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旋转刀片式镗铣刀具

旋转刀片式镗铣刀具 2011年12月04日 来源： 带圆刀片的旋转刀片式刀具如镗、铣类刀具，其刀片可在切削力作用下旋转。数十年来这种结构的刀具多少受到一些冷落。现在，却正在得到汽车工业和其他制造业的表睐。按照Lamb Technicon 加工系统公司研究和新品开发部主任Jairam Manjunathaiah的看法，旋转刀片式刀具在制造业中突然重新出现，其主要原因，是汽车发动机缸体新材料发展的需要。从历史上看，铸铁材料之所以曾被选为汽缸体和缸盖材料是由于它兼具有强度、可铸性、阻尼性和导热性等多种特性，尽管如此，人们一直在进行着新材料的开发研究，以求取代传统的铸铁。现今，高强度合金铸铁和球墨铸铁已被广泛用作普通灰铸铁的换代材料，特别在柴油机制造中如此。而新近才在柴油机上推广的一种新材料叫做蠕墨铸铁（CGI）。

CGI在组织结构和性能方面，介乎灰铸铁和球墨铸铁之间。例如：它具有较高的强度和弹性模量，但阻尼性、导热性和可铸性逊于灰铸铁。欧洲汽车制造商已经将CGI材料用于几种汽缸体生产，而美国汽车制造商则还正在研究这种材料的使用，主要着眼于减少发动机排放量和提高其输出功率。但是，CGI材料具备的高强度和耐磨性，在带来一系列好处的同时，也增加了加工的困难。尽管现在刀具的性能已有很大进步。但仍不能完全满足市场对其在加工质量和效率上的需求。一项关于CGI材料高速连续切削的研究表明，此时硬质合金刀具的寿命还不到加工灰铸铁时寿命的10％。刀具寿命急剧下降的原因，通过最近的一项研究认为：可能是由于灰铸铁含有过量的硫，从而加工中在刀具表面形成了约5μm的硫化锰（硬质合金刀具）薄层，它起到保护刃口和增加润滑的作用。而CGI材料加工时并不在刀具上形成这种薄层。旋转式刀片已有大约50年的历史。刀片装在径向和止推轴承上，保证其自由转动。这种旋转使加工过程形成斜切作用，并使金属切除过程中的切削刃接触区不断变化。从而降低了温度，同时使磨损沿整个切削刃圆周均匀分布，提高了刀具寿命，还降低了切削力和功率消耗，改善了表面粗糙度。但长期以来，由于种种原因使这种刀具的使用受到了限制，首先是轴承系统的问题使刀具可靠性下降；其次是夹持刀片的刀夹尺寸过大；还有刀具和刀片的初始成本较高以及刀具设计缺乏有效的解析工具等。据Rotary Technologies公司副总裁介绍，上述种种问题，现在都有把握加以解决。大约在9～10年前，该公司为SR－71黑鸟（美国一种高空高速侦察机——译注）的钛合金零件，设计旋转刀片的加工刀具时，确实存在轴承系统的问题。刀片转动时，若传入热量较多，就会卡住。后来，公司采取措施改进了轴承材料，并开发出一种专门的耐高温油脂专用于轴承润滑。通过这一系列开发研究，公司最终制成了一种紧凑型刀夹系统：它由刀夹的定子及在其上的止推轴承和滚针轴承组成，从而促证刀夹的转子在切削力作用下旋转。刀片装在转子上，由螺母固定。定子底部制成燕尾状以保证其在刀具上的移动导向，并藉夹紧机构固定在所需位置上。刀夹采用O型密封圈防止轴承被冷却液或切屑污染。

Rotary Technologies' patented system uses thrust and needle bearings to allow insert rotation under the action of cutting forces. A dovetail on the bottom of the stator allows the cartridge to be locked in place in the cutter, and the entire cartridge is sealed using O-rings to prevent contamination.

上述改进后的刀具目前运行十分良好。在某汽车厂用非涂层硬质合金刀片加工铸铁缸体时，切削速度76m/min，寿命达到40000件/切削刃。实际上初次试验时寿命达79，000件。因为用户担心轴承烧坏，所以决定每4O，OOO件换一次刀。其他切削参数为：切深2mm，切削速度76m/min，刀盘直径355mm，装有18个带轴承的刀灭。 在上述例子中，加工铸铁采用硬质合金刀片的情况己经较少。目前约有90％的铸铁件加工采用氮化硅（Si3N4）陶瓷。氮化硅能起到热屏障的作用，阻止切削热传入刀夹轴承。而硬质合金刀片则无热障作用，故会传入大量的热。采用陶瓷刀片加工铸铁的另一个优点是可以干切削。铸铁件加工通常都采用干切削。在机床运转速度较高时，陶瓷刀片是唯一可行的选择。若采用冷却液，则工作区域必须做到充分冷却。在铁削钛合金起落架部件时，冷却液压力达到6.9MPa，由主轴喷向切屑形成区域。这种冷却条件能保证加工钛合金时，旋转刀片的刀具工作良好。必须指出 使用陶瓷刀片时，冷却液必须确保充分。时断时续会导致力片热裂。由于动漫下载的轴承是密封的，所以使用冷却液不成问题。只有在刀具或刀夹全部浸入液体时，才会影响O形密封圈的密封性。这种结构的刀夹十分耐用。例如某用户的刀夹已使用数年，但仍难以预测何时会损坏。于是干脆拆开一个旧刀夹，结果发现和新刀夹相比，没有明显磨损。Rotary Technologies公司的另一项创新，是在铣刀上采用修光刀片，以便在高速切削条件下改善工件表面粗糙度。通常每个铣刀使用一个修光刃刀槽。有的用户采用两个修光刀片进一步提高刀具寿命。这种修光刃刀片采用不可调结构，所以当一个修光刃磨损后，另一个也得换掉。有些用户在铣刀用钝后，甚至不对修光刃刀片转位使用。而是把铣刀清理一下，换上一个新的修光刀片，继续投入使用。旋转刀片式刀具多数在流水线上使用，要求加工系统刚性好，重切削。但是，这类刀具在刚性较差的机床上也能使用。很多人一直被灌输这样的概念：圆形刀片的切削力较大。但是，旋转式的圆刀片正好相反。其产生的切向力和径向力都比标准铣刀小。因而只需较小的功率，机床刚性也不需要很高。所以，即使是役龄十年以上的流水线，也能使用这类铣刀。铣削和镗削是各类汽车动力系统部件加工的主要工序。缸体和缸盖都有大量的铣削加工。特别是汽缸体的镗孔工序，常受到刀具寿命问题困扰。由于在流水线上换刀成本较高，为了使刀具寿命能保持到一个班次，常被迫降低切削速度。但是，为了在降低速度后仍保持金属切除率不变，就必须提高进给量，也就是增加了切削负荷、扭矩和切削力。因此就需要刚性很高的机床和夹具。苦在上述镗孔工序中采用旋转刀片技术，就可以在较高的切削速度下工作而不会牺牲刀具的性能和寿命，从而问题就可得到缓解。下面的一个试验，说明旋转刀片的刀具技术在延长寿命方面的作用。

Patented rotary-insert boring tools ran at speeds above 2400 sfm and provided twice the tool life of conventional inserts run at 300 sfm in boring of cylinders in CGI engine blocks.

在戴姆勒-克莱斯勒（Daimler-Chrysler）公司的Tren－ton发动机厂，加工DCX型小货车3.3L和3.8L的V6发动机。工序为缸盖平面精铣。原来的标准铣刀为14齿，Si3N4刀片，刀具寿命500件。试验用的旋转刀片式铣刀为12齿，Si3N4圆形刀片，外加一个修光刀片。直径和标准铣刀相同。刀具寿命达到7500件。而且，修光刀片转个位，还可再加工75OO动漫。另一试验实例：一把旋转刀片的面铣刀和同规格的面铣刀相比，切削参数相同时，刀具寿命提高1倍，同时表面粗糙度和平面度较好，功率消耗较少。若刀具寿命相同时，旋转刀片的刀具可以在更高的速度下工作。旋转刀片镗刀 目前旋转刀片的刀具技术，正在向镗孔工序冲刺。一项获得专利的镗孔刀具技术，承诺在汽缸镗孔时降低功率消耗。Lamb Technicon公司的工作人员使用专用设计软件，生产了一种在一定切削参数范围内，使刀片持续旋转的镗孔刀具。普遍镗刀一般不能在高于100m/min的速度下工作，因为刀具寿命会大幅度降低。但旋转刀片的镗刀，即使在加工CGI材料时，也能像加工灰铸铁那样，达到730m/min以上的速度。而且，刀县寿命还比普通镗刀在低速下工作时高出1倍。旋转刀片的镗刀粗镗时的表面粗糙度，和普遍镗刀精镗一样好。孔的圆度偏差，亦在允许范围内——说明该刀具的轴承有足够的刚性。因此可以说：采用旋转刀片的镗刀，将是高速加工CGI材料零件唯一可行的解决方案。汽缸镗孔工序是一个级进式加工过程：即镗刀的每个刀夹的切削深度都有微小差别。虽然到目前为止，这种刀具还未正式用于生产，但已十分接近实用。可以预计，采用这种刀具用户将在切削速度和刀具寿命两方面都会获巨大好处。(end)

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