高效铣削铝合金用PCD刀具

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近年来，为了减少汽车的总重量和燃油费用，铝合金材料在汽车零部件中的使用越来越多(汽车零部件中铝合金使用量的变化趋势)。为此，加工铝合金汽车零部件用聚晶金刚石(PCD)刀具的使用量也在快速增长。PCD刀具寿命长，能实现高效、高速、高精度切削加工。但由于其刀尖强度较低，通常只适用于精加工，而在切削抗力变化较大的粗加工中容易发生崩刃，且刀具寿命的分散性较大。为了克服原有金刚石刀具的缺点，日本住友电工硬质材料公司开发了耐磨损性能和抗崩刃性能兼优的sumidia DA2200牌号PCD刀具材料。

1 Sumidia DA2200的特点

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1. 原有PCD牌号的性能 , Y" R0 K/ ]+ ` r+ ?4 r3 s
   原有PCD牌号中有网状烧结组织，其最大特征是由金刚石和助烧剂Co组成的单一组织，其中金刚石所占比例最高。金刚石的抗弯强度在很大程度上取决于其粒度大小。表1为在该公司原有的3种不同粒度的PCD牌号Sumidia DA90、DA150、DA200的性能特点。其中，Sumidia DA90粒度最大，耐磨性能最好；Sumidia DA200粒度最小，强度和耐破损性最好；Sumidia DA150为中等粒度，耐磨性能与抗崩刃性能匹配平衡，性能优良。加工铝件时通常采用Sumidia DA150。
   
                                          表1 . |7 |. T0 u4 V4 x. z" M
   + O2 v P% \! D& h! b! [' ~- ?& C( C* L& Z: P* \! n, O' d2 U0 `! P% j* c3 b0 w P- v; _' B% X/ t4 J% C; h& @ M1 [" j/ l9 {# O, U U$ N- B# Y( w: z( f; _+ e* |" g7 k$ l; _+ v m/ u/ f& t2 ?# k. x1 y, m# v; n* ]5 O; b) i8 W0 ^ S

   牌号	平均粒度 (µm)	硬度 (HV)	耐磨性	强度
   DA90	～50	12000～10000	高 ↓ 低	低 ↓ 高
   DA150	5	12000～10000
   DA200	0.5	10000～8000

2. Sumidia DA2200的性能
   Sumidia DA2200的聚晶组织。由于实现了超细微金刚石颗粒均匀而牢固的结合，Sumidia DA2200的抗弯强度可与K10类硬质合金相匹敌，因此大幅度提高了刀尖强度，从而能稳定实现铝合金的粗加工，并保证了刀具有较长使用寿命。

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2 RF型铣刀的性能特点

采用PCD制造的铝合金加工用铣刀可以不受铣削速度的制约，目前高速铣削的速度可达2000～3000m/min。但是，在开发高速铣刀时，需要考虑铣刀的轻量化和因离心力可能导致切削刃及铣刀零件飞出的问题。 - s8 _1 D' G7 b- @6 z

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1. 刀体采用高强度铝合金
   在设计高速铣刀时，如果仍采用质量较大的钢制刀体，就无法减小刀具的旋转力矩，这就意味着不能缩短铣刀达到设定转速、自动换刀等非切削时间。虽然可通过去除刀体多余部分来减轻重量，但去除量过多容易引发高频切削振动。为解决上述问题，可采用比重仅为钢的1/2的铝合金作为刀体材料。但是，普通铝合金的抗拉强度和硬度都只有钢的1/2，为弥补强度和硬度的不足，采用了抗拉强度为573N/mm²、硬度为150HB的特殊铝合金材料，其强度和硬度约为普通铝合金的2倍。
2. 刀体结构设计特点 * J, x% i' z/ o; B
   设计刀体结构时，如果采用楔块式紧固机构将刀片固紧在刀体上，容易导致刀体产生裂纹并使精度恶化；如果采用利用刀片中心孔和螺钉将刀片直接固紧在刀体上的紧固机构，则存在切削刃跳动精度调整范围小、重磨后刀尖高度和直径与新刀不一致等缺点。为解决上述问题，采用了先将刀片用螺钉固紧在钢制刀夹上，然后将装好刀片的刀夹紧固在刀体上的结构设计，这种结构对于消除高频切削振动十分有效。
3. 高速铣刀离心力和加工安全的研究
   在高速铣削中，铣刀的转速越高，产生的离心力越大。离心力的大小与速度的平方成正比，如Ø100mm铣刀以5000m/min的切削速度旋转时，刀片质量为7.3克，作用于其上的离心力达到1014N(130kgf)，刀片夹紧机构必须能承受这样大的离心力而不会发生松动。现在ISO和DIN标准对高速铣刀的最高转数均有规定。DIN标准将破坏转数的1/2作为该铣刀的最高允许转数。本铣刀在设计时采用了DIN标准。住友电工通过铣刀破坏性实验和CAE解析两种方式验证了铣刀的安全性。通过用有限元法进行CAE解析，获得了紧固刀夹主夹紧螺钉颈部的应力分布状况。此外还进行了铣刀破坏性试验，主夹紧螺钉的螺纹部分发生了破损，结果与CAE解析相同。除了主夹紧机构外，对辅助夹紧部分的安全性也下了很大功夫，最终设计出了新型RF型铣刀结构。铝用RF高速铣刀的外观。
   
4. 高效铣削加工 / z. Y) g% j/ V7 l7 b M; T" D# c' L
   表2为使用RF型高速铣刀的加工实例。表中第1项分别用硬质合金刀片和Sumidia DA2200刀片铣削ADC12箱体的加工实例。在相同的铣削条件下，Sumidia DA2200刀片的精加工表面粗糙度为Ra0.2µm，刀具寿命是硬质合金刀片的30倍；表中第2项是用Sumidia DA2200刀片精铣变速箱体接合面的加工实例，在切深1.5mm的条件下一次完成精铣。在使用卧式加工中心加工、刀柄悬伸量较长时，也能有效防止高频切削振动。

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表2 加工铝用RF型高速铣刀的加工实例

工件材料	使用刀具	切削条件	使用结果
工件名称 材料种类	刀具型号 刀片种类	V=切削速度(m/min) F=进给量(mm/min) d=切深量(mm)
箱体 ADC12	RF4160R Sumidia刀片 DA2200	V=1200 F=2390 d=0.10	精加工表面粗糙度：Ra=0.2µm 加工数：30000台(寿命是硬质合金刀片的30倍)
变速箱体接合面 ADC12	RF4125 Sumidia刀片 DA2200	V=3000 F=7640 d=1.5	精加工表面粗糙度：Ra=0.3µm 加工数：20000台
阀体接合面 ADC12	RF4125 Sumidia刀片 DA2200	V=2512 F=9000 d=0.30	其它公司刀具寿命：10000台 RF刀具寿命：20000台
阀体接合面 ADC12	RF4080 Sumidia刀片 DA220	V=1508 F=6120 d=2.0	其它公司刀具寿命：5000台换刀 RF刀具加工10000台
液晶装置 A5052	RF4125 Sumidia刀片 DA2200	V=2750 F=5600 d=0.5	比钢铣刀加工效率提高5.6倍 d=1的两次加工

3 SRF型PCD铣刀的特点

为了减少设备投资和厂房面积，降低生产成本，小型加工中心的使用日益增多。与此同时，对用于小型加工中心的铣刀需求也日益增加。为此，住友电工硬质材料公司针对铝及铝合金加工开发了采用钢制刀体的小直径SRF型PCD铣刀。该铣刀具有以下特点。

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1. 采用将刀片直接紧固在刀体上的夹紧机构
   虽然采用钢制刀体，但因直径小，因此在重量方面不会有问题；考虑到采用RF型的机夹结构会降低刀体刚性，因此采用了将刀片直接紧固在刀体上的夹紧机构。
   
2. 刀体设计 ) D( m% f4 f3 m9 t& T
   小型加工中心的主轴较小，所用铣刀可设计为高转速铣刀。市售小型加工中心的最高转速为10000～20000r/min，因此将铣刀允许最高转速设计为20000r/min。为了实现高效铣削，虽然刀具直径较小，设计时仍应尽可能增加刀齿数。通常使用内切圆为12.7mm的刀片，本铣刀设计时采用了9.525mm的小规格刀片，以增加刀齿数。
3. 离心力和安全性设计 + o8 e+ d3 @0 G/ @
   采用小规格刀片能减小刀片质量，抑制高速旋转时产生的离心力。当铣刀直径为Ø63mm、刀片质量3.2g、转速为20000r/min时，作用于刀片上的离心力为445N(45kgf)。刀片紧固螺钉选用M4，其破损力为4900N，相对于离心力而言是安全的。
4. 高效铣削加工实例
   表3为高效铣削加工实例。表中第1项是使用SRF型Sumidia DA2200牌号PCD小直径铣刀加工凸轮箱(ADC12)的实例，加工12000件后刀尖未崩刃，没有出现任何问题。表中第2项是用焊接式PCD立铣刀加工电脑箱的实例，重磨后刀尖精度控制困难，寿命分散度大，无法继续使用；而使用SRF型可转位PCD铣刀加工时，在确保重磨精度的同时，加工效率也提高了2.5倍。在高效铣削中，SRF型PCD铣刀的切削刃比普通PCD铣刀的切削刃增加了5mm的切深量，从而提高了小型零件的大批量生产能力，用一把铣刀即可完成粗铣和精铣加工。
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   表3 SRF型小直径铣刀的加工实例

   工件材料	使用刀具	切削条件	使用结果
   工件名称 材料种类	刀具型号 刀片种类	S=转速(r/min) F=进给量(mm/min) d=切深量(mm)
   凸轮箱 ADC12	SRF50R SNEW09T3ADTR DA2200	S=6000 F=2400 d=0.5	加12000件无问题
   电脑箱 ADC12	SRF50R SNEW09T3ADTR DA2200	S=15000 F=7500 d=0.2	改善立铣作业，效率提高2.5倍
   差动齿轮箱 ADC12	SRF63R SNEW09T3ADTR DA2200	S=8000 F=4000 d=0.5	小型机床用铣刀在刀库内有刀具干涉，选用Ø63mm铣刀可解决问题
   中间冷却器 ADC12	SRF50R SNEW09T3ADTR DA220	S=6000 F=2400 d=0.5～1.0	精铣表面粗糙度0.8s
   泵零件 A5052	SRF63R SNEW09T3ADTR DA2200	S=12000 F=7000 d=0.5	与硬质合金立铣刀相比，表面粗糙度改善，加工效率和刀具寿命提高，实现了高效高精度铣削加工

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