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來(lái)源:減速機(jī)信息網(wǎng)    時(shí)間:2007-6-7 13:26:12  責(zé)任編輯:信息  
帶圓刀片的旋轉(zhuǎn)刀片式刀具如鏜、銑類刀具,其刀片可在切削力作用下旋轉(zhuǎn)。數(shù)十年來(lái)這種結(jié)構(gòu)的刀具多少受到一些冷落。現(xiàn)在,卻正在得到汽車工業(yè)和其他制造業(yè)的表睞。

按照Lamb Technicon 加工系統(tǒng)公司研究和新品開(kāi)發(fā)部主任Jairam Manjunathaiah的看法,旋轉(zhuǎn)刀片式刀具在制造業(yè)中突然重新出現(xiàn),其主要原因,是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體新材料發(fā)展的需要。從歷史上看,鑄鐵材料之所以曾被選為汽缸體和缸蓋材料是由于它兼具有強(qiáng)度、可鑄性、阻尼性和導(dǎo)熱性等多種特性,盡管如此,人們一直在進(jìn)行著新材料的開(kāi)發(fā)研究,以求取代傳統(tǒng)的鑄鐵,F(xiàn)今,高強(qiáng)度合金鑄鐵和球墨鑄鐵已被廣泛用作普通灰鑄鐵的換代材料,特別在柴油機(jī)制造中如此。而新近才在柴油機(jī)上推廣的一種新材料叫做蠕墨鑄鐵(CGI)。
CGI在組織結(jié)構(gòu)和性能方面,介乎灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間。例如:它具有較高的強(qiáng)度和彈性模量,但阻尼性、導(dǎo)熱性和可鑄性遜于灰鑄鐵。歐洲汽車制造商已經(jīng)將CGI材料用于幾種汽缸體生產(chǎn),而美國(guó)汽車制造商則還正在研究這種材料的使用,主要著眼于減少發(fā)動(dòng)機(jī)排放量和提高其輸出功率。但是,CGI材料具備的高強(qiáng)度和耐磨性,在帶來(lái)一系列好處的同時(shí),也增加了加工的困難。盡管現(xiàn)在刀具的性能已有很大進(jìn)步。但仍不能完全滿足市場(chǎng)對(duì)其在加工質(zhì)量和效率上的需求。

一項(xiàng)關(guān)于CGI材料高速連續(xù)切削的研究表明,此時(shí)硬質(zhì)合金刀具的壽命還不到加工灰鑄鐵時(shí)壽命的10%。刀具壽命急劇下降的原因,通過(guò)最近的一項(xiàng)研究認(rèn)為:可能是由于灰鑄鐵含有過(guò)量的硫,從而加工中在刀具表面形成了約5μm的硫化錳(硬質(zhì)合金刀具)薄層,它起到保護(hù)刃口和增加潤(rùn)滑的作用。而CGI材料加工時(shí)并不在刀具上形成這種薄層。

旋轉(zhuǎn)式刀片已有大約50年的歷史。刀片裝在徑向和止推軸承上,保證其自由轉(zhuǎn)動(dòng)。這種旋轉(zhuǎn)使加工過(guò)程形成斜切作用,并使金屬切除過(guò)程中的切削刃接觸區(qū)不斷變化。從而降低了溫度,同時(shí)使磨損沿整個(gè)切削刃圓周均勻分布,提高了刀具壽命,還降低了切削力和功率消耗,改善了表面粗糙度。

但長(zhǎng)期以來(lái),由于種種原因使這種刀具的使用受到了限制,首先是軸承系統(tǒng)的問(wèn)題使刀具可靠性下降;其次是夾持刀片的刀夾尺寸過(guò)大;還有刀具和刀片的初始成本較高以及刀具設(shè)計(jì)缺乏有效的解析工具等。

據(jù)Rotary Technologies公司副總裁介紹,上述種種問(wèn)題,現(xiàn)在都有把握加以解決。大約在9~10年前,該公司為SR-71黑鳥(niǎo)(美國(guó)一種高空高速偵察機(jī)——譯注)的鈦合金零件,設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)刀片的加工刀具時(shí),確實(shí)存在軸承系統(tǒng)的問(wèn)題。刀片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),若傳入熱量較多,就會(huì)卡住。后來(lái),公司采取措施改進(jìn)了軸承材料,并開(kāi)發(fā)出一種專門的耐高溫油脂專用于軸承潤(rùn)滑。

通過(guò)這一系列開(kāi)發(fā)研究,公司最終制成了一種緊湊型刀夾系統(tǒng):它由刀夾的定子及在其上的止推軸承和滾針軸承組成,從而促證刀夾的轉(zhuǎn)子在切削力作用下旋轉(zhuǎn)。刀片裝在轉(zhuǎn)子上,由螺母固定。定子底部制成燕尾狀以保證其在刀具上的移動(dòng)導(dǎo)向,并藉夾緊機(jī)構(gòu)固定在所需位置上。刀夾采用O型密封圈防止軸承被冷卻液或切屑污染。
上述改進(jìn)后的刀具目前運(yùn)行十分良好。在某汽車廠用非涂層硬質(zhì)合金刀片加工鑄鐵缸體時(shí),切削速度76m/min,壽命達(dá)到40000件/切削刃。實(shí)際上初次試驗(yàn)時(shí)壽命達(dá)79,000件。因?yàn)橛脩魮?dān)心軸承燒壞,所以決定每4O,OOO件換一次刀。其他切削參數(shù)為:切深2mm,切削速度76m/min,刀盤直徑355mm,裝有18個(gè)帶軸承的刀滅。

在上述例子中,加工鑄鐵采用硬質(zhì)合金刀片的情況己經(jīng)較少。目前約有90%的鑄鐵件加工采用氮化硅(Si3N4)陶瓷。氮化硅能起到熱屏障的作用,阻止切削熱傳入刀夾軸承。而硬質(zhì)合金刀片則無(wú)熱障作用,故會(huì)傳入大量的熱。采用陶瓷刀片加工鑄鐵的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以干切削。鑄鐵件加工通常都采用干切削。在機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)速度較高時(shí),陶瓷刀片是唯一可行的選擇。若采用冷卻液,則工作區(qū)域必須做到充分冷卻。在鐵削鈦合金起落架部件時(shí),冷卻液壓力達(dá)到6.9MPa,由主軸噴向切屑形成區(qū)域。這種冷卻條件能保證加工鈦合金時(shí),旋轉(zhuǎn)刀片的刀具工作良好。

必須指出 使用陶瓷刀片時(shí),冷卻液必須確保充分。時(shí)斷時(shí)續(xù)會(huì)導(dǎo)致力片熱裂。

由于動(dòng)漫下載的軸承是密封的,所以使用冷卻液不成問(wèn)題。只有在刀具或刀夾全部浸入液體時(shí),才會(huì)影響O形密封圈的密封性。

這種結(jié)構(gòu)的刀夾十分耐用。例如某用戶的刀夾已使用數(shù)年,但仍難以預(yù)測(cè)何時(shí)會(huì)損壞。于是干脆拆開(kāi)一個(gè)舊刀夾,結(jié)果發(fā)現(xiàn)和新刀夾相比,沒(méi)有明顯磨損。

Rotary Technologies公司的另一項(xiàng)創(chuàng)新,是在銑刀上采用修光刀片,以便在高速切削條件下改善工件表面粗糙度。通常每個(gè)銑刀使用一個(gè)修光刃刀槽。有的用戶采用兩個(gè)修光刀片進(jìn)一步提高刀具壽命。這種修光刃刀片采用不可調(diào)結(jié)構(gòu),所以當(dāng)一個(gè)修光刃磨損后,另一個(gè)也得換掉。有些用戶在銑刀用鈍后,甚至不對(duì)修光刃刀片轉(zhuǎn)位使用。而是把銑刀清理一下,換上一個(gè)新的修光刀片,繼續(xù)投入使用。

旋轉(zhuǎn)刀片式刀具多數(shù)在流水線上使用,要求加工系統(tǒng)剛性好,重切削。但是,這類刀具在剛性較差的機(jī)床上也能使用。很多人一直被灌輸這樣的概念:圓形刀片的切削力較大。但是,旋轉(zhuǎn)式的圓刀片正好相反。其產(chǎn)生的切向力和徑向力都比標(biāo)準(zhǔn)銑刀小。因而只需較小的功率,機(jī)床剛性也不需要很高。所以,即使是役齡十年以上的流水線,也能使用這類銑刀。

銑削和鏜削是各類汽車動(dòng)力系統(tǒng)部件加工的主要工序。缸體和缸蓋都有大量的銑削加工。特別是汽缸體的鏜孔工序,常受到刀具壽命問(wèn)題困擾。由于在流水線上換刀成本較高,為了使刀具壽命能保持到一個(gè)班次,常被迫降低切削速度。但是,為了在降低速度后仍保持金屬切除率不變,就必須提高進(jìn)給量,也就是增加了切削負(fù)荷、扭矩和切削力。因此就需要?jiǎng)傂院芨叩臋C(jī)床和夾具。苦在上述鏜孔工序中采用旋轉(zhuǎn)刀片技術(shù),就可以在較高的切削速度下工作而不會(huì)犧牲刀具的性能和壽命,從而問(wèn)題就可得到緩解。

下面的一個(gè)試驗(yàn),說(shuō)明旋轉(zhuǎn)刀片的刀具技術(shù)在延長(zhǎng)壽命方面的作用。
在戴姆勒-克萊斯勒(Daimler-Chrysler)公司的Tren-ton發(fā)動(dòng)機(jī)廠,加工DCX型小貨車3.3L和3.8L的V6發(fā)動(dòng)機(jī)。工序?yàn)楦咨w平面精銑。原來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)銑刀為14齒,Si3N4刀片,刀具壽命500件。試驗(yàn)用的旋轉(zhuǎn)刀片式銑刀為12齒,Si3N4圓形刀片,外加一個(gè)修光刀片。直徑和標(biāo)準(zhǔn)銑刀相同。刀具壽命達(dá)到7500件。而且,修光刀片轉(zhuǎn)個(gè)位,還可再加工75OO動(dòng)漫。
另一試驗(yàn)實(shí)例:一把旋轉(zhuǎn)刀片的面銑刀和同規(guī)格的面銑刀相比,切削參數(shù)相同時(shí),刀具壽命提高1倍,同時(shí)表面粗糙度和平面度較好,功率消耗較少。若刀具壽命相同時(shí),旋轉(zhuǎn)刀片的刀具可以在更高的速度下工作。

旋轉(zhuǎn)刀片鏜刀 目前旋轉(zhuǎn)刀片的刀具技術(shù),正在向鏜孔工序沖刺。一項(xiàng)獲得專利的鏜孔刀具技術(shù),承諾在汽缸鏜孔時(shí)降低功率消耗。Lamb Technicon公司的工作人員使用專用設(shè)計(jì)軟件,生產(chǎn)了一種在一定切削參數(shù)范圍內(nèi),使刀片持續(xù)旋轉(zhuǎn)的鏜孔刀具。普遍鏜刀一般不能在高于100m/min的速度下工作,因?yàn)榈毒邏勖鼤?huì)大幅度降低。但旋轉(zhuǎn)刀片的鏜刀,即使在加工CGI材料時(shí),也能像加工灰鑄鐵那樣,達(dá)到730m/min以上的速度。而且,刀縣壽命還比普通鏜刀在低速下工作時(shí)高出1倍。旋轉(zhuǎn)刀片的鏜刀粗鏜時(shí)的表面粗糙度,和普遍鏜刀精鏜一樣好?椎膱A度偏差,亦在允許范圍內(nèi)——說(shuō)明該刀具的軸承有足夠的剛性。因此可以說(shuō):采用旋轉(zhuǎn)刀片的鏜刀,將是高速加工CGI材料零件唯一可行的解決方案。

汽缸鏜孔工序是一個(gè)級(jí)進(jìn)式加工過(guò)程:即鏜刀的每個(gè)刀夾的切削深度都有微小差別。雖然到目前為止,這種刀具還未正式用于生產(chǎn),但已十分接近實(shí)用。可以預(yù)計(jì),采用這種刀具用戶將在切削速度和刀具壽命兩方面都會(huì)獲巨大好處

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