取胜于刀具性能--微几何刀具边缘修整

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　　针对特定的用途进行“理想”的刀具边缘修整绝非易事。直到最近一段时期，刀刃几何形状和尺寸的设计，与其说是一门学问，不如说是一门艺术，因为刀具本身必须具备很高的耐磨性和硬度，致使刀具难以加工。

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　　然而，正确的刀具边缘修整对刀具的性能和寿命有很大的影响，通过减少常见失效例如碎断、发热引起的破损、积屑瘤等，这些故障严重影响刀具的稳定性。适当修磨刀具，还能改进切削过程的可重复精度，有助于实现完全自动化生产。

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　　刃口修磨是微小的磨蚀过程，必须对整个过程进行控制，才能保证严格的公差要求。问题是，在对刀具材料进行加工时，很难控制金属切除率和刀刃的一致性。修磨工艺常常凭着经验推测，而且受制于机床的可变性和操作者的专业技能。

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　　常规修磨工艺往往磨削过多刀具的角，并且可能由于零件差异而无法控制换刀基准。操作中，不仅刃口修磨难以控制，而且切削工况沿刀刃变化，加工时最佳修磨量也沿刀刃变化。

　　William J. Enders博士称，“切削深度随着刀尖半径减小而减小，所以人们希望减小刀尖圆角半径。”Enders是密执安理工大学机械工程与工程力学系副教授，兼密执安Houghton加工分析技术公司总裁，研究刀具边缘加工已有十多年。

　　在刀具前缘，切削深度是最大的，因此刀刃最需要保护。而在刀具后缘，切削深度几乎减小为零，修磨量应相应减小。对于恒定不变的修磨量，为了保护刀具前缘，在刀具后缘修磨量大于切屑深度，因此刀刃不能有效地切除材料，还增大摩擦、切削力、温度和磨损。

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　　直到不久前，刀具边缘修整方法的进展速度落后于刀具其它相关技术，如基体材料、形状尺寸和表面涂层。位于宾夕法尼亚州Cresco的Conicity Technologies LLC (www.conicity.com)利用其专用微几何工艺，创造出了在同一刀具的不同表面进行可变修磨的工艺。该工艺采用致密的碳化硅纤维刷，并采用计算机数控技术精密控制刃口成形，公差始终保持在0.0003英寸以内，这个数量级比大多数常规修磨方法更精密。

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　　Conicity执行副总裁Bill Shaffer称，“通过控制刀刃参数，专用微几何工艺在达到正确的修磨量时停止切除材料，这样，刀具边缘修磨量沿刀刃有不同的分布，使切削深度与刀具边缘修磨量保持特定的比率。”他接着说：“例如，可换刀头或卡盘刀具的刀具边缘修磨量与刀尖半径变化相关，修磨量的变化反映出了切削深度的变化。刀具边缘修磨量随切削深度的减小而减小。”

　　具有变化刀具边缘修磨的刀具能够有效地切削，因为它们的刀具边缘尺寸有变化，切屑不会卡在刀具和工件之间，从而最大限度地减小刀具摩擦，减小刀具压力、切削力以及刀具和工件温度，其结果是延长刀具寿命，改善零件表面光洁度和平面度，并避免毛刺的形成。可变刀具边缘修磨几乎可以用于各种刀具，包括钻头、立铣刀和铰刀。

　　专用微几何工艺还可以对一把接一把的刀具进行相同的刀具边缘修整，加工工艺的一致性高于常规刀具边缘修整。而且，该工艺可以把最优化的微几何形状和尺寸应用于每个切削操作。在一些情况下，这表示整个刀刃的修磨量是一致的，而在另一些情况下，则运用可变修磨量，以达到正确的刀具边缘修整。

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　　正确刀具边缘修整的一个最明显和最直接的好处是延长刀具寿命。专用微几何工艺或刀具边缘修整服务费用一般是更换刀具的10~20%，而且刀具寿命延长300~800%。

　　延长刀具寿命非常重要，诸多的理由包括节约刀具重磨和更换的成本，例如，位于宾夕法尼亚州Freeport的一家精密制造厂Oberg Industries，为充分利用其5轴加工中心而从高速钢刀具改为专用微几何工艺刀具边缘修整的高性能硬质合金刀具，后者由宾夕法尼亚州Latrobe的Seim Tool公司提供。

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　　Oberg工具室保管Bob Binner称，“由于专用微几何刀具边缘修整工艺，刃磨间隔一般延长300%左右，这是对专用微几何工艺投资的极大回报。而且，延长刀具更换间隔时间意味着减少生产中断和降低劳动力成本。”

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　　据Binner所说，间接成本节约更有意义：“刀刃边缘修整几乎消除了破损现象，在我们的自动化加工过程中，刀具破损会造成接二连三的故障。如果全自动机床上发生刀具破损，可能导致多米诺连锁反应，造成下游其它刀具破损。会使刀具损坏和昂贵零件报废方面损失惨重，并且随后的问题难以修复。使用经专用微几何刀具边缘修整的硬质合金刀具，就有把握进行高速运转工艺，有时连续运行数周之久而不更换钻头和铰刀。”

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　　延长刀具寿命的经济效益在宇航和医疗应用领域尤为突出，包括Inconel镍基合金和钛合金等坚韧材料的钻削和加工。

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　　在一个钻削718 Inconel镍铬合金的航空应用中，使用专用微几何刀具边缘修整工艺，使加工直升机旋翼的刀具寿命从30孔增加到了60孔，而进给率/速度不变。这种刀具边缘修整工艺，最大限度地减少了刀具上的热量积聚，由于更加坚固的刀具边缘，终端用户进给率和速度提高了一倍，提高焊透率系数为4。钻孔数量增加到120。这些孔更加精密，标准偏差减小了2/3。提高进给率和缩短换刀时间，使生产能力明显增大。

　　专用微几何刀具边缘修整的另一个好处是减少刀具调整过程产生的报废。例如，在铣制人造髋关节的螺纹孔时，需要进行铣螺纹、测量，由于刀具破损引起的报废，通常加工四、五个昂贵的零件才能制造一个合适的可能符合标准的螺纹。此外该工艺延长了刀具寿命，这些零件所用的螺纹铣刀寿命从75孔增至250孔，减少了转换操作次数，而且改进了刀具更换前后的螺纹一致性，在使新刀具正确反应的同时，废品量降低了75%以上。【MechNet】

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