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伊斯卡在刀片卷屑槽設計上的最新建樹--切屑成型建模幫助伊斯卡工程師們優化刀片卷屑槽形狀設計

發布時間:2019-5-28


  

  
        設計可轉位刀片前刀面的工程師需要相當水平的工程技能:與金屬切削原理以及切屑成型過程相關的知識;理解不同被加工材料特定的特征;了知粉末冶金原理以及制造燒結産品的限制;受過适用于刀具設計的培訓并具有相關設計經驗。刀片前刀面決定了刀具的切削幾何形狀,乃至刀具的全體切削性能(切削能力),對刀片前刀面進行最優化的成型設計是刀片設計的關鍵所在。
  
       多年來,切削刀具制造商的技術選擇在很大程度上決定了刀片前刀面形狀。例如,最早期的可轉位刀具所夾持的刀片前刀面是平的。而想要在車削加工中将長切屑打斷,往往需要在刀體上額外安裝一個高于刀片的凸起部件。在某些刀具設計中,即便是卡固刀片的上壓爪也扮演着斷屑槽的角色。面對平前刀面車刀片的另一常見解決方案是通過磨削在刀片前刀面形成卷屑凹窩。凹窩促使切屑折卷為螺旋狀切屑,進而折斷為更小的切屑段。以上兩種方式都是在特定的時間情境下迫不得已得出的,但他們離完美尚遠。
  
       工件成為了切屑流向上的天然屏障,有時也會導緻切屑折斷。切屑引起工件的嚴重磨損,顯著降低刀具壽命。凹窩的形狀與尺寸嚴重依賴于砂輪,這大大降低了凹窩形狀的可能性。然而主要的問題是從長遠的試驗來看,完全有必要研發出能在加工各種被加工材料時确保具有穩定加工性能的斷屑槽。在某種程度上而言,斷屑槽的設計更像是不斷試驗不斷試錯的過程。
  
       粉末冶金技術的進步極大地改善了這一狀況,帶來了新的機器設備及基于計算機的控制,顯著提高了一系列工藝過程的穩定性及可靠性。燒結硬質合金産品的技術促成刀片前刀面具有多種多樣的形狀,打破了刀片斷屑面對凹窩或對凸起部件的依賴。前刀面看上去可以具有凹面與凸面的結合,局部凸起等等特點。這樣複雜的幾何形狀設計使得能提供必要的切屑成型,有效的切屑控制。當今的可轉位刀片前刀面依然具有與此相同的表面肌理這一特征。
  
       1.CAD帶來的沖擊
  
       為切削刀具研發部門(R&D)引進計算機輔助設計CAD系統,對刀片前刀面形狀設計帶來不小的沖擊。CAD為刀具設計工程師們提供了強大的工具,在刀片設計中能用于3D建模、工程技術以及分析可能出現的制約因素,當然,還用于設計刀片的前刀面。最先進的産品燒結技術與前沿的CAD系統以及最新式的CNC數控機床的結合,标志着切削刀具行業的巨大飛躍。它不僅使得生産制造各式各樣具有複雜幾何形狀的刀片成為可能,還大大縮短了設計過程。
  
       切削刀具設計與生産制造水平的整體提升大大降低了對刀片檢測的需求。然而,通過切削加工試驗對具有新型幾何形狀的刀片進行切削性能的研究所需的時間仍相當長。切削試驗考驗着所有的可轉位刀片設計,而并不僅僅是車削。對于銑削刀片而言,前刀面形狀設計主要從切屑成型的角度考慮;銑削是斷續切削的過程,因此并無斷屑的困難。銑刀片前刀面設計的是卷屑槽;而車刀片前刀面設計的是斷屑槽。說得更明确一些,車刀片的前刀面設計也主要關注于切屑成型,然而其必須也能斷屑。從幾何的視角來看,每一可轉位刀片的前刀面都是凹面區域與凸面區域的結合體。
  
       2. 3D建模帶來的沖擊
  
       科學研究、大量的試驗、對金屬切削領域沉澱的信息的分析,結合計算機技術的重大進步,為切削刀具領域提供了強大的新式設計工具,即切屑成型的三維建模。第一個簡化的切屑成型模型基于經驗與計算數據,存在嚴重的誤差。随着進一步的發展,基于有限元法FEM,将切削過程建模系統整體提高至全新的水平。今天,切削刀具設計工程師們使用先進的軟件,該軟件能實現無限接近于實際切削狀況的切屑成型仿真。盡管該軟件仍然不能取代切削試驗,卻對可轉位刀片的有效設計做出突出貢獻,重點是,刀片的前刀面設計。
  
       3.為加工作業适配相應形狀的刀片
  
伊斯卡,切削刀具領域的領軍公司,已實施了建模實踐,使得即便是在設計階段,研發部門的工程師們就已能決定刀片的哪種幾何形狀适合于哪種應用。
   
       3.1.CNMG車削刀片
  
       在車刀片CNMG 120404-F3P的設計中,人們發現模拟切削運動在刀片前端面的形狀設計上很有用(圖1)。複雜圖案的設計并不是研發團隊炫技之舉,事實上,建模被證實在實現團隊确保最佳切削性能的目标上是非常有用的工具。
  
  
       3.2.ICG刀頭,用于束魔變色龍鑽(SUMOCHAM)
   
       鑽削難加工材料奧氏體不鏽鋼及雙相不鏽鋼(ISO M材料組)時存在困難,特别是鑽深很大時。為提高這類材料的鑽削加工性能,伊斯卡研發出帶分屑槽的硬質合金刀頭ICG。刀頭直徑範圍為14-25.9mm。刀頭裝夾于标準束魔變色龍鑽杆(SUMOCHAM)上,提供高品質的鑽孔加工,最大鑽深達12xD。刀頭切削刃上設計有分屑槽,特别的卷屑設計确保具有出色的切屑控制性能,在深腔鑽削應用中的排屑問題就這樣被輕易地解決了。
  
       在卷屑槽作用于切屑成型的過程中,切屑流建模是流程中重要的一步,也是決定設計方案是否成功所不可分割的一部分(圖2)。
  
  
  
       3.3.NANMILL銑刀
  
       在最新的“LOGIQ”系列中,伊斯卡發布了一系列新型性能提升的切削刀具系列,并推出一系列小直徑可轉位銑刀(直徑小于20mm)。盡管這一直徑範圍一直以來被認為更适合于整體硬質合金刀具,新的可轉位銑刀作為取而代之的刀具依然表現出吸引力及成本優勢。
  
       直徑範圍為8-16mm的可轉位銑刀NANMILL系列集新設計概念于一體:夾緊螺釘位于刀片前端面,螺釘頭扮演着夾緊楔塊的作用。然而,為防止螺釘端頭與生成的切屑之間産生任何形式的接觸(這是這款設計所潛在的結果),刀片卷屑槽還需額外解決這一難題。卷屑過程的建模是成功解決這一問題的關鍵所在(圖3)。
  

  
  
       切屑成型仿真已成為有效塑造刀片前刀面的有用的工具。關于建模進一步的進展應該是為刀具設計工程師們帶來更接近于優化的卷屑槽形狀,能顯著提高設計刀具的品質。

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