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对现有可转位刀片的功能缺陷分析与设计思想的建议

点击次数:  更新时间:2010-03-16 20:18:27  【打印此页】  【关闭

1 结构优化的主要内容

对机夹可转位车刀的结构、几何参数和切削性能的分析可知.在实际生产中.刀体的结构参数基本上是不变的。通过调换不同参数的刀片或转位来延续刀具的切削性能和使用寿命。才能获得单一品种或工艺的较高生产效益。因而,可转位刀片的设计原则与选用,遵循“刀具—工件材料副”,按照刀具分类并遵循标准化、系列化、通用化的单一化原则设计就不能适应整个复杂加工系统,不能具体解决加工条件复杂、品种变化多样、工序集中并尽量复合化的综合效率问题。近些年来。由于科学技术的不断进步和人们消费需求的不断异化,产品的寿命周期缩短,产品更新换代的速度加快,迫使许多生产企业走上多品种、小批量的生产方式。以适应市场多变性及提高本企业产品的市场占有率的需求。这就对为少品种大批量生产奠定基础、开辟道路的标准化设计原则提出了挑战。

1.1 各种刀具材料独特的优势和适用范围相互补充替代

现各种刀具材料的性能都有显著的提高,形成了每种刀具材料独特的优势和适用范围又相互补充替代的格局。但可转位刀片的调换技术不能仅是同类或不同类刀具材料静态参数延续的重复,还应该包括不同刀具材料动态几何参数的优化和调整功能。刀片新牌号的开发应包括相应断屑槽型与几何参数的改进,以适应被加工件及不同工序对断屑的要求,并起到降低切削力、减少振动使切削更加轻快的作用。例如:三菱综合材料公司开发的四种UE系列硬质合金刀片牌号所对应的槽型就是一例。据CemeCom公司介绍,该公司与Fraise公司合作,专门根据Fraise公司的铣刀材料几何角度加工条件开发相应的涂层。保证三者的有效结合取得了良好的效果。所以,众多创新刀具的一个共同特点都是对切削理论的科学运用,如:三高公司的平面铣刀的刀槽有10°的正前角加上正前角的刀片,安装后的有效前角高达35°,就显著降低了切削力和功率,扩大了刀具的应用范围。

1.2 刀片几何参数的重复性转位的静态

在现在的可转位刀具的结构中,刀片几何参数的重复性转位只表示在单一工艺性能优化与高投入高产出条件下的静态产品。在复杂加工系统中只是被动与局部的概念,切削部分与刀柄的集成技术单一、使用中也无功能优化的接口。只会因磨损等原因而导致性能劣化。
  1. 硬质合金可转位刀片已有国家标准(GB2079-80)。刀片形状很多,常用的有三角形,正方形。五角形和圆形等,在每个切削刃上大多不带后角。但有成型的断屑槽和相应的法向前角.刀片的实际工作后角由刀片在刀槽的倾斜角度决定的。对.一般机械加工企业来说,刀具的配置,更多的只是是如何选、如何用。
  2. 刀片后角的选择

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    图1 2种车刀

    常用的刀片后角有N(O°)、C(7°)、P(11°)、E(20°)等。一般粗加工,半精加工可用N型。半精加工、精加工可用C型、P型、也可用带断屑槽形的N型刀片。加工铸铁、硬钢可用N型。加工不锈钢可用C型、P型。加工铝合金可用P型、E型等。加工弹性恢复性好的材料可选用较大一些的后角。一般镗孔刀片,选用C型、P型,大尺寸孔可选用N型。说明未和刀柄技术集成形成前、后角参数对的调整功能,参数种类繁多(图1)。
  3. 刀片精度等级的选择
    刀片精度等级根据加工作业,例如精加工、半精加工、粗加工等选择,以便在保证作业任务完成的前提下.降低加工成本。国家标准有A~U共12个精度等级.车削常用等级为G、M、U。一般,精密加工选用高精度的G级刀片;非铁金属材料的精加工,半精加工宜选用G级刀片。淬硬(45HRC以上)钢的精加工也可选用G级刀片。精加工至重负荷粗加工可选用M级、粗加工可选用U级刀片。说明精加工性能单一不及临时修磨修光刃快捷、经济。
  4. 结论:
    可转位刀片虽然克服了刀片经过焊接产生的热裂纹、以及强度与切削性能下降的缺陷,但失去了重磨的修复功能.利用率低下。因为在切削过程中切削刃磨损后可转换另一条切削刃继续工作,但全部转位完毕则无法继续使用。刀具结构的缺陷使刃口可能的重磨,前、后角、主偏角与刃倾角也无法进行调整、修复,无主动适应功能。因而,在工件特征分析的基础上,重点对刀具选配系统进行总体功能和结构的设计。并利用数据库理论建立系统框架模型并进行具体的运用。也只能在高速大批量生产的条件下取得相应的经济效益。但改变不了这种缺陷。所以,提高现有可转位刀片先进切削材料的利用率.也是效率优先综合原则的具体运用,但刀具切削部分与刀柄技术的一体化技术问题必须优先解决。

刀具涂层

现汽车制造行业所用的硬质合金刀具几乎75%进行了涂层。但随着对刀具重磨要求的提高,愈来愈多的重磨刀具需要重新涂层前刀面角度与断屑性能的调整与持续应用问题。还需要涂层厂家与用户共同付出更大的努力:这实际也是刀头与刀柄技术的集成问题。通过断屑圆弧槽的适当调整是完全可以解决的-。

2 现可转位刀柄的技术缺陷与集成问题

2.1 现有可转位刀柄的技术缺陷


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图2 可转位刀片车刀切削状态

现有可转位刀片定位面与刀台结合面完全重合.致使刀片和刀台后面必须同时进行刃磨,否则仅重磨刀片。则后面结合面积减小、刀台凸出,刃口不能有效接触到被加工面。结构原理的相同性致使转位不重磨的刀具无法提高刀片的利用率.效率优先应该也是刀柄性能充分发挥切削部分功能的优化原则。所以。在切削工具系统内可转位刀片应作为工作模块,通过相应的接口与刀柄技术集成,从而完成刀片的优化设计(图2)。

2.2 可行性

可转位刀片装夹刚性对工具寿命的稳定、延长以及加工精度起着决定性作用。同时采用固定销和压板压紧的刀片复合上压结构。具有很高的刚性及可靠性,用途广泛。因而,刀片压板尾部圆弧面在刀柄支撑面上作有限往返圆周运动.并保持同样的刚度与可靠性是可能的。如果支撑面挡板沿吃刀量矢径方向作有限往返直线运动并保持同样的夹持刚度与可靠性。并采用钩形复合压板则可能沿弧面支撑与刀面各种法后面良好接触.刀片调整性转位问题的解决是刀片技术与刀头装卡技术的集成与解决。
CAPTO及HSK之类的先进刀柄技术不仅能使刀头切削并与加工件接近性好。保证稳定而精密切削,而且便于调整前后角并保持良好的接触强度。特别对于复合型刀柄.可同时调换安装至少数把不同的刀杆,既节省了换刀时间,又可完成粗车、精车、车外圆、车螺纹等不同工序的连续加工,节省辅助时间、实现了高效加工。刀柄同时配有向切削刃供应冷却液的(喷雾冷却剂、空气、切削液)注入孔,则使切削部位能更加顺利冷却。这是刀柄和刀头技术的集成,综合刀头和切削部分的技术集成,则为刀片的转位、调整、重磨与调换开辟了加工系统更广阔的领域。

2.3 综合需要

不断增长的工艺性能的综合需要.使刀柄技术应能充分发挥刀片的切削性能。否则刀具的“结构性失衡”即适应性不强。只能导致刀片静态性能的降级使用。现有可转位刀具在中小加工企业中重磨后刀面率高、加工效率不高。刀柄损坏严重就是一例.也形成了对刀片动态升级的矛盾。这种标准化的千篇一律的刀片结构。仅依靠不断地生产新型号的产品并淘汰旧产品来解决矛盾,必然造成大量的资源浪费。另一方面.随着刀片型号的增加,也会给刀片采购和管理带来不便,从而为用户快速、高效及正确选择刀具增加了难度。所以,结合我国大量机加工中小企业管理不到位的具体状况,刀具消耗水平的居高不下,可能在所必然。因而.效率优先的原则应该是管理到位并专业化服务下的综合效益。这样刀片的结构应满足与刀柄技术集成的具体要求,才能适应加工过程对精度、效率、可靠性提出的越来越高的要求,否则就不能脱离标准化的模式,也不会发生根本性的变革。

3 可转位刀片的创新设计的建议

根据切削过程优化所改变的控制因素所属范围和规模.可将各种优化过程分为三个层次:
  1. 通过调节操作参数(切削用量、刀具几何参数)实现优化;
  2. 通过改进工艺规程(某些车刨工改为铣削即可提高生产效率)实现优化;
  3. 通过更新设备并相应地改变工艺规程(对于多品种小批量生产将传统机床改为NC或FMS等先进机床设备.可较大幅度提高加工效率、质量与机床利用率)从而实现优化。
上述第2、3条优化方案级别较高.但是一个有一定风险且极为缓慢的过程。只有具备一定的条件方可实行。虽然机加工企业整体技术能力的不断提高,切削加工工艺和设备的周期越来越短。这两个级别的优化越来越重要,但不能否认第一种方案的灵活、实用.且效益可观的业绩。也应是可转位刀片设计的一个基本思想与原则。

4 结论

市场经济的不断地推进,使现代机加工企业的生产是高目标和低成本的效率追求过程,是以投入最小人力、物力的绿色优化生产,所以,刀具基本需求的效率优先原则是一个综合指标。因而,可转位刀片的结构功能满足“刀具切削部分在刀头结构中延续、变化的具体要求,并反映刀具切削部分几何参数可调与功能互换的的具体关系。”,就能充分体现与刀柄技术集成的具体要求,解决可转位、可调、可调换与可重磨的问题,研制出适应性强、综合效率优先的新型刀片。

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