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日本刀具的日益高性能化
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作者：松冈技术研究所董事长 松冈甫篁 来源：日经BP社
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! O' c/ x7 x) m& n5 e来源: 佳工机电网
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( g- o1 c3 K/ S! Y5 L% }( l 目前，随着切削加工的领域扩大，刀具也在不断改进。不仅是旨在实现更高效率加工的改进，支持航空器上采用的复合材料之类的新型被切削材料的刀具开发也在不断推进。 1 v( l1 {* S# @, y0 |
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高效率的车削及刀具 9 @, ~; J+ K$ d9 Z
8 q y) X! R Y3 |2 j用于车削（主要是使材料旋转，用固定的刀具进行切削）的机床，正逐步从此前的CNC车床向CNC复合机床过渡。因此，如图1所示的刀具正在进行开发，这种刀具具有可安装于CNC复合机床主轴上的锥柄，而且，可利用主轴的旋转功能任意改变刀头导角以及多个刀片。车刀种类的压缩、以及切削的高効率化有望得以实现。
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CNC复合机床具有使刀具旋转的主轴，可实现同时利用材料的旋转的“立式车铣”。在车削时刀具一直抵在被切削材料上（连续切削），但在立式车铣时，刀具的切削刃是断续地抵在被切削材料上（断续切削），在切屑的处理以及降低热影响等方面较为有利。 : U( O) U0 K; t& ?0 [7 Y
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如图2所示，是一种可提高车削效率的刀具。虽然采用的是可进行高速进给切削的外径车削用刀头，但平均每转进给量可取高达2.5mm左右的值。 % O( X+ o: w( \
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高性能的立铣刀切削技术
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- _9 k' a7 l F' D0 R- x# b自高速铣削技术得到确立以来，高硬度钢切削得以普及，现在已能通过切削进行最终精加工。其结果是，立铣刀在要求实现高效率化的同时，还要求达到1μm以下的新领域的较高加工精度等，此类多样化开发目前正在进行。通过采用此类刀具，有望实现新的高效率切削加工。 + l$ x7 @$ w2 d+ S, |7 v
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以图3为例，这是一种旨在实现高速进给切削的圆弧半径立铣刀。可针对从铸铁到预硬钢（Prehardened Steel，HRC40程度）的被切削材料，以0.5～0.8（mm/刃：刀具直径为40～125mm，进刀量：2～3mm）的高速进给切削方式进行加工。切削刃边缘部位的刚性较高，即使对凸缘构造的端面等也能稳定地进行切削，具有可进行倾斜、螺旋形刀具轨迹切削的多向切削功能。 ! H, e$ z+ n$ x- ]- K9 E
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, F% k. [# l$ S( T$ b! X针对加工对象的不同产品类别，也有最佳的刀具方案提出。例如：可进行模具部件上较为多见的凹槽及孔穴的高速铣削的刀具（图4）、适用于汽车部件中的缸体的铸铁材料的刀具（图5）等。图5是具有cBN烧结体八角形刀片的铣刀，可借助负角切削刃（刀口角度为钝角）进行16角切削。上述两种刀具均有望实现高速切削及较长使用寿命下的加工。
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1 K0 z; ~" z% U" M; X% a在多见于模具成形部位的曲面形状的切削方面，采用球头立铣刀是普遍的做法，但现在要求进一步实现高效率化、高精度化及长寿命化，具有双刃以上的多刃刀具已开始市售。例如，图6为3刃的球头立铣刀。如果刃的数目多，则在平均每把刃的进给量相同的情况下，进给速度必然提高，在缩短加工时间上较为有利，并且有望获得刀具磨耗量（后刀面磨耗量）小的效果（图7）。* @$ ~" a1 L- a! g
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以往的球头立铣刀具有切削刃中心部位，这成为一个弱点。由于中心部位是刀具旋转的中心，因而没有切削刃的移动，对切削起不到作用。因此，会引起精加工面粗糙度以及刀具寿命的下降。日本理化学研究所开发出了无中心刃的cBN烧结体球头立铣刀，并已确认在切削精度方面较为有利。图8为市售的无中心刃的4刃涂层超硬合金球头立铣刀，采用这种立铣刀实现高精度精加工面的例子如图9所示。今后，预计5轴控制加工中心、CNC复合加工机等将会普及，有意地不用立铣刀的中心部位、而较多利用外周刃的切削将成为主要方式，因此，可以想象此类立铣刀将成为主流。 : E; R' \: c' b; n- k, K+ G$ j# u/ p
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% l# H" T* B8 {0 b) n/ r% K新材料及切削技术：航空器部件
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6 Z0 y; n9 |$ Q& TIMTS2008（美国国际生产技术展，通称芝加哥展）展会上美国波音公司（Boeing）介绍了包括许多航空器部件及刀具在内的加工技术、以及航空器相关资料等。全球性需求增长使得部件生产有望扩大的航空器与汽车相比，其部件个数较多，复杂形状的一体部件较多。主要的机体部件均为薄长型，从坯料到特定形状的切削占了加工任务的大半。
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坯料方面，不仅较多采用铝合金及钛合金等，而且为了实现机体轻量化、高强化及高刚性化的效果，目前正在导入纤维强化复合材料。例如，B787的主翼、尾翼及机体全部采用CFRP（碳纤维强化复合材料），加工方法主要是修整以及开孔加工。CFRP为质地较硬、且叠加了被切削性不同的层的构造，抑制因切削导致的内部剥离及毛刺等成为关键。另一方面，适用于航空器部件加工的刀具及切削条件已预先确定，对此的采用及变更必需得到批准。
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例如，图11所示为采用切削刃交换式多刃立铣刀切削钛合金时的状况、以及切削条件。要求在具有高速高功率的5轴控制加工中心、支持高效率以及较长刀具使用寿命的立铣刀及切削条件下进行加工。图12为铝合金用切削刃交换式立铣刀。为刀柄一体式，且具有切削刃边缘较长的刀片形状，可应对高速旋转时离心力的两处密配合螺栓的紧固方式等，具有许多独创性。采用重视高速度及高切屑排出量的外观设计，可达到毎分钟2800m的切削速度、毎分钟1万mL左右的切屑排出量。 $ D" \! z7 X9 [8 F& K- T4 c
图13所示为采用金刚石烧结体切削刃的立铣刀切削CFRP的例子。切削254m后仍未见产生毛刺。这种立铣刀安装在分体式热套支架上，热套在刀柄部位的部分无法拆装，通过重磨，可将切削刃部位的偏斜精度、刃排列精度控制在数μm以内。
6 O, U1 y5 y' L" Y* J: w8 b! D新材料及切削技术：新石墨电极
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3 V4 k3 l+ E- c. y9 H随着高速铣削技术被开发出来，高硬度钢也能进行切削了，放电加工的适用范围变窄。近年来，开发出了配备支持石墨电极的新放电电源的CNC放电加工机，同时还开发出了具有μm级超微粒子组织的放电用石墨电极。这样一来，在以往石墨电极材料条件下难以实现的薄壁、锐利边缘形状的切削成为可能，而且还有望实现电极消耗量降低、以及放电加工面精度的提高。
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最新的石墨材料为磨料物资的烧结体，预计其高硬度会造成刀具迅速磨耗。例如，图14所示为超微结晶金刚石涂层与涂层超硬合金的对比例，普通的涂层超硬合金立铣刀能看到磨耗程度迅速加深。金刚石涂层超硬合金立铣刀方面，最初由于金刚石粒径的微细化难以实现，便在做了涂层之后用金刚石砂轮进行研磨加工。因此，制造成本增高，尽管性能优良，但在生产一线的应用却进展迟缓。就在此时，微细金刚石层的涂层技术被开发出来，金刚石涂层超硬合金立铣刀的成本大幅降低，开始迅速推广。
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H1 A6 z5 Q9 |$ A+ T通过新式超微结晶金刚石涂层制成的超硬合金立铣刀的切削刃部位，其边缘极其锐利（图15）。与以往的金刚石涂层超硬合金进行对比，差别显而易见。适用于如图16所示留有壁厚0.3mm的薄壁形状的放电用电极的加工。
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( A7 Q; U9 l) S$ Y此外，具有金刚石切削刃的立铣刀也颇受关注，它使小型部件的超微细加工成为可能。(end) | 
发表于 2010-6-2 13:44:42