Vario铣刀和高效劈屑加工新技术

2018-10-20 43

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产品发展技术公司(Product Development Technologies, Inc.，PDT)(位于美国伊利诺依州林肯郡)是一家从事包括刀具设计与制造在内的新产品开发的跨国公司。该公司一直致力于可缩短加工周期、降低生产成本的先进加工策略的探索与研究。PDT公司从成立时起，即开展用表面涂覆TiAlN涂层的机夹式铣刀(使用APKT方形带台阶结构的刀片)在高进给条件下进行模具加工的创新性技术研究。从2004年8月起，与LMT-Fette美国公司(位于美国俄亥俄州克利夫兰市)合作开发了一种牌号为Twincut Vario的高进给机夹式铣刀(使用新型的LC280TT刀片)，并进行了将其应用于高效模具加工的工艺试验研究。

图1 使用Twincut Vario铣刀和劈屑加工技术粗加工汽车排气管壳芯盒模具底座

在最后的工艺试验研究中，使用新设计制造并进行了多次改进的Vario铣刀以及由此总结出的劈屑加工专利技术，对某型号汽车的排气接管壳芯盒模具底座进行了加工(见图1)。该底座外形尺寸为914×711×127mm，工件材料为4140钢(30HRC)。加工在功率25hp、装有50号主轴的Makino MCB 1210卧式加工中心上进行。加工中刀具有178mm的悬伸长度。加工试验结果令人兴奋，在保证加工零件达到高精度要求的同时，取得了明显的经济效果，机床加工费用由每立方英寸(合1.6387立方米)12美元下降至6美元，刀具费用由每立方英寸31美元下降至2美元，总的生产费用从每立方英寸42美元下降至8美元，零件生产成本比原工艺节约了81.6%。PDT公司的制造工程师Sarullo介绍说，“我们在对模具进行高效加工的工艺试验中，把加工时间从17小时缩短至5小时。”

在使用Vario铣刀之前，PDT公司也曾使用过另一家公司生产的刀具。“原来在加工该汽车排气接管壳芯盒模具底座时，需要更换20个刀片，而使用Vario铣刀则减少到只需使用5个刀片，”Sarullo向用户介绍Vario LC280TT刀片的优点时说，“使用Vario铣刀为公司节约了大量刀片。原来铣削500立方英寸的钢件时，使用一个价格昂贵的刀片只能加工0.5小时，就因刀头上切削温度过高而使刀片磨损、精度下降，甚至对刀体造成损伤而不得不停止加工。现在使用Vario铣刀可使刀具寿命延长至1小时40分钟，加上每个刀片有8个切削刃，通过转位使用，极大地降低了生产成本。”

PDT公司还在对另一模具底座的加工中，使用一把直径69mm的Vario铣刀，选用切削速度139.3m/min、主轴转速640r/min、进给速度3m/min和切深3mm的切削条件进行加工。而此前使用公司过去生产的直径50.8mm的普通铣刀，则只能选用切削速度122m/min、主轴转速764r/min、进给速度0.78m/min和切深5.08mm的切削条件进行加工。对比试验研究表明，使用劈屑加工专利技术和Vario铣刀独特的23°正前角几何形状，可使作用于刀头上的切削力降低50%，减少刀具磨损和降低切削温度。

高效劈屑加工技术的主要特点是真正实现了高进给速度切削加工。“这是对Vario刀具的完美应用，是PDT公司成立至今一次最好的质的飞跃。”Sarullo说。因此，它可在加工模具型腔时，使加工时间由过去的17小时缩短至5小时。

图2 Twincut Vario高进给铣刀的头部外形

Vario铣刀的结构特点

Twincut Vario高进给铣刀采用了别具一格的刀具几何形状(已获得专利)(见图2)。刀具设计了两个轴向和径向都错位(错齿)排列的切削刃，可对零件进行复合加工。根据加工条件和零件尺寸精度要求，刀具的上下(轴向)和左右(径向)相错排列的两个切削刃能各自按照不同的切入角和调整好的切削深度进行高效切削，这将形成宽与高之比仅为以前1/4的切屑截面，使加工中产生的切削力大大减小，从而使刀具的切削性能优势得以充分发挥。

当然，这也与独特的刀体结构设计有关。在已设计好的刀片定位槽内，可将不同材质、有8个切削棱边的TC280TT刀片安装成具有不同正前角或负前角的切削刃，以进一步提高Vario铣刀的切削性能。“刀片不会产生裂纹，也不会破裂，”Sarullo介绍说，“即使在断续切削中刀具受到很大冲击的情况下，切削刃也不会破损。LC280TT刀片在切削中表现出罕见的高耐用度，使切削刃始终保持锋利，不间断地进行实际上的自由切削(这是切削界一直努力追求的切削方式)，即进行超强功能的将金属‘劈’(形容其速度之快)成破碎状切屑的加工(‘劈屑’技术由此得名)，而不是通常的挤压、剪切金属(速度相对较慢)的加工方式。由于它具有独特的超高切削性能，因而只会产生很小体积的切屑(约为以往的三分之一)。”Sarullo说，“在一般情况下，只需要使用气吹，即可将小体积的切屑排除干净，净化工作场地，提供一个安全的生产环境。”

过去，PDT公司加工相同零件时，操作者需要认真监控主轴的运行状态。现在使用Vario铣刀，由于避免了刀具在恶劣工作条件下容易产生的严重磨损与破损，将操作者从紧张的工作状态中解放了出来，在预计的刀具磨损时间内可以放心去干别的工作。

LMT-Fette公司的Vario铣刀也解决了以往的铣刀在切削中产生很大噪音和振动的问题。“我们生产车间的隔壁就是三坐标测量机(CMM)工作室。减少干扰对CMM工作室极其重要。”Sarullo说。利用劈屑技术的Vario铣刀能在恶劣的加工条件下有效减小振动，保持安静的工作环境。

Vario铣刀的另一个优点是在刀具调整好之后，不需要汇编加工程序，即可对零件进行加工，从而减少编程等额外辅助时间。“在一般加工条件下，对切削钢件的加工状态是不可预知的，但我们使用Vario铣刀时，就可以使用同一个加工程序去加工切削条件不完全一致的零件，并能保证良好的加工质量。”Sarullo接着说，“事实上，我们也可以不必考虑加工材料或刀杆长度带来的加工条件差别。”

Twincut Vario铣刀和劈屑加工技术可为用户提供极高的生产效率，大大缩短加工时间，减小刀具和机床磨损，延长刀具使用寿命，降低刀具成本，减少振动和噪音，改善安全生产环境，为无人化生产提供良好条件，因此是一种极具发展前景的高效加工新技术。

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