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陈雄山:调整刀座改变刀具角度 提升刀具性能

2013年12月21日 16:22中国机床商务网点击:5168

  【中国机床商务网】导读:长期从事孔加工工具研究的陈雄山,结合刀具制作先进工艺,经大量试验研究出一种可转位孔加工刀具的改进方法,在不改变刀具刀片的基础上,通过调整刀座改变刀具角度,解决了切削阻力大、断屑差、排屑困难等问题,从而提高了刀具的灵敏性和精准度。
  
  关注行业发展聚焦深孔加工
  
  陈雄山深知,小发明必须依托大行业。他从有关资料上得知,《“十二五”机械工业发展总体规划》指出,机械工业是国民经济发展的基础性产业,国民经济中各行业的发展,都有赖于机械工业为其提供装备。到2020年机械工业的发展目标是:我国机械工业步入世界强国之列,在国际竞争中处于优势地位。主要标志为:主要产品的国际市场占有率处于世界前三位;基本掌握了主导产品的核心技术,拥有一批具有自主知识产权的关键产品和知名品牌;重点行业的排头兵企业进入世界前三强之列。要实现这样的宏伟目标,必须优化调整产品结构,大力推进高端装备自主化,突破关键基础零部件瓶颈,抑制产能盲目扩张势头。
  
  这中间,如何提高和突破基础零部件的工艺水平和科技含量,直接影响到行业发展目标的实现,已经成为机械行业加快发展不可回避的迫切问题,
  
  他进一步了解到,在工业发展过程中,机械加工行业(包括铸造、锻压、焊接、热处理等技术及其设备,切削加工技术和机床、刀具、量具等)的迅速发展,保证了发展生产所需要的各种机械装备供应。随着机械加工工具生产的批量增大和精密加工技术的改进,促进了大量生产方法(零件互换性生产、专业分工和协作、流水加工线和流水装配线等)的形成。而现实是,机械加工工具的改进还未能较好地适应国民经济的发展需要,部分行业技术设备稍显落后。促进机械行业发展,技术革新尤为重要。
  
  以孔加工为例,内孔表面也是零件上的主要表面之一,根据零件在机械产品中的作用不同,不同结构的内孔有不同的精度和表面质量要求。在机械加工中,根据孔的结构和技术要求的不同,可采用不同的加工方法,这些方法归纳起来可以分为两类:一类是对实体工件进行孔加工,即从实体上加工出孔;另一类是对已有的孔进行半精加工和精加工。非配合孔一般是采用钻削加工在实体工件上直接把孔钻出来,对于配合孔则需要在钻孔的基础上,根据被加工孔的精度和表面质量要求,采用铰削、镗削、磨削等精加工的方法作进一步加工。
  
  他发现,孔加工中的深孔加工技术和水平更是彰显机械加工发展状况的要务。一般的深孔多数情况下深径比大于100,如油缸孔、轴的轴向油孔、火箭弹身和各种火炮的炮管等等。在这些孔中,有的要求加工精度和表面质量较高,有的被加工材料的切削加工性较差,常常成为生产中一大难题。
  
  针对上述问题,陈雄山研发出一种可转位孔加工刀具的改进方法,解决了切削阻力大、断屑差、排屑困难等问题,提高了刀具的灵敏性和精准度。
  
  探究技改空间提高速度精度
  
  陈雄山坦言,在机械零件加工作业中,孔加工所占比例相当大,高效率孔加工对于促使零部件生产合理化是不可或缺的重要工艺过程,与高速铣削相类似的高速、高精度钻削加工已提到技术改进的日程上来。
  
  他知道,要实现对孔的精密加工,主要的加工方法就是磨削。当孔的表面质量要求很高时,还需要采用精细镗、研磨、珩磨、滚压等表面光整加工方法;对非圆孔的加工则需要采用插削、拉削以及特种加工等方法。
  
  孔加工是对零件内表面的加工,对加工过程的观察、控制困难,加工难度要比外圆表面等开放型表面的加工大得多。因此,对加工刀具的要求更高。近年来,零部件生产大都采用以CNC数控机床为中心的生产形态,进行孔加工时,也大都采用加工中心、CNC电加工机床等先进设备。CNC数控机床是计算机数字控制机床(Computernumericalcontrol)的简称,是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序,并将其译码,从而使机床动作并加工零件。CNC切削是使切削加工更加合理化的加工方式,进行CNC孔加工时,可采用具有多方向切削功能的立铣刀、螺旋切削插补及等高切入插补的方式,要求选用尽可能少的刀具来对少量孔进行最为合理的加工。
  
  他认为,孔加工过程主要有以下几方面的特点:刀具多为定尺寸刀具,加工过程中,刀具磨损造成的形状和尺寸的变化会直接影响被加工孔的精度;由于受被加工孔直径大小的限制,切削速度很难提高,影响加工效率和加工表面质量,尤其是在对较小的孔进行精密加工时,为达到所需的速度,必须使用专门的装置,对机床的性能提出了很高的要求;刀具的结构受孔的直径和长度的限制,刚性较差,在加工时,由于轴向力的影响容易产生弯曲变形和振动,孔的长径比(孔深度与直径之比)越大,刀具刚性对加工精度的影响就越大;孔加工时,刀具一般是在半封闭的空间工作,切屑排除困难,冷却液难以进入加工区域,散热条件不好,影响刀具的耐用度和钻削加工质量。
  
  陈雄山发现,孔加工过程中高速切削对钻头寿命的影响也较大,如由于切削热较高而引起刃部磨损,切削振动将导致崩刃、切屑缠绕,甚至引起钻头折断等。为了减少这些问题的发生,可考虑采取一些技术措施,选用耐磨性优异、适宜于高速钻削的刀具材料或涂层硬质合金等;选取适应高速切削的切削刃形状,如确定合适的钻尖角和刃口倒棱等,通常钻尖角可选为130°-140°,这种角度可有效减小切削扭矩;另外,可采取十字形修磨等方式,使切削刃与被切削面的接触面积尽可能减小。同时,应尽量提高柄部和切削刃部分的振摆精度及凸缘部分的高度精度。
  
  从机械加工的技术角度而言,无论哪个领域的孔加工,采取什么技术手段加工,提高精度和操作的便捷性都是取得用户信赖的最重要的竞争手段。
  
  新钻初显优势新法锦上添花
  
  陈雄山高兴地看到,近年来可转位孔加工刀具从加工的精确度方面初显优势。可转位刀具钻头是一种作为切削刃的刀片可更换的工具,与普通钻头相比,其直径较大,但目前已开发出直径10毫米的小型可转位钻头。
  
  可转位刀具钻头已实现系列化,几乎可以涵盖整体式钻头系列的各类产品。钻头刀片一般采用涂层硬质合金材料制作,只有少数产品采用烧结高速钢、金刚石烧结体、CBN烧结体等材料。可转位钻头通常只有一个或两个刀片,也可有两个或两个以上刀片,即分别为中心齿和外周齿。在进行大直径孔加工时,钻头可安装两个或两个以上的刀片。装单个刀片的钻头与整体式钻头类似,尖端为三角形状,这样可减小切削阻力;为了便于切屑的分断,刀片均带有断屑槽。刀片夹紧方式因厂家而异,在多数情况下,均采用1个或几个螺钉紧固刀片。当带有2个以上刀片时,刀片形状和断屑槽形状均各不相同。
  
  可转位钻头开发的初期,只能加工深度为钻头直径3倍左右的孔,目前已发展到可加工5D-8D(D为钻头直径)的深孔。在加工那些孔规格统一的零件时,使用可转位钻头效果最为明显。例如,利用装有多刀片的钻头,可同时对孔入口处进行倒棱和锪孔等作业,这对提高孔加工效率是极为有利的。
  
  更加引起陈雄山关注的是,随着机械加工行业的发展,不但对刀具的可操作性和切割的准确性要求很高,而且开始对加工刀具的刀片材质、涂层、断屑槽等零部件的优化设计提出了更高层次的要求。
  
  孔加工刀具是内孔表面以及零件表面加工的必要工具,根据零件在机械产品中的作用,不同结构的内孔有不同的精度和表面质量要求。按照孔与其他零件相对连接关系的不同,可分为配合孔与非配合孔;按其几何特征不同,可分为通孔、盲孔、阶梯孔、锥孔等;按其几何形状不同,可分为圆孔、非圆孔等。在机械加工中,根据孔的结构和技术要求不同,可采用不同的加工方法。
  
  当被加工材料的含碳量为0.2%、硬度HB≥132、伸长率>22%时,普通可转位刀具就无法正常加工,出现切削阻力大、断屑差、排屑困难等现象。看似是刀片锋利性差引起的问题,却无法通过调换刀片有效改善。陈雄山经反复试验发现,造成以上问题的根本原因是刀座安装位置不当。因此,他研制的可转位孔加工刀具的设计核心是刀片座。
  
  在可转位刀具设计中,刀座的设计是与刀体的轴中心线平行的,假如刀片的刃宽0.1mm,当装上刀片后做一条R0.05中心,做平行于刀片底平面的线与圆弧相交的点A,过R0.05中心做垂线,垂直刀片的底平面与圆弧相交的点B。他把B点称为锋刃。经过理论分析,A点始终处在加工面上,而锋刃B点始终高于被加工面0.05毫米。陈雄山确定,这就是为什么在软材料深孔加工中,刀片锋利性表现差的根本原因所在。
  
  因此,他将刀座面人为的修正为前面低、后面高,经细微的改进,使刀片的锋利性明显改善,断屑好,孔壁的光洁度大幅提高。以孔加工为例,以前加工一个孔直径55mm、深度1850mm的深孔需要6-8小时,而技术改进后只需要25-30分钟,耐磨性由6个孔提高到18-20个孔,机床的负荷由30%左右降到15%,加工效率提高,加工成本下降。
  
  根据这一原理,陈雄山研发出一种可转位孔加工刀具的改进方法。该发明专利涉及机械加工领域,通过使刀架座的配合面倾斜一个夹角,刀片安装后也随之倾斜一个夹角,从而使刀刃的刃口最锋利处与加工材料接触;在加工过程中刀刃的刃口低于被加工面,后刀面不产生挤压,刃口直接切削,从而提高刀片的锋利性,达到理想的断屑效果。由于前倾锋刃与刀尖在切削时不在一个切削平面,锋刃在刀体的中心,刀尖在通过中心切屑时,刀尖对孔壁产生烫平挤压,因此孔壁的光洁度有很大的提高。
  
  由于刀片前倾,使刀片的断屑槽的位置发生改变,铁屑的卷曲空间变小。经改进的可转位孔加工刀具在实际加工中刀片更耐用,耐磨性可提高2-3倍;加工更轻松,孔壁光洁度明显提升;降低生产成本,提高工作效率,具有市场竞争力,设计精妙制作精良,市场投资价值看好。
  
  宏观形势利好转化前景光明
  
  为转化推广自己的发明专利,陈雄山进一步了解到,孔加工在金属切削加工中所占比重约为1/3,其中钻孔约占22%-25%,其余孔加工约占11%-13%。我国1990年孔加工刀具的产量约占刀具产品总产量的71.38%,产值约占刀具产品总产值的45.52%。由于孔加工条件苛刻的缘故,孔加工刀具的技术发展要比车、铣类刀具迟缓一些,许多机械加工部门至今仍采用高速钢麻花钻。近年来,随着中、小批量生产越来越要求生产的高效率、自动化以及加工中心的飞跃发展与普及,也促进了孔加工刀具技术有所发展。
  
  随着航空航天、电子工业、轻工业及医疗器械的发展,精细零部件产品加工顺势而上。印刷电路板向小型、轻型、高密度和高可靠性的要求发展和其用量的日趋扩大,孔的精度也越来越高、孔径越来越小、孔的分布密度越来越大,给孔加工工具的改进带来了契机。
  
  特别是机械行业“十二五”发展规划鼓舞人心:高档数控机床将成为今后的发展重点,未来5年我国将扎实向机床强国迈进,产业结构明显改善提高,国产机床80%的品种将满足国内工程项目需要,数控机床的市场占有率要达70%以上。随着高速铣削的出现,以铣削刀具为中心的切削加工正在进入高速高精度化的加工时期。目前,孔加工的高速化明显滞后于其他切削加工,零件的快捷生产是制造业赖以生存的重要条件,因而孔加工技术不能成为机械加工的瓶颈工艺,它必须沿着切削高速化的方向快速跟进,尽快步入高速高精度化的加工行列。
  
  陈雄山深信,在这样的利好形势下,可转位孔加工刀具的改进方法凭借其本身具备的技术优势,一定能够得到更多的业内认可,在高精度深孔加工方面取得新的成绩,促进整个行业技术设备的更新换代。
(来源:中国机床商务网整理)

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