋利。我们正在测试一种专为微切削开发的TiAlN涂层,它既是能保持锋利切削刃的薄涂层,又能耐高温。”
为了满足瑞士式车削加工的需要,Tungaloy美国公司开发了螺钉紧固的ISO正前角刀片,包括涂覆TiAlN涂层、切削刃有0.013mm倒棱的AH725新牌号,以及切削刃完全锋利的SH73刀片。这些双向切削刀片可用于直径小至0.25mm零件的端面车削、车削和仿形车削。据该公司车削总监BrianSawicki介绍,这些刀片具有切削力低、能双向切削、采用加工镍基合金用耐高温涂层、断屑排屑能力强以及适合小进给率加工等优点。
包括DSM迷你钻头在内的小直径钻头的直径尺寸范围为0.1-3mm,尺寸增量为0.01mm。Sawicki说,“这些钻头被称为印刷电路板钻头或微钻。它们也采用了微米晶粒硬质合金和TiAlN涂层,在加工中(尤其是300系列不锈钢、碳合金钢和镍基合金的加工)具有提高刀具寿命的能力。”实际加工是在瑞士式车床上进行小直径钻削。加工医疗零件时,不需要钻预孔,钻头140°的钻尖角使其可以很高的可靠性在平面上直接钻孔(取决于机床的精度),但在球面或极不规则表面上钻孔则是例外。
此类钻头可加工的典型零件包括喷气发动机过滤器、燃油过滤器、分离器或其它像筛子一样有许多小孔的零件,以及计算机电路板。在医疗行业,需要在设计要求有纵向或交叉孔的牙科零件或人体植入件上加工许多Z轴方向的小孔。该钻头在这些加工中表现良好。
三菱材料美国公司的微小刀具产品门类包括小直径微钻和短柄整体硬质合金立铣刀,这些刀具通常用于在瑞士式机床上进行精密加工。该公司的CBN刀具和小刀具产品专家ChrisWills介绍说,“我们刚刚推出了11°P型VPET、VPGT系列刀片和SVLP、SVPP刀具外夹头,它们是采用11°正前角和35°菱形刀片的公制或英制标准车刀,用于在医疗、航空和其他行业中加工高精度零件,或在较大的零件上加工一些微小结构。”
这些涂层整体硬质合金刀片的特点是采用了SRF和SMG断屑槽。采用11°正前角和35°菱形刀片的仿形加工可获得良好的表面质量和切屑控制,而这正是这种高端E级和G级刀片所期望的。与模压或磨制刀片相比,E级SFR刀片可以保持较高的尺寸精度,并在从一个刀尖转位到另一个刀尖时可以保持较高精度。
Wills说,“当采用微小刀具加工零件时,我认为有两点需要‘老生常谈’:此类刀具适合用于无人值守的大批量加工,刀具必须具有很高的可靠性,尽管成本略高,这样的话,一个人就可以运行整条自动加工线。另一个需要考虑的重要问题是刀具供货能力。为此,三菱材料公司刚刚在美国加州新开了一个分销中心。
本文作者:胡红兵(编译)
原载:《工具展望》2010年第4期
上载于:2013-7-30 16:46:08

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