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模具加工的最新需求及高效切削刀具
模具加工的最新需求及高效切削刀具
2012年5月2日 来源:一百加工网 浏览次数:
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引 言
近年来，随着全球化的进程，制造业的国际竞争也变得越来越激烈。为了在竞争中立于不败之地，许多企业都致力于“降低成本”、“缩短交货期”、“提高质量”等各种课题的研究。特别是最近在重新认识“日本制造”的同时，模具的高精度化、高效化加工已成为重要的关键词。换言之，模具加工过程中不可或缺的工具——切削刀具的作用现在已被认为是至关重要的因素。
近几年，使用切削刀具的用户的需求也发生了变化。以前，人们普遍认为刀具是消耗品，所以想通过减少使用量来降低刀具费用。最近人们的观点发生了转变，认为应该通过充分发挥刀具的作用来降低加工费。这也正是日立工具公司4年前提出的“加工减半运动”的观点。为了配合用户这种需求的变化，工具生产商有必要集中精力开发效率更高的刀具。
1．整体硬质合金立铣刀“Epoch深加工圆角立铣刀（Epoch Deep Radius）”
（1）切削性能
近几年，用切削加工替代以前的放电加工的趋势越来越明显，这种需求渐渐转向切削工件上窄而深的部位。使用立铣刀深切削加工这种窄而深的部位时，适用的主流刀具是小直径球头立铣刀（日立工具也在生产Epoch深切削球头立铣刀、Epoch笔式深切削球头立铣刀系列）。但是，使用小直径球头立铣刀进行高效深切削时会出现以下问题（即用切削加工替代放电加工存在的问题）：①切削阻力容易增大；②中心部位的切削速度很难提高（顶端中心刃部分易受损）；③存在理论上的切削残留部分（刀具径向切入量不能太大）。
日立工具为解决以上问题，开发了小直径长颈系列Epoch深切削圆角立铣刀。在使用小直径立铣刀进行深切削时，如果刀具切削刃前端的切削阻力太大，就会产生振动而无法在高效切削条件下加工，从而影响加工效率。从切削阻力的角度对球头立铣刀与R角立铣刀进行对比可知，后者的切削刃接触面积较小，切削阻力也相对较小。
此外，在进行等高线切削时，球头立铣刀存在理论上的切削残留部分，尤其是切削速度低的端部横刃容易破损。而圆角立铣刀加工时通常能形成一定的切削面，故具有加工稳定可靠的优点。
现在开发的Epoch深切削圆角立铣刀能够防止深切削时产生的颤振。为了进一步提高加工效率，采用了倒锥形设计。这种设计可防止切削过程中因刀具弯曲造成外周刃与被切削材料接触，从而可实现稳定加工。此外，刀具涂层采用了具有高硬度和高耐热、耐磨性能的TH（TiSiN）硬涂层，非常适合高硬度材料的直接深切削加工。
以下通过加工实例介绍Epoch深切削圆角立铣刀的特点。
（2）加工实例
①沟槽高效加工实例
为了对沟槽进行高效加工，需要在一定程度上加大XY方向的步距，但如果使用球头立铣刀加工，就会使无法提高切削速度的中心刃承受很大的负荷而不得不降低切削条件。
从使用球头立铣刀加工沟槽的结果可以看出：若加大设定的XY步距，则中心刃处的破损程度也会加大；若减小设定的XY步距，降低切削条件，虽未观察到中心刃受损，但前端中心横刃的磨损却有所增大。从使用Epoch深切削圆角立铣刀加工沟槽的结果可知，不但切削稳定，而且磨损减小，对高硬度（约50HRC）热模锻钢工件的沟槽加工效果良好。
在本加工实例中，与球头立铣刀相比，新型圆角立铣刀所需加工时间缩短约1/4，加工费用降低一半以上。
②高硬度材料的深切削
从用长颈型立铣刀加工SKD11冷作模具钢（60HRC）的结果可以看出，球头立铣刀的外周切削刃有很大破损；而Epoch深加工圆角立铣刀无破损，只有均匀磨损。可以推断，由于球头立铣刀的切削刃接触长度较大，因此切削阻力也大，切削速度高的外周切削刃容易受损。这一点与例①相同，圆角立铣刀具有明显优势。
自动换刀装置的结构原理与维修
动换刀装置的形式
自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有以下几种。
1．回转刀架换刀
数控机床使用的回转刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架、六角刀架，即在其上装有四把、六把或更多的刀具。
回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力：同时要保证回转刀架在每次转位的重复定位精度。
图1为数控车床六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时，可以用四方回转刀架。由于两者底部安装尺寸相同，更换刀架十分方便。
图1 数控车床六角回转刀架
1－活塞 2－刀架体 3、7－齿轮 4－齿圈 5－空套齿轮
6－活塞 8－齿条 9－固定插销 10、11－推杆 12－触头
回转刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，它的动作分为4个步骤：
(1)刀架抬起
当数控装置发出换刀指令后，压力油由a孔进入压紧液压缸的下腔，活塞1上升，刀架体2抬起，使定位用的活动插销10与固定插销9脱开。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮5结合。
(2)刀架转位
当刀架抬起后，压力油从c孔进入转位液压缸左腔，活塞6向右移动，通过联接板带动齿条8移动，使空套齿轮5作逆时针方向转动。通过端齿离合器使刀架转过60o。活塞的行程应等于齿轮5分度圆周长的1/6，并由限位开关控制。
(3)刀架压紧
刀架转位之后，压力油从b孔进入压紧液压缸上腔，活塞1带动刀架体2下降。齿轮3的底盘上精确地安装有6个带斜楔的圆柱固定插销9，利用活动插销10消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。刀架体2下降时，定位活动插销10与另一个固定插销9卡紧，同时齿轮3与齿圈4的锥面接触，刀架在新的位置定位并夹紧。这时，端齿离合器与空套齿轮5脱开。
(4)转位液压缸复位
刀架压紧之后，压力油从d孔进入转位液压缸的右腔，活塞6带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮3在轴上空转。
如果定位和夹紧动作正常，推杆11与相应的触头12接触，发出信号表示换刀过程已经结束，可以继续进行切削加工。
回转刀架除了采用液压缸转位和定位销定位之外，还可以采用电动机带动离合器定位，以及其他转位和定位机构。
2．更换主轴头换刀
在带有旋转刀具的数控机床中，更换主轴头是一种简单换刀方式。主轴头通常有卧式和立式两种，而且常用转塔的转位来更换主轴头，以实现自动换刀。在转塔的各个主轴头上，预先安装有各工序所需的旋转刀具。当发出换刀指令时，各主轴头依次地转到加工位置，并接通主轴运动，使相应的主轴带动刀具旋转，而其他处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。
图2为卧式八轴转塔头。转塔头上径向分布着八根结构完全相同的主轴7，主轴的回转运动由齿轮12输入。当数控装置发出换刀指令时，先通过液压拨叉将移动齿轮3与齿轮12脱离啮合，同时在中心液压缸14的上腔通压力油。由于活塞杆和活塞15固定在底座上，因此中心液压缸14带着由两个推力轴承17和16支承的转塔刀架体18抬起，离合器2和1脱离啮合。然后压力油进入转位液压缸，推动活塞齿条，再经过中间齿轮使大齿轮4与转塔刀架体18一起回转45o，将下一工序的主轴转到工作位置。转位结束后，压力油进入中心液压缸14的下腔，使转塔头下降，离合器2和1重新啮合，实现了精确的定位。在压力油的作用下，转塔头被压紧，转位液压缸退回原位。最后，通过液压拨叉移动齿轮3，使它与新换上的主轴齿轮12相啮合。为了改善主轴结构的装配工艺性，整个主轴部件装在套筒5内，只要卸去螺钉10，就可以将整个部件抽出。主轴前轴承9采用锥孔双列圆柱滚子轴承，调整时，先卸下端盖6，然后拧紧螺母8，使内环做轴向移动，以便消除轴承的径向间隙。
图2 卧式八轴转塔头
1、2一离合器 3、4、12一齿轮 5一套筒 6一端盖 7一主轴 8一螺母
9、16、17一轴承 10一螺钉 1l一推动杆 13一操纵杆 14一液压缸 15一活塞 18一转塔刀架体
为了便于卸出主轴锥孔内的刀具，每根主轴都有操纵杆13，只要按压操纵杆，就能通过斜面推动杆11，顶出刀具。
转塔主轴头的转位、定位和压紧方式与鼠齿盘式分度工作台极为相似，但因为在转塔上分布着许多回转主轴部件，使结构更为杂。
由于空间位置的限制，主轴部件的结构不可能设计得十分坚实，因而影响了主轴系统的刚度。为了保证主轴的刚度，主轴数目必须加以限制，否则将会使结构尺寸大为增加。
转塔主轴头换刀方式的主要优点在于省去了自动松夹、卸刀、装刀、夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作。从而提高了换刀的可靠性，并显著地缩短了换刀时间。但由于上述结构上的原因，转塔主轴头通常只是用于工序较少、精度要求不太高的机床，例如数控钻床等。
3．带刀库的自动换刀系统
带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成。首先把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸预调整后，按一定的方式放入刀库中去。换刀时先在刀库中进行选刀，并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，在进行交换刀具之后，将新刀具装入主轴，把旧刀具放回刀库。存放刀具的刀库具有较大的容量，它既可以安装在主轴箱的侧面或上方，也可作为单独部件安装到机床以外，并由搬运装置运送刀具。
与转塔主轴头相比较，由于带刀库的自动换刀装置数控机床主轴箱内只有一个主轴，设计主轴部件就有可能充分增强它的刚度，因而能满足精密加工的要求。另外，刀库可以存放数量很大的刀具，因而能够进行复杂零件的多工序加工，这样就明显提高了机床的适应性和加工效率。所以带刀库的自动换刀装置特别适用于数控钻床、数控铣床和数控镗床。
（加工订单 ）
编辑:一百加工通讯员
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