先进的工程微几何学(EMG)刀具切削刃制备技术

来源:  编辑:wangyi12138【seo:】
2014-02-28
【摘要】:

 切削刃制备是成功制造刀具的四大要素之一
   近年来,刀具切削刃制备技术被公认为是成功制造切削刀具所需的四大要素之一。这四大要素包括:①刀具基体材料的成分;②刀具的几何参数;③合适的刀具涂层(如有必要的话);④刀具切削刃制备。在过去20年中,刀具制造业将研发重点主要集中于前三个要素,并在这些领域投入大量资源,以开发可靠性更高、重复性更好的加工技术及装备。纵观刀具制造领域的技术发展历程,可以看到,第四个要素——刀具切削刃制备——相对而言并没有得到足够重视。
   合理选择和应用刀具切削刃制备技术,是成功制造高性能切削刀具的基本要素之一。在当今的高科技制造环境下,切削刃制备正迅速成为制造硬质合金刀具、陶瓷刀具、PCBN刀具、PCD刀具等高效刀具必不可少的关键技术。在当今要求严苛的制造业环境中,各种类型的刀具都需要进行切削刃制备。
   刀具制造业的许多用户都在使用新型高技术加工设备,同时面临着日益增多的新型材料加工需求,他们对刀具制造业提出了越来越高的要求。随着新材料的大量涌现和CNC机床适应加工环境能力的增强,对刀具切削性能的要求也在不断提升。对于刀具制造业而言,生产出能更好预测切削性能的刀具极为重要,而这种趋势今后也不会改变。
   在进行切削刃制备之前,几乎所有刀具的切削刃都存在一些缺陷,包括压制刀片时产生的瑕疵、放电加工(EDM)和磨削加工缺陷等。即使是极其微小的缺陷,都可能导致刀具性能下降和过早失效。因此,如果想获得最佳刀具性能,就必须设法消除这些缺陷。
   只要应用得当,刀具切削刃制备工艺可以增加切削刃的强度、延长刀具的使用寿命、将切削刃对切屑的倾向性减至最小、改善工件的加工质量和一致性,以及提高工件的表面光洁度。刀具制造商目前采用的一些切削刃制备方法包括:①使刃口保持锋利(刃磨后不进行任何切削刃制备);②将刃口钝化为圆弧形或瀑布形(偏圆弧);③制备T形(或K形)棱带;④T形棱带+钝化。目前,刀具制造业应用最广泛的切削刃制备方法是将刃口钝化为圆弧形和瀑布形。根据不同的刀具尺寸和加工用途,采用的切削刃制备尺寸也各不相同。切削刃制备并不仅仅局限于可转位刀具,大多数硬质合金圆形刀具、采用高速钢刀柄的焊接式刀具、PCD和PCBN超硬刀具,以及单刃或多刃硬质合金成形刀具都需要进行切削刃制备。在刀具切削刃上磨出T形(或K形)棱带的同时,还可以用多种方法对切削刃进行钝化。这些方法包括:振动钝化、用金刚石油石手工钝化、介质钝化、浆料钝化、用含磨料介质的橡胶轮钝化刀片、干喷砂、湿喷砂、滚筒钝化和用含磨料介质的毛刷钝化等。
   对大多数刀具制造商而言,刀具切削刃的钝化工艺目前仍然是一种技艺。现在常用的传统钝化工艺很容易对刀尖钝化过度,而且很难做到根据不同的被加工零件和加工条件,有针对性地调整控制不同刀具的钝化工艺。现实情况往往是,钝化工艺仍然根据假设的加工条件来确定,因此会受到机床可变性和操作者专业技能的限制。
   美国科尼技术公司(Conicity Technologies)开发的相关技术改变了这种现状。它将切削刃制备技术引领到一个全新水平,使之成为一门科学。如今,采用含磨料尼龙丝毛刷的钝化技术和设备可以克服现有工艺的几乎所有不足,制备出在任何特定加工场合都能获得最佳切削性能的刀具。
   工程微几何学(EMG)切削刃制备技术简介
   由科尼技术公司研发的“工程微几何学(Engineered Micro-Geometry, EMG)”也称为“可变尺寸切削刃制备技术”。该技术是在刀具制造过程中,确定切削刃制备尺寸与未切削切屑厚度之间的关系,并按照这种函数关系,在切削刃的不同位置精确分配切削刃制备尺寸并实施制备。这意味着,不是采用传统方式对刀具切削刃进行统一尺寸制备,而是根据特定的加工条件和工件材料,以一种具有针对性的独特方式来制备切削刃。以下示意图显示了切削刃/工件材料界面区的变化形态。由图可知,为了实现工件材料的最佳剪切,就必须根据进给量和尚未切削的切屑厚度,调整控制切削刃的制备形状和尺寸。这种严格控制的切削刃几何形状是优化刀具切削性能的关键,它能最大限度地延长刀具寿命,获得优异的加工表面光洁度和平面度,减少乃至消除加工毛刺。以下这些示意图对切削刃的统一尺寸制备法和可变尺寸制备法进行了比较,清楚地显示出可变尺寸制备法的优点,以及切削加工时位于刀具与工件之间的关键微观界面区的变化形态。
   在用统一尺寸制备法制备的刀具切削刃与工件材料接触的典型界面区中,沿着切削刃分布着A、B、C三个区段,分别代表在动态变化的切削刃/工件界面区内不同的关键区域。如前所述,进给量与切削刃制备量之比是需要控制的一个关键参数。切削刃制备尺寸不应超过进给量,而应该是小于进给量的某个优化的百分比。一般来说,建议采用的切削刃制备尺寸不应大于进给量的50%。控制进给量和这一比率至关重要,因为进给量是决定未切削切屑厚度的一个关键变量。在大多数情况下,进给量与未切削切屑厚度可以相互转换。了解进给量、未切削切屑厚度与切削刃制备尺寸之间的协同作用,是了解切削刃/工件界面区变化形态的关键。
   在A区段,进给量与切削刃制备尺寸之比约为3∶1,未切削的切屑厚度大于该区段的切削刃制备尺寸。沿着切削刃进入B区段后,可以看到,切削刃制备尺寸与未切削切屑厚度的关系发生了变化,此时未切削切屑厚度与切削刃制备尺寸之比约为2∶1。而当继续沿刀尖圆弧半径向右移动时,随着切削刃制备尺寸逐渐接近未切削切屑厚度,切削时的法向剪切作用也逐渐改变。在C区段,切削刃制备尺寸已超过了未切削切屑厚度,刀具与工件之间出现了材料挤压现象。未切削切屑的挤压和摩擦使刀具和工件表面的温度上升,造成刀具切削性能下降。
   在用统一尺寸制备法制备的刀具切削刃的每个区段上,未切削切屑厚度与切削刃制备尺寸的比较截面图表明:切削刃上的A区段垂直于刀具主切削刃,且平行于刀具进给方向。它显示了沿着刀具主切削刃的切削刃制备尺寸与未切削切屑厚度之间的关系:切削刃制备尺寸远远小于未切削切屑厚度。
   切削刃上的B区段大致位于刀尖圆弧半径的中段(约45°处)。在该区段,与统一的切削刃制备尺寸相比,未切削切屑厚度有所减小。该区段的切削刃制备尺寸开始接近未切削切屑厚度。
   切削刃上的C区段显示出切削刃制备尺寸与切点处的未切削切屑厚度之间存在很大的差异。该切点垂直于进给方向,代表刀具与工件接触的终点。C区段的切削刃制备尺寸已超过了未切削切屑厚度。
   注意:在A区段,切削刃统一尺寸制备法的制备尺寸与未切削切屑厚度之比约为3∶1;在B区段,该比率减小至2∶1;而在C区段,该比率变为1∶2,切削刃制备尺寸超过了未切削切屑厚度。
   在采用科尼公司EMG技术(即可变尺寸制备法)进行切削刃制备的刀具切削刃与工件材料接触的典型界面区,沿着刀具切削刃也有三个关键区段,分别命名为D区段、E区段和F区段。
   在D、E、F三个区段中,切削刃制备尺寸与未切削切屑厚度之间始终保持协调一致,即在沿动态界面区的任何位置,未切削切屑厚度与切削刃制备尺寸的比率均保持不变。在沿有效切削区的任意一点,未切削切屑厚度与切削刃制备尺寸之比均为3∶1左右。这样,当切削点围绕刀尖圆弧半径移动时,沿着主切削刃产生的法向剪切作用保持不变。
   采用EMG技术制备的刀具切削刃在D、E和F区段刀具与工件相互作用的截面图表明:切削刃上的D区段垂直于刀具切削刃,且平行于刀具进给方向。它显示了切削刃制备尺寸与未切削切屑厚度的关系。该截面图与采用统一尺寸制备法的A区段截面图基本相同。
   切削刃上的E区段大致位于刀尖圆弧半径的中段。在该区段,切削刃的制备尺寸随着未切削切屑厚度的减小而减小,从而使其比率与D区段保持不变。
   切削刃上的F区段显示了在刀具上垂直于进给方向的切点处,切削刃制备尺寸与工件上未切削切屑厚度之间的关系。(该截面代表刀具与工件接触的终点。)当未切削切屑厚度继续减小时,切削刃制备尺寸也随之减小,从而使两者之间的比率保持不变,与D区段和E区段的比率相同。
   注意:在D区段,EMG切削刃制备尺寸与未切削切屑厚度之比约为3∶1;在E区段和F区段,该比率保持恒定,仍然为3∶1。在这种情况下,未切削切屑不会像在C区段那样,在刀具与工件之间造成挤压。这种正常的切削过程将会减少刀具承受的压力和产生的热量。
   小结
   采用EMG切削刃制备技术,可以沿切削刃合理分配切削刃制备尺寸,使其与未切削切屑厚度之间保持一个特定的比率。例如,对于可转位刀片或盘形刀具,在围绕刀尖圆弧半径的不同位置,切削刃制备尺寸对应于未切削切屑厚度的变化率而相应改变,使两者之间的比率保持不变。简言之,当未切削切屑厚度减小时,切削刃制备尺寸也相应减小。采用EMG技术制备的切削刃在切削时将更轻快、更自由。由于变化的切削刃制备尺寸使被切削材料不会在刀具与工件之间造成挤压,因此可以提高刀具的切削效率。沿着刀尖圆弧半径可控分配切削刃制备尺寸可将有害的刀具摩擦减至最小。刀具压力和切削力也将减小,从而降低刀具和工件的温度。EMG技术具有许多优点,适用于几乎所有类型的切削刀具和加工场合。该技术可以应用于钻头、立铣刀、铰刀和其他类型的切削刀具。

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