刀座与刀片形状及硬质合金的系统性发展 -(2)

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-02 原文发表时间:2007-07-03 人气:1

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我们与一家最大型的航天设备生产商合作，发明了一项新的设计。新设计的独特之处在于轴向切削刃当中的椭圆结构，这补偿了以上在切削过程中所产生的有关切削刃方向现成公差。显示切削刃在轴向延长时被分成两个部分。

第一部分展示了铣削刀具直径在不断增加至最大的轴向旋转值。第二部分,刀具直径以最低的斜面在不断减少, 并以第一部分作比较。这个形状的特点是在切削过程中形成了一个修光效果。轴向切削刃当中的椭圆结构的详细形状。以上提及的两种不同斜面以α1、α2及一个特殊后角α3所表示，见程序为有效：

α1>α2≦α3

根据这个形状，切削刃显示了刀具在一点上的最大直径，以一圆点表示。a1max 和 a2max 的数值代表了修光效果的强弱。如程序为有效，则以上提及的标准90o条件便成立。

a1max = a2max = 0

如果a1max 和 a2max 的数值太高，随着侧壁波浪纹的增加，再次降低了表面质量。结构的主要设计倚赖于切削深度ap，ap可决定参数a1max 、a2max、α1和α2的最佳值。比较在标准条件下加工后的侧壁结构及新设计。

刀体、刀片座、刀片轴向的现成公差、以及在切削过程中刀具变形所产生的偏差，都可以用以上的形状结构做出某程度上的补偿。

硬质合金及实验结果

为证明以上演示的修光效果，我们进行了多次复杂的实验。实验采用Starrag-Heckert CWK 400 Dynamic高速加工中心，MHPC.32.R.03-19.HSK63A-L121 高性能高速铣刀和XDHX 190440FR-27P刀片。

硬质合金

由于在高速铣削时的高冲击贫率和高冲击负载，刀片在高转速下会承受断裂和疲劳的风险。事实证明在反复旋转负载的情况下，30%的缺口应力可导致硬质合金损坏。因此在高速切削应用中，刀片材质的强度，韧性和抗疲劳性都是首要考虑的特性。此外，高速切削刀具材质还要求：刀片表面质量及整体材质中的极低密度缺陷，以及一致的微细结构性和微细晶粒度也是同样重要的。切削材质中的含钴(Cobalt)成份越高，材质的韧性和抗断裂性越大，晶粒度越小，耐磨性越高，但在切削过程中当温度增加，抗变形性就会降低。在以上测试中，使用了一种适合加工航天应用铝材的典型硬质合金材质。一张硬质合金类型WC-6Co 的微细结构放大图，展现了一致及经过精细打磨后而不带合金方粒的紧密结构。平均晶粒度约1μm, 硬度经分析后为1630 HV30。

月牙洼磨损、侧面磨损、积屑瘤、边缘缺损和缺口磨损都是刀片应用中早期失效的主要问题，也会降低工件材料的表面质量。一种称为"mircrofinish"的表面抛光处理工序，使用仿如镜面(表面抛光)的刀刃，可减少月牙洼磨损、边缘缺损和积屑瘤。在测试中刀具系列并没有使用特别的涂层，所有测试的刀片都是在无涂层的条件下进行。

实验过程和结果

在测试过程中，选用了不同的步骤加工一件3.4364材料，抗拉强度为550N/mm2的铝块。其中一件加工后的铝块照片。测试中使用的进给量fz 为0.1mm，ae 在0.3mm到15mm之间，ap为6到8mm之间。

使用Perthometer M4P装置以垂直于进给方向扫描工件表面，量度表面粗糙度。显示了测试结果，分别量度了平均粗糙度Ra及代表着在特定的量度距离下, 工件表面最高和最低点距离的最大粗糙度Rmax。结果显示，使用以上提及的新方法，即带椭圆结构的切削刃加工工件，量度出来的工件表面质量大大的提升了。再者，第一部分所示刀片切削第一步骤形成的波浪纹表面会被第二步骤削平。这个工序的有效刀刃在第二部分。在侧壁表面波度上，工件表面上可见的对比线表达了修光效果，也代表了加工范围。相反地，以标准90o刀片加工后的工件表面则起了显著的侧壁表面波度，并形成节距，Rmax值高达35μm。

总结和展望

本文介绍了一个革新的刀片设计方法，有效提高了航天工业用的结构性组件和类似工件的侧壁表面质量。由刀体、刀片座、刀片轴向的现成公差、以及在切削过程中刀具变形所产生的偏差，都可以用以椭圆结构做出某程度上的补偿，并同时避免刀刃的锋利边缘结构以及两刀铣削所形成的节距。配以特大的正前角(断屑槽形)和V形定位槽设计使切削速度和进给量能提升到每分钟达7000cm3的排屑量，并维持良好的表面质量和光滑度。V形定位槽设计可使刀片能抵受强大的离心力，而达到每分钟4万转的高转速。要达到可靠的切削工序和最佳的表面光洁度，还须同时考虑排屑效果及振动等额外因素。特别是振动的分析，这是在加工当中刀具和主轴系统共同产生的特有自然共振频率所激发，增加了对其技术应用中刀具表现的了解而作出更准确的预测。轻合金航天应用薄壁组件，透过特殊设计的刀片形状、硬质合金的选择及刀体设定，使加工应用更为有效, 生产效率更高，同时获得更佳的表面质量。可是，在高性能（高排屑量）应用中不断提高的进给量和切削速度的情况下，刀具、车床及主轴生产商仍然面对着来自稳定性、主轴设计、工序控制系统和保安各个范畴的新挑战。

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