金屬加工技術

山高刀具:克服長懸伸加工中不斷涌現的挑戰

轉載 :  zaoche168.com   2019年04月26日


        在當前制造業,使用加長刀具加工精密鉆孔和進行車削變得愈發困難。市場對更嚴密公差和可靠重復性的需求日益增長。新的高性能工件材料更難以加工,并且增大了加工系統內的應力。為了節省時間和成本,制造商正在將多個零件整合到單個整體工件中,但此類工件需要在多任務機床上加工深孔和車削復雜部件。
        要克服這些挑戰,制造商必須研究其加工系統中的所有要素,并采用可靠的加工技術和刀具。關鍵要素包括機床穩定性、刀具夾持、工件夾緊和刀具槽型。通常,堅固的夾具、剛性刀具和謹慎的刀具應用是精確高效鏜削和長懸伸車削加工的基礎。
        石油天然氣、發電和航空航天部件的生產商是新型加工刀具和技術的主要潛在買家,他們經常處理那些需要使用長懸伸刀具進行加工的大型復雜部件。這些部件大多是由難以加工的堅硬合金制成,需要施加高切削力,但容易引發振動。通常,如果能夠改善長懸伸鏜削加工的生產率和成本,幾乎所有的制造商都會受益。

變形和振動


        深孔鏜削與其他切削加工的區別在于,切削刃在距離機床接口較遠的孔內進行加工。長懸伸內圓車削加工具有類似的加工條件,并且這些鏜削和車削加工均可能涉及斷續切削的孔,比如在泵殼、壓縮機殼體等工件中。所需的刀具懸伸量取決于孔的深度,并且可能導致鏜桿或加長車刀彎曲變形。
        變形會放大切削過程中的變力,引起振動和顫動,進而會損害零件表面質量、加快刀具磨損、造成刀具斷裂以及損壞機床部件(例如主軸),并且被迫需要進行昂貴的維修和長時間停機。變力是由機床部件失衡、系統剛性不足或加工系統構件的共振引起的。此外,隨著切屑的形成和斷裂,刀具周期性地加載和卸載,因此切削壓力也會隨之變化。加工振動的不利影響包括表面質量變差、孔尺寸不準確、刀具磨損加快、材料利用率降低、生產成本增加以及刀柄和機床損壞。


機床剛性和工件夾緊


        控制加工振動的基本方法是最大限度地提高加工系統的剛性。為了限制不必要的運動,機床應當采用堅固的重型構件制造而成,并用混凝土或其他吸振材料加固這些構件。機床軸承和襯套必須裝配緊密、堅固耐用。
        工件必須準確定位,并且牢靠地固定在機床內。夾具應以簡約和剛性作為主要的設計考量,并且應盡可能靠近切削加工點。從工件角度來看,薄壁零件、焊接零件以及無支撐截面的零件在加工時容易產生振動。零件可以重新設計以提高其剛性,但這樣會增加成品的重量并降低其性能。


刀柄


        為了最大限度地提高剛性,鏜桿或車桿必須盡可能短,但長度需確保能夠加工整個長度的孔或部件。鏜桿直徑應盡可能大,但前提是適合鏜孔并且仍然可以高效地排屑。
        隨著切屑的形成和斷裂,切削力會上升和下降。力的變化成為振動的另一個來源,這種振動可能與刀柄或機床的固有振型發生共振,并會自我維持甚至增強。刀具磨損或走刀深度不夠也會引起這種振動。這些因素會導致加工過程不穩定,或者與機床主軸或刀具的固有頻率發生共振,進而產生有害的振動。
        鏜桿或車桿懸伸較長時可能觸發加工系統發生振動。控制振動的基本方法包括使用較短的剛性刀具。刀桿長徑比越大,發生振動的可能性就越高。
不同的刀桿材料具有不同的振動行為。長徑比不超過 4:1 (L/D) 的鋼制刀桿通常具有抗振性。由鎢合金制成的重金屬刀桿比鋼制刀桿更致密,在長徑比高達 6:1 時仍具有抗振性。整體硬質合金刀桿擁有更高的剛性,允許抗振長徑比達到 8:1,但其缺點是成本較高,特別是在需要大直徑刀桿的情況下,更是如此。
        另一種減振方法是使用可調刀桿。這種刀桿具有內部減振塊,能夠與有害的振動異相共振、吸收其能量并使振動最小化。例如,山高刀具的 Steadyline 減振刀柄采用一個被動動態減振系統,內置預調過的重金屬阻尼單元,包含一個由高密度材料制成的阻尼體,該阻尼體靠近刀柄前端,支撐在刀柄腔體內。當切削刀具將振動傳遞到桿體時,阻尼體會立即吸收振動,從而減少整個刀柄的振動變形。

 


        在更加復雜和昂貴的主動刀具減振方法中,可采用電子驅動裝置的形式來感測振動的存在,并使用電子致動器在刀柄中產生次級運動來消除有害運動。


工件材料


        工件材料的切削特性可能引起振動。材料的硬度、形成積屑瘤的傾向、形成加工硬化的傾向或堅硬夾雜物的存在會改變或中斷切削力,進而可能產生振動。在某種程度上,調整切削參數可以在加工某些材料時將振動降至最低。


刀具幾何特征


        切削刀具本身會發生切向和徑向變形。徑向變形會影響孔徑精度。在切向變形時,刀片被迫向下遠離零件中心線。尤其是鏜削小直徑孔時,孔內徑的彎曲會減小刀片和孔之間的間隙角。
        切向變形會向下推動刀具并遠離所加工部件的中心線,進而減小間隙角。徑向變形會減小切削深度、影響加工精度和改變切屑厚度。切削深度的變化會改變切削力并可能導致振動。
        刀片前角、主偏角、刀尖半徑等幾何特征會增強或減輕振動。例如,正前角刀片會產生較小的切向切削力。但正前角配置會使間隙變小,因此可能引起摩擦和振動。大前角和小切削刃角會產生鋒利的切削刃,從而減少切削力。然而,鋒利的切削刃容易受到沖擊損壞或出現不均勻磨損,進而會影響孔表面質量。
        較小的切削刃主偏角會產生較大的軸向切削力,而較大的主偏角會產生徑向力。軸向力對鏜削加工的影響有限,因此主偏角較小比較合適。但是,較小主偏角也會使切削力集中在切削刃的較小部分,這可能會對刀具壽命產生不利影響。此外,刀具主偏角會影響切屑厚度和切屑流動方向。刀片的刀尖半徑應小于切削深度,以盡量減小徑向切削力。


切屑控制


        清除孔徑中的切屑是鏜削加工中的關鍵問題。刀片槽型、切削速度和工件材料的切削特性都會影響排屑。鏜削時需要短切屑,這樣可以更容易從孔中排屑并使切削刃受力最小。高度輪廓化的刀片槽型雖然專門用于切斷切屑,但往往會消耗更多的動力并可能引起振動。
        如果需要加工出良好的表面質量,可能需要采用較淺的切削深度,但這將產生更薄的切屑,從而增加了切屑控制難度。增加進給量可能有助于切斷切屑,但會增加切削力并產生顫振,這會對表面質量產生不利影響。在加工低碳鋼時,高進給量還會導致積屑瘤,因此在鏜削這些更具韌性的合金鋼時,增大切削進給量并采用最佳的內部冷卻液供應可能是合適的切屑控制解決方案。

結論


        使用長懸伸刀具進行深孔鏜削和車削是非常重要的常見金屬切削加工類型。為了高效地執行這些加工,需要對整個加工系統進行評估,以確保通過綜合措施盡量減少振動并保證產品質量,從而實現最高的生產率和收益率。


通過減振刀具提升生產率

 


        山高刀具的 Steadyline 減振刀柄不僅可以使典型長懸伸加工的速度提高到非減振刀具的兩倍,而且還可以改善零件表面質量、延長刀具壽命并減小機床所受應力。該系統的被動式動態減振技術可以實現某些特定的加工應用,例如使用長徑比大于 6:1 的刀具,其他系統即使在最簡單的加工參數下也無法實現這一點。對于深達 10xD 的大孔和小孔,車削和鏜孔加工可靠且高效。

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