“在工業(yè)加工領(lǐng)域找蝗，目前的發(fā)展趨勢(shì)是與日俱增的難加工材料的應(yīng)用和刀具所受負(fù)荷程度越來(lái)越大饼丘×。”位于Oberkochen地區(qū)的LMT公司的顧問(wèn)Diethard Thomas博士說(shuō)道。今天所采用的材料則以往更加難以加工朴则。特殊的挑戰(zhàn)來(lái)自于對(duì)硬度較大权纤，直至68HRC的鋼材、鈦金屬材料和復(fù)合材料的加工乌妒，尤其是高科技應(yīng)用場(chǎng)合所需的碳纖維復(fù)合材料(CFK)眉挥。屬于此類挑戰(zhàn)的還有使用越來(lái)越普遍的不銹鋼，因?yàn)樵诩庸み@種材料時(shí)會(huì)產(chǎn)生很不利的切屑虚蹋。

圖1 針對(duì)CFK復(fù)合材料銑削加工的VHM微型銑刀和轉(zhuǎn)位刀具

對(duì)加工策略的優(yōu)化至關(guān)重要

較高或很高硬度的材質(zhì)要求較高的切削力和較大的刀片負(fù)荷荞亩，同時(shí)所產(chǎn)生的熱量也會(huì)較大。僅僅通過(guò)改進(jìn)切削刀具的材質(zhì)特性并不能解決問(wèn)題：更需要做的是對(duì)刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抄娜、大阻力切割材料和相應(yīng)涂層進(jìn)行智能化的綜合整改驾腕。此外，對(duì)加工策略的優(yōu)化也顯得非常重要砂彻，例如長(zhǎng)短輻旋輪線銑削工藝陷今。

在銑削高強(qiáng)度材料時(shí)，通常會(huì)考慮縮小切削角度和準(zhǔn)備出相應(yīng)的切割邊緣搪狗。通過(guò)準(zhǔn)備出合適的切割邊緣吻毅，刀片的穩(wěn)定性可以得到增強(qiáng)。另外一個(gè)結(jié)構(gòu)性的措施便是放大邊角的半徑跛究，這是因?yàn)榈镀吔撬艿降?a target="_blank" class="mmstipa1" >機(jī)械載荷和熱載荷最大妆墩。因此，銳邊的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致刀片提前磨損重虑。在刀片材質(zhì)種類方面践付，只要是設(shè)備的狀態(tài)穩(wěn)定，就可以選擇具有很高K類熱硬度的微粒硬質(zhì)金屬材質(zhì)缺厉。否則的話永高，則P質(zhì)量就更有優(yōu)勢(shì)。合適的涂層不僅具有很高的硬度提针，同時(shí)也以很高的熱硬度而見(jiàn)長(zhǎng)命爬。與少數(shù)幾個(gè)固定的材料相比，此類材質(zhì)的切割值有所降低辐脖。根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)合饲宛，每齒進(jìn)給量也下降大約20%。

刀具制造廠商所面臨的挑戰(zhàn)是非勻質(zhì)材料結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料嗜价。在把CFK與例如鋁材相復(fù)合的結(jié)構(gòu)部件鉚接成所謂的垛材時(shí)艇抠，必須對(duì)板材進(jìn)行鉆孔、鉸孔和倒角炭剪。迄今為止需要采取三道工序和最多用到三種不同的刀具×妨矗現(xiàn)在，LMT Berlin公司對(duì)此研發(fā)出了一種刀具奴拦，采用這種刀具只需一個(gè)工序即可完成加工颖倾。這種帶有PKD刀片的“One-Shot-Drill”(一槍鉆)以擁有作業(yè)安全的多功能而見(jiàn)長(zhǎng)，它可以避免噴濺天库、毛刺生成和分層現(xiàn)象才褂。在顧及刀具更換時(shí)間的情況下，在CFK上鏜出1000個(gè)符合公差的孔都泥，可以節(jié)省58%的成本详贿。

圖2 帶有ISO轉(zhuǎn)位刀片，用于對(duì)鈦金屬進(jìn)行粗加工的套式立銑刀岗蚪。各齒排采用不同的刀片尺寸可以確保新型銑刀的良好性能

“對(duì)現(xiàn)代難加工高效材料的相應(yīng)切削刀具的研發(fā)工作實(shí)際上需要講究勤奮权惊。”位于Düsseldorf地區(qū)的ZCC公司的產(chǎn)品經(jīng)理Nobert Reiche解釋說(shuō)汰材。在這方面并沒(méi)有捷徑可走抹播，而是需要堅(jiān)韌不拔和對(duì)細(xì)節(jié)問(wèn)題持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化的協(xié)作精神，例如切割材料的成分像鹤、涂層方式和結(jié)構(gòu)以及刀片的外形與布置等問(wèn)題痒拧。對(duì)此則需要與用戶、Düsseldorf總廠里的硬質(zhì)金屬技術(shù)專家哩簿、涂層技術(shù)人員和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行緊密合作宵蕉。研發(fā)工作主要在德國(guó)進(jìn)行，例如相當(dāng)關(guān)鍵的涂層范圍即為如此节榜。

圖3 配備有PKD刀片的One-Shot-Drill鉆具可以一次性實(shí)現(xiàn)鉆孔羡玛、鉸孔和倒角功能，并可避免斷裂全跨、毛刺生成和出現(xiàn)分層

避免分層是CFK銑削中面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)

對(duì)CFK材料進(jìn)行銑削時(shí)所面臨的特別挑戰(zhàn)之一便是如何避免分層的問(wèn)題缝左，即復(fù)合材料里有一部分纖維被扯出。在這方面浓若，刀片的幾何外形非常重要渺杉。單純降低6mm直徑范圍內(nèi)的刀片的幾何外形尺寸的做法并不湊效。在這個(gè)范圍內(nèi)挪钓，ZCC公司在其自行研發(fā)的是越，直徑小至0.8mm的VHM微型銑刀上擁有專門(mén)的技術(shù)訣竅。

這種銑刀通陈瞪希可以被應(yīng)用到對(duì)高檔汽車(chē)和跑車(chē)的CFK部件的加工場(chǎng)合上倚评。對(duì)可以使金剛石涂層達(dá)到極佳附著力的高效硬金屬合金的研發(fā)也是非常重要的。它對(duì)刀片的耐久性有著決定性的影響条嚼。

ZCC公司也在鈦金屬材料加工(例如航空航天)領(lǐng)域里潛心研發(fā)洲猿。鈦金屬合金具有冷硬化傾向并可構(gòu)成具有粘結(jié)特性的長(zhǎng)條切屑获隆。冷硬化現(xiàn)象可以導(dǎo)致刀具快速變鈍。此外村会，尤其是在切削螺紋時(shí)涌遏，鈦金屬的典型的彈性和強(qiáng)度特征會(huì)造成刀具“卡殼”。

若要達(dá)到優(yōu)良的加工品質(zhì)泌拐，需要選擇鋒利的刀具基差、合適的角度半徑、正確的硬度和正確的進(jìn)給量威球。刀具的硬度要與材料的硬度相適應(yīng)宅蜒。目前，ZCC公司與一家用戶和一家領(lǐng)先的涂層廠家一起蜓浦，共同研發(fā)更好的捍农、可加工精細(xì)部件的刀具，以達(dá)到很強(qiáng)的加工能力和一次成型銑削绳拧。對(duì)刀具形狀和刀片幾何外形的研發(fā)工作由ZCC公司負(fù)責(zé)實(shí)施它褪，刀具涂層則由一家在業(yè)內(nèi)很有名的德國(guó)企業(yè)負(fù)責(zé)，而用戶則負(fù)責(zé)各類試驗(yàn)翘悉。在經(jīng)過(guò)第一次試驗(yàn)失敗之后茫打，所開(kāi)發(fā)的七刀片刀具達(dá)到了可接受的效果。該研發(fā)團(tuán)隊(duì)期待著目前再次改進(jìn)的刀具外形能夠獲得關(guān)鍵性的突破妖混。

在加工航空航天所需的鈦金屬結(jié)構(gòu)件時(shí)老赤，往往需要達(dá)到一個(gè)很高的切削容量，切削速率成為了一個(gè)很重要的競(jìng)爭(zhēng)力指標(biāo)制市。另一方面抬旺，在鈦金屬加工上也要戰(zhàn)勝極大的挑戰(zhàn)。鈦金屬合金的范圍很廣祥楣，在可加工性方面也存在著各種不同之處开财。從傳統(tǒng)的Ti6Al4V到諸如Ti10-2-3或Ti5553等的強(qiáng)度更高的合金。Ceratizit公司也是本領(lǐng)域里的一家專業(yè)化公司误褪。這家位于盧森堡的切削加工廠商具備粉末冶金和應(yīng)用技術(shù)的加工能力责鳍。無(wú)論是針對(duì)渦輪鏟斗的高合金鋼、耐高溫材料兽间，還是鈦金屬合金材料历葛。

鈦金屬的熱導(dǎo)性能較差，因此切削刀具的熱負(fù)荷會(huì)加大寇羔，刀具的磨損風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)變得更大宾哼，這是因?yàn)榈毒呤艿降臒嶝?fù)荷會(huì)加大。另一個(gè)因素便是鈦金屬的潤(rùn)滑性傾向甫页，因此切屑很容易會(huì)與轉(zhuǎn)位刀片焊結(jié)在一起压荠，并在再次進(jìn)刀時(shí)會(huì)與刀刃周邊產(chǎn)生燒結(jié)現(xiàn)象淫韧。

針對(duì)各種不同的加工任務(wù)，研發(fā)出相應(yīng)類型的刀具產(chǎn)品韩宦。轉(zhuǎn)位銑刀在大物料量加工場(chǎng)合可以達(dá)到極佳的效益泌榕，因此它通常是粗加工場(chǎng)合的首選刀具。而VHM刀具則主要適用于半精加工和精加工招殊，其主要任務(wù)當(dāng)然也是這些方面，例如曲率半徑很小诲猴、鏤空和槽口尺寸很窄而無(wú)法采用轉(zhuǎn)位刀具等場(chǎng)合秆候。容屑槽數(shù)大和軸向切削率高等，均屬于這種刀具的固有優(yōu)點(diǎn)慌回。

圖4 Ceratizit公司是一家在難切削材料加工領(lǐng)域里的專業(yè)化企業(yè)刺洒。高合金鋼、高耐熱材料和鈦合金材料均屬于其加工能力范圍

切屑的安全排放決定了生產(chǎn)流程

Mapal公司針對(duì)鈦金屬內(nèi)置結(jié)構(gòu)件的挑戰(zhàn)性加工吼砂，研發(fā)出了一種創(chuàng)新型的帶有ISO轉(zhuǎn)位刀片的套式立銑刀逆航。據(jù)Mapal公司介紹，齒排上采用各種不同刀片規(guī)格渔肩，可以使這種新型銑刀達(dá)到很高的性能因俐。刀片呈徑向安裝≈苜耍“由于材料的可鍛性強(qiáng)抹剩，刀片會(huì)經(jīng)受到比諸如鑄件加工更大的負(fù)荷。徑向安裝方式可以幫助刀片經(jīng)受住這種負(fù)荷蓉坎“木欤”該研發(fā)項(xiàng)目的高級(jí)項(xiàng)目經(jīng)理Axel Fleischer解釋道。在研發(fā)工作中蛉艾，除了刀片及其最佳的安裝角度之外钳踊，銑刀的基體也至關(guān)重要。對(duì)經(jīng)過(guò)硬化和鍍鎳處理的特種工具鋼的選擇勿侯，是影響到銑刀基體功能的一個(gè)重要因素拓瞪。

對(duì)內(nèi)部冷卻劑的輸送作了徹底的優(yōu)化，每個(gè)刀片均單獨(dú)接受冷卻劑的供給诫痹。最佳設(shè)計(jì)的冷卻劑輸送路徑與經(jīng)過(guò)拋光的大容量切屑腔室可以確保切屑的安全排放逸讹。在研發(fā)過(guò)程中，切屑腔室的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然顯得有些繁瑣荷况，但是對(duì)于銑刀的成功應(yīng)用來(lái)說(shuō)禾计，則非常重要。這是因?yàn)樵谇邢髀屎芨叩那闆r下梆甘，確保流暢的切屑排放是至關(guān)重要的宇夭≈蚬迹“對(duì)此也需要做大量的試驗(yàn)工作⌒茫”Mapal公司研發(fā)工程師Dietmar Maichel總結(jié)說(shuō)道臂葫。

各個(gè)部分的優(yōu)化結(jié)果匯總起來(lái)的效果究竟如何，最初的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果可以給出答案焙番《故矗“航空領(lǐng)域里的一個(gè)用戶對(duì)采用新型Mapal鈦金屬加工銑刀所能達(dá)到的數(shù)值非常滿意〉抻”這家位于Aalen地區(qū)的企業(yè)的項(xiàng)目負(fù)責(zé)工程師Jens Ilg如是說(shuō)抬闷。在加工TiAl6V4鈦合金部件時(shí)，采用了兩款直徑分別為50?mm(Z=4)和63?mm(Z=5)的新型銑刀耕突，其最大切割深度為30?mm笤成，每齒在全斷面切割時(shí)的進(jìn)給量為0.15?mm。

在航空航天領(lǐng)域眷茁，大約有三分之一用于鉚釘和螺栓緊固的復(fù)合材料孔是通過(guò)手動(dòng)工具進(jìn)行打孔的炕泳。因此，在設(shè)計(jì)刀具時(shí)需要特別重視對(duì)手動(dòng)工具所存在的無(wú)法避免的定位與穩(wěn)定性方面的不良影響進(jìn)行補(bǔ)償上祈。

尤其是當(dāng)?shù)毒甙l(fā)出側(cè)向楔入力或需要耗費(fèi)很大的垂直力時(shí)培遵，孔的質(zhì)量、生產(chǎn)率和員工的注意力都會(huì)受到不良的影響登刺。此外荤懂，在刀具發(fā)生斷裂時(shí)，孔的下部便會(huì)產(chǎn)生毛刺塘砸、破裂和分層节仿。倒角往往也會(huì)受到損壞。對(duì)鉆孔的典型要求是粗糙度Ra<4.8?μm肺沃，整個(gè)范圍內(nèi)的分層程度為<1?mm且無(wú)剝落現(xiàn)象罩泰。如果是金屬包覆的情況，則粗糙度要求為Ra<3.2?μm(<1.6?μm樱猬，金屬范圍)孝生，孔的誤差范圍為±0.02～±0.04?mm，而CFK的誤差范圍則為無(wú)切屑損傷現(xiàn)象出現(xiàn)肛巫。

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