量身定制专用铣刀
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虽然使用“现成的”标准铣刀进行切削加工有不少好处,但有时仍然需要为一些特定加工专门设计铣刀。无论应用于哪个行业,如果标准铣刀无法达到所要求的加工循环时间,就需要设计专用铣刀。
使用“现成的”标准铣刀进行切削加工有不少好处:刀具无需专门定制,通常从很多供应商那里都可以买到,刀具价格具有竞争力,可以预测加工结果。然而,虽然几乎每种铣削加工都有多种标准刀具可供选用,但零部件制造商仍然需要为一些特定加工专门设计铣刀。美国Greenleaf公司应用工程师Donald R. Hughes说,“举例来说,对于曲轴加工,就没有现成的标准铣刀。曲轴铣刀需要根据特定的工件和加工机床量身定制。”
在压缩机螺杆加工企业也存在类似情况。山特维克可乐满的铣刀专家Ken Accavallo说,“螺杆铣刀属于专用成形刀具,每把铣刀都需要专门设计。”他指出,使用这些专用铣刀,最终用户无需多次走刀,就能高效加工出相互啮合并推动空气通过压缩机的阴阳螺纹牙型。
无论应用于哪个行业,如果标准铣刀无法达到所要求的加工循环时间,就需要设计专用铣刀。此外,在某些情况下(如客户更改了生产订单),对加工循环时间的要求也可能发生变化。HORN(美国)公司销售经理Duane Drape描述了一种假设的情况:一个制造商过去每年能在一台机床上用标准铣刀加工20,000个零件,但现在订单增加到每年25,000个零件。该制造商面临两种选择:一是再购置一台机床,用于加工新增的5,000个零件;二是找到一种方法,在无需新增固定资产投资的情况下,提高现有机床的加工能力,使其能每年生产25,000个零件。如果改用合适的专用铣刀,则不仅可能在一台机床上完成要求的全部加工任务,甚至还可能使该机床有富余时间用于加工其他零件。
通过定制刀具提高生产率和金属去除率并不总是意味着必须在刀具设计上大动干戈。Hughes表示,“有时候,通过简单地增加刀片数量,或在专用刀具上配置能完成多种加工和减少走刀次数的复合刀片,就能达到提高生产率的目的。”
Drape也认为,定制刀具可能只需要对现有标准刀具进行细微的改动,如增加一条棱带或刀尖圆弧半径,就能减少或省略手工去毛刺工序。
为了满足严格的尺寸公差和表面光洁度要求,最终用户可能也需要定制刀具。Drape举例说,“铣削加工5mm宽的沟槽时,如果用铣削宽度与其最接近的4mm标准铣刀加工,就需要两次走刀,从而需要更长的加工循环时间,并有可能产生少量重叠铣削部分,而这是表面光洁度要求所不允许的。因此,必须采用能一次走刀完成加工的专用铣刀。”
刀具制造商往往需要设计能用一把刀具完成多种加工的专用复合刀具。一个原因是可以通过取消换刀而缩短加工循环时间。另一个原因是换刀机械手可能没有剩余空位和需要进行另外一种加工。
Hughes举例说,为了加工一种非常规的工件廓形,Greenleaf公司曾为用户设计了一种刀片位于8个不同轴向和径向位置的专用铣刀,与用多把标准铣刀加工相比,这种专用铣刀可以减少8次走刀。
专门生产专用硬质合金键槽铣刀和成形铣刀的TMFM公司销售经理Ross Wegryn-Jones认为,在多功能复合刀具并非必需的情况下,用户通常更愿意使用单一功能刀具。他说,“我们主要还是开发单一功能的专用刀具,其他加工则依靠换刀来完成。复合刀具存在一些缺陷,以钻削/螺纹铣削复合刀具为例,当其钻削部分与螺纹铣削部分的刀具寿命不一致时,就相当令人头痛。”
Hughes指出,为了改进现有专用刀具的加工性能,用户可能希望重新设计一种专用刀具。他说,“并非所有专用刀具的加工性能都一样,而这正是经验丰富的刀具供应商可以为用户提供帮助之处。”
除了改进现有刀具设计以外,当被加工工件发生变化,或采用其他替代加工方案时,有时也需要重新设计专用铣刀。Drape说,“即使只需要进行很小的修改,我们也会考虑设计新的专用铣刀。”他指出,该公司大约有40%的业务都是设计专用刀具。“如果改动不大,我们将保留相同的刀具编号,并修改其尺寸。但是,即使是细微的修改,也可能使刀具性能显著提高。”
无论定制专用铣刀的目的何在,将其用于小批量加工的情况都比较罕见,因为专用刀具的初始成本几乎总是高于——有时是大大高于——标准刀具。然而,虽然大批量加工是专用刀具的应用目标,但批量的概念并无一定之规。Drape解释说,“大批量加工并不一定非得是数百万个零件。如果是在航空航天制造业,加工50个零部件可能就算大批量加工了,这些零部件可能非常大,需要一次又一次反复加工。加工一个零部件可能需要消耗10个刀片,与以前的工艺相比,加工这种工件颇具挑战性。”
在其他情况下,为了通过更换刀具材料来提高生产率,也需要重新设计专用刀具。一个例子是,原来使用高速钢滚刀或成形刀具的用户希望通过更换硬质合金刀具而获得更快的切削速度。然而,用硬质合金刀具取代高速钢刀具并不总是能提高切削速度。Wegryn-Jones说,“很多时候,我们都在等待用户有能够使用硬质合金刀具的新型机床。问题是,他们正在使用的机床只适用于高速钢刀具,使我们的硬质合金刀具无用武之地。我们遇到的最大限制是,用户的机床不是提高切削速度所需要的新型机床。”
Wegryn-Jones指出,TMFM公司往往可以通过优化工艺,使用户不必投资购买新的加工设备。例如,可以在加工中心上铣削一些键槽形状,而无需花钱购买拉床。然而,用户对机床(尤其是铣/车复合机床)的加工能力可能会有一些不切实际的期望。他说,“这种机床具有铣削功能,但它采用ER 32主轴,最大只能装夹20mm的刀柄,因此不适合使用硬质合金可转位铣刀,只能使用整体硬质合金铣刀,现在我们正在设计这种刀具。”
Accavallo指出,对于那些换刀可能会大大延长加工循环时间的多功能机床,设计能同时完成多种加工的专用复合刀具尤其有利。
Accavallo说,无论使用何种加工机床,山特维克可乐满在设计专用刀具之前,都会计算机床的功率和扭矩要求。他说,“如果我们设计的刀具对机床功率要求过高,或无法满足表面光洁度要求,或加工循环时间过长,或存在任何小的瑕疵,我们都会重新设计刀具。当我们向用户提供一项解决方案时,一定要确保其行之有效。”
Drape举例说明了HORN公司的做法:一个用户希望在一台采用40锥度主轴的机床上进行切削宽度10mm、切削深度20mm的铣削加工,为了克服该机床功率不足的局限,该公司根据机床本身的性能条件,对切宽、切深和加工工艺进行了优化。他说,“我们将切宽减小为4mm,每次走刀时采用20mm的全切深,然后将所有刀片等距交错排列。我们还在该机床的最大功率范围内提高表面切削速度,并根据机床主轴的负载量调整了进给率。”
Wegryn-Jones说,在螺纹铣削或成形铣削时,TMFM公司更关心的不是机床功率的大小,而是机床能够承受的侧向负荷压力。刀具超出基准线越远,有害的侧向负荷压力就越大。为了减小侧向负荷压力,TMFM公司可以设计一种采用间齿形状的专用铣刀,以减少每次走刀所切除的材料量。
Hughes表示,随着机床加工性能的不断提高,使用标准铣刀也能获得很高的生产率,按照传统观念必须使用专用刀具的情况将会越来越少。“不过,Greenleaf公司正与许多用户合作,设计能够提高生产率的专用刀具。当经济状况好转时,那些在制造业低迷时腾出时间来分析和改进加工工艺的企业将会在竞争中占到先机。”
刀具制造商定制专用铣刀时重点关注的目标组件各不相同。据Wegryn-Jones介绍,除了整体硬质合金刀具以外,TMFM公司重点定制专用刀片而不是刀体。而Greenleaf公司的Hughes指出,该公司通常是围绕标准刀片定制设计刀体,不过,他们也设计了许多可以安装在专用刀体上的专用刀片。
山特维克可乐满的设计师们也在努力设计能安装标准刀片的刀体。Accavallo说,“这是因为刀片是加工中最容易损坏的部件,需要经常更换。设计师不得不从为专用刀具或其他用途而设计制造的大量刀片中进行遴选,并设法将其安装到刀体上。”Drape表示,虽然与刀片相比,刀体的使用时间更长,但认为刀体无需更换的想法却是一种误解。他说,“像刀片一样,刀体也会失效,它们会随着时间的推移逐渐丧失精度。”
Drape指出,虽然HORN公司正设法用尽可能多的标准化组件来组装铣刀,但仍会根据用户的特殊要求设计铣刀,包括为定制的刀体和刀片设计专用夹持系统和与机床配套的专用刀杆。“一切都取决于什么样的刀具能以最低的总成本加工出符合要求的工件。”
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》
上载于:2014-6-9 10:02:12

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