刀具新规则3:更多地利用PCD、CBN刀具
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为了应对不断变化的生产需求和越来越具有挑战性的工件材料,切削刀具技术正在快速发展。当今的机械加工厂需要以一种与过去不同的方式来看待它们的切削刀具以及刀具供应商。

上一部份:刀具新规则2:需要加工专业知识

金刚石和类金刚石刀具(聚晶金刚石PCD刀具、立方氮化硼CBN 刀具和金刚石涂层刀具)在先进切削加工中的应用正在日益增加,所占的份额也在不断扩大。Diamond Innovations公司的加工产品经理Jim Graham认为,这是一种必然趋势。对PCD和CBN的研究开发使这些刀具材料的通用性和成本效益不断提高。同时,此类刀具的切削速度和刀具寿命将加工工艺的性能提高到了硬质合金刀具难以企及的水平。
事实上,金刚石及相关刀具与上述刀具新规则的第1条和第2条都有关系。通过延长刀具寿命和加大切削用量,可以降低换刀频率、提高工件加工速度,从而提高机床加工能力。同时,在刀具专家为不同行业要求日益严格的切削加工所定制的解决方案中,此类刀具的应用也越来越多。以下是一些例子。

1 切削加工高性能零件

在汽车制造业,为了提高发动机性能,正越来越多地采用各种难加工材料制造发动机零件,如采用特殊合金制造进气和排气阀座圈,以及采用蠕墨铸铁(CGI)制造其他一些发动机零件。

图6 在更先进的零件与更先进的刀具之间有着直接联系。随着汽车制造商不断采用性能更好的材料来制造关键零件,金刚石刀具正日益成为加工这些材料最有效的手段。在航空制造业情况也与此类似,金刚石刀具能够解决对钛合金加工能力的需求不断增大的难题(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图7 加工复合材料是金刚石刀具的另一个重要的应用领域,但条件是机床本身必须适合用金刚石刀具进行切削。Precision Dormer公司为使用不同水平的机床钻削加工复合材料设计了各种刀具(硬质合金、金刚石涂层和PCD钻头)(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
与传统的常规铸件相比,这些新型铸件的切削加工难度要大得多。为了应对汽车零件加工的此类挑战,CBN刀具已被证明是非常有效的解决方案。
不过,航空制造业也许可以为采用先进的超硬刀具来提高加工效率提供更大机遇。新型飞机的设计将对钦金属(包括各种复合材料-钛材料)的加工创造出更大的需求,而加工车间利用其现有的加工工艺将不可能满足这种需求。为了增加生产能力,许多加工车间必须大幅度提高零件的加工速度,而在正确的加工场合,金刚石刀具(包括金刚石涂层刀具)能够大幅度提高钦合金咖口工速度(图6)。

2 钻削加工复合材料

金刚石刀具在航空零件加工中的另一种应用已经超越了严格意义上的“金属切削”范畴,因为其加工对象是正在逐步取代某些金属零件的复合材料工件。Precision Dormer公司的钻削专家将复合材料加工视为金刚石刀具(以及其他一些高效刀具)能够大幅度提高加工效率的关键领域之一(图7)。该公司的复合材料加工刀具产品经理Gary Kirchoff指出,并不是每一种钻削工艺都具有充分发挥金刚石刀具性能所需的刚性、稳定性和域很小的径跳误差。该公司针对不同水平的复合材料加工设备(从手动进给的钻床到最先进的CNC=数控机床),不断设计开发各种专用钻削刀具。
将金刚石涂层或PCD刀具应用于复合材料钻削加工时,在降低生产成本、提高加工效率上效果显著。因为在钻削高磨蚀性的复合材料时,硬质合金刀具磨损很快,而金刚石刀具的寿命可比硬质合金刀具提高许多倍。金刚石刀具还能大幅提高切削速度,从而在加工需要钻削大量孔的复合材料工件时,可使每件加工时间缩短数小时。实际上,在加工复合材料的同时,同样的金刚石刀具也能钻削某些金属材料,因此,在装配由复合材料/铝合金或钛合金组成的复合叠层构件时,这种金刚石刀具也能发挥极高的加工效率。

3 金刚石刀具的应用

但是,并非每种金属或每种材料都适合用PCD 、CBN或金刚石涂层刀具加工。除了航空复合材料以外,适合用这些刀具加工的材料还包括钦、铝和淬硬钢。此外,还必须采用合适的机床,因为这些刀具需要进行高速切削,而低速机床可能无法实现此类刀具的全部价值。对机床的刚性也有一定要求(尽管这种要求可能并不像许多人认为的那样高)。近年来,此类刀具材料的韧性和冲击韧性已经显著提高。
最后,金刚石刀具(以及相关刀具)特别适合长时间切削或大批量加工,原因在于此类刀具的寿命很长,从而使那些需要充分利用全部可用刀具寿命的加工车间能用它来完成大量切削任务。
如何知道你的车间能否通过使用PCD或CBN刀具而获益?Graham 先生以加工钛合金航空零件为例,提出了一种简单的判别方法:当与面临的加工需求相比,你的车间的加工能力有限时(例如,对于所加工的零件,必须承接更多的订单,或必须完成更大的产量),采用PCD或CBN刀具可以使你通过提高加工速度——而不是通过购买新机床——来实现提高生产能力的目标。

下一部份:刀具新规则4 :关注加工成本支出的最大源头

英文原文

  • Diamond Should Not Be Rare
  • 本文作者:张宪(编译)
    原载:《工具展望》2009年第3期
    上载于:2010-12-23 18:10:04

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