刀具的优化应用

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在金属加工中，实现高效加工是所有制造企业包括工具制造商的永恒追求。近年来，随着汽车制造业步入快速发展阶段，多样化和个性化成为其发展的主要特点，而提高汽车制造企业对市场需求变化的快速反应能力是赢得竞争的重要手段。同时，发动机、变速箱等汽车零部制造厂商亦对高效加工提出了更迫切的需求。
机床、工装、工艺甚至编程软件、切削液等都会影响加工效率，但构成加工最主要的要素是：机床、工装和刀具。其中，刀具起到最终切除材料的作用，是能否实现高效加工的重要影响因素。尤其，刀具具有可选择性，利用现有生产设备限度，通过刀具来缩短加工时间，对实现高效加工具有直接的推动作用。古语说“工欲善其事，必先利其器”，如今，在现代化制造业中它更被赋予了更广泛的内涵。要提高加工效率，不断优化“利器”——刀具至关重要，下面简要介绍几种优化刀具的方式。
* {5 L, p  n$ M8 T3 D$ x“利”其材质，改变切削速度
3 C. |/ Y" T. _) Y$ ]一直以来，刀具供应商都在不断研发、推出使用寿命更长、切削速度更快的刀具，以实现更高的进给速度，提高加工效率。要改变切削速度，关键是要改变切削材料母材和表面涂层。目前，刀具供应商对刀具材料的选择主要集中于硬质合金及部分CBN，并且不断加大研发力度，推出新品，以日本住友公司推出的刀具材质为例：
  x, `# o: t6 d. E1 z对于一般碳钢及合金钢的切削，早期的硬质合金涂层材质切削速度为V=100～250m/min，而住友新推出的材质AC700G/AC820P通过母材和涂层上的技术革新在加工SCM420传动轴时已将切削速度提升至V=390m/min。同时，具备超群的耐崩损性，在加工SCM425齿轮时，可实现5mm切深下，进给量达0.5mm/rev，是原有材质使用寿命的1.5～2.7倍。
1 M  e3 j) r- D6 i: s$ ^7 W 对于淬火钢（HRC58～62）材料产品，如轴承、轴键和齿轮大多采用热处理前车削加工后再进行磨削加工的方式，效率低、尺寸不易保证。也有部分用户采用CBN（立方氮化硼）材质加工，但切削速度较低（80～150m/min），加工效率和表面质量不高。住友推出的新材质BNC100切削速度达到100～300m/min，并且在保持高线速度的同时使进给值达到0.1～0.35mm/rev。同样，在汽车模具铣削中，住友公司开发的BN700材质圆刃铣刀片配合BRC刀杆，加工SKD淬火至HRC47～52材料和NAK预硬钢HRC40～45材料时可分别实现150～400m/min及200～800m/min的超高速精加工，加工时间缩短了3～5倍，且表面光洁度优异。
“利”其结构，改变刀具可切削余量和进给量
9 O. j. o4 G' S9 f“利”其结构主要是指不断优化刀体结构和刀片几何设计，从改善切削力、切刃方式和强度等方面实现加工效率的新突破，以日本BIG（大昭和）和住友产品为例：
1. FCM快峰铣刀
BIG在铣刀上进行了20°轴向前角及很大径向前角的双前角设计，不仅切削轻快，而且抵抗力超低，同时首次将偏心后角技术运用到机夹式立铣刀上，使后角不会太大，既不影响刀刃的锋利度，又能提高刀刃强度，不易崩刃。举例来说，在BT40主轴机床上，切削S50C材料，φ32mm铣刀，切深9mm，转速1500r/min，进给可达550mm/min。由于切削轻快，同时产品加工后具有良好的直角和漂亮的壁面，直角度可在0.01mm， 粗糙度Ra为0.51mm。该产品不但在常规槽铣、方肩铣中能实现效率上的突破，更使在主轴动力不足，夹持刚性不佳，悬深较长场合进行高效加工成为可能。
, t  d" g' C- L' k$ ^2. EWB－UP 高速超精密镗头
精镗头的首要特点是实现调节精度和加工精度，由于精镗头属单刃切削，要达到高速且高效的加工则离不开动平衡。BIG公司将尺寸精度调节和与之偏移量对等的动平衡调节融合到一个镗头部分，通过两个刻度盘旋扭轻松实现了调节精度0.001mm，最高转速时动平衡系数G6.3的要求。配合金刚石、CBN材质对铝合金零部件（如变速箱壳体）及铸铁缸孔产品进行加工，可实现200～2000m/min的高速高效加工，并得到良好的加工效果。
3. 非标型复合结构刀具
对于大量结构复杂、工序繁多且难加工的产品，标准刀具已无法满足高效加工的要求。这就需要根据具体零件对刀具结构进行更有针对性的设计，有效减少换刀时间。住友公司针对汽车发动机曲轴、凸轮轴孔加工研发的专用刀具，包括车拉刀、阀门座圈铣刀、自动导向镗刀等，都是非标刀具推动高效加工发展的典型产品。
“利”其夹持，实现高切削速度和大进给
7 Z* Q0 L4 O' A" N0 H刀柄夹持系统是对机床主轴和刀具传递的连接，它承载主轴的精度、刚性以及刀柄本身的刚性，而动平衡性、夹持力及夹持精度，是实现高速高效加工的必要条件。以 BIG 产品为例：
* i* n; x4 Y& l1. 高速高精度型夹持刀柄
5 X. `4 i1 t( l, X) Z针对直径φ20mm以下刃具，尤其在φ0.25～12mm内小径刃具，要实现高效、高精度加工，并得到优异的表面光洁度，需要通过高速加工来实现，这就对刀柄夹持精度和动平衡性能指标提出更严格的等级要求。BIG的美夹刀柄系列产品夹持端口跳动精度为0.001mm，4倍直径前跳动精度为0.003mm，夹套精度等级为AA级，刀柄均通过动平衡实验处理，最高转速可达40 000r/min，并标准配置中心出水，完全满足高速高精度钻孔、铰孔及铣削加工的要求。 对铝合金缸体产品φ8.5×5D钻孔进行加工，采用美夹刀柄后使用OSG硬质合金涂层钻头FTO－GDS，加工参数为n=6000r/min， f=0.45mm/rev， 效率提升3～4倍。同时，使孔径精度得到有效保证。
2. 重切强力型夹持刀柄
这种类型刀柄主要针对φ20～50mm较大直径刃具，由于此直径范围属粗加工范畴，因此对刀柄的刚性和夹持力有着更高要求。BIG的HMC强力刀柄系列具有独特狭缝机构，把持部加厚，刚性好，具备300Nm的超强扭矩。BIG的另一款BBT美夹高速倍力刀柄系列，可满足高速强力切削的需要，夹持精度在0.005～0.01mm之间。如与BBT主轴配合可使刀柄锥面与法兰端面两面贴紧配合，刚性可增强3～4倍，实现强力大效率重切，并得到良好的深孔加工效果。
结语
* p( y. x5 U: y$ \, V) O在汽车加工领域，尤其在进行大批量生产过程中，刀具的精度、切削速度和寿命都直接影响生产线的开动率、加工节拍，甚至最终的生产效率。据调查，我国近70%的用户刀具费用成本占生产总成本的比例为2%～3%，尽管比例不是很高，但是选择可靠、适用且高效的刀具产品，却能够大幅降低企业生产的总成本。
值得注意的是，在刀具产品不断更新的过程中，刀具供应商虽然不断改变刀具材质，但其原有刀体却未进行改变，而改变后的刀具价格也没有调整。对整车及零部件制造企业而言，当对某项工序的加工效率感到欠缺或不满的时候，试着选择新的刀具产品或者改变原有结构的刀体产品，可能在不增加成本的同时就对高效加工起到意想不到的推动作用。同时，配备认真负责的刀具管理人员，相信在有效保证加工效率的同时，能大幅提高生产能力。
文章关键词： 刀具 材料