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数控刀具技术的发展

(1)数控刀具材料的新发展

进入21世纪以来,随着制造技术的全球化趋势,制造业的竞争更加激烈,对制造技术必然带来巨大的挑战,首当其冲的是切削刀具的变化。为了适应高精化、高速化、自动化、多功能化、高生产率化、缩短交货期等要求,要求切削刀具材料的强度和韧性要高,具有寿命长、高可靠性、耐高温、耐磨损、抗氧化和抗冲击等特点。特别为适应当前对环境保护的要求,提出了条件苛刻的干式切削。切削刀具的设计和制造等方面也是日新月异,不断推陈出新,相应也推动了其他技术的发展。数控刀具材料的发展主要体现在刀具的切削性能大幅度提高,以适应高速、高效、高精密度、多功能、硬质和干式切削等技术要求。

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(2)数控刀具结构的发展

数控工具系统    数控工具系统是针对数控机床要求(与之配套的刀具必须换刀速度快和切削高效)而发展起来的,是刀具与机床的接口。它除了刀具本身外,还包括实现刀具快换所必需的定位、夹紧、抓拿及刀具保护等机构。20世纪70年代,工具系统以整体结构为主;80年代初,开发出了模块式结构的工具系统(分车削、镗铣两大类);80年代末,开发出了通用模块式结构(车、铣、钻等万能接口)的工具系统。模块式工具系统将工具的柄部和工作部分分割开来,制成各种系统化的模块,然后经过不同规格的中间模块,组成一套套不同规格的工具。目前,世界上模块式工具系统有几十种结构,其区别主要在于模块之间的定位方式和锁紧方式不同。模块式工具系统是数控刀具结构的一个重要特点,通过不同模块的组合,用尽可能少的模块组成一个功能全、柔性好的工具系统,采用高精度、高刚性并能快换的链接结构,可以显著提高数控机床的利用率。

高速旋转刀具的新型刀柄及相关技术    刀柄是高速切削加工的一个关键部件,传统的刀柄与机床主轴的连接方式是7:24的锥柄(如BT、ISO等),这种连接结构已不能适应高速加工的要求。为此,德国开发了HSK空心短锥刀柄。HSK短锥刀柄采用1:10的锥度,它的椎体比标准的7:24锥柄短,可实现法兰端面和锥柄的同时接触,具有很高的连接精度和刚度。与7:24锥柄相比,HSK空心短锥刀柄有如下优点:

a. 重量减少约50%

b. 重复使用时,装夹和定位精度高。

c. 刚度高,并可传递大的力矩

d. 装夹力随转速升高而增大,所允许的最高转速为30000r/min 。

多功能及专用刀具的开发应用       多功能刀具是指用一把刀就能实现多把刀才能实现的加工,即实现一次安装多次走刀完工的要求。对复杂零件的加工,要求在一次装夹中进行多工序的集中加工,并淡化传统的车、铣、镗、螺纹加工等不同切削工艺的界限。发展这样的刀具可有效避免频繁换刀和对刀,节省换刀时间,减少辅助时间,减少刀具的数量和库存量,便于刀具管理和降低制造成本,提高生产率和加工精度。为了发挥以车削加工中心和镗铣类加工中心为代表的数控机床的优势,开发多功能刀具是当前数控刀具结构发展中的一个趋势。目前,多功能刀具具有:车刀、铣刀、镗铣刀、钻-铣刀、钻-铣螺纹-倒角等刀具。有的多功能刀具可将零件的加工时间降至原来的1/10以下,效果十分显著。如多功能的车刀发展了拥有车端面、外圆、仿形、切精、切断和倒角等多种加工功能和带有过中心端刃的多功能立铣刀。借助数控机床螺旋插补、圆周插补或曲线插补等编程方法,可以加工各种内外成形轮廓面、台阶、凹面,甚至代替孔加工刀具钻孔。复合孔加工数控刀具集合了钻头、铰刀、扩(锪)孔刀的功能,用于加工箱体上螺纹孔的多功能刀具,一把刀就可以完成钻孔、攻螺纹、倒角三种工序,单刃微调精密镗刀正被多刃扩孔刀、铰刀及复合孔加工专用数控刀具替代。

由于高速、超高速切削的发展,切削热成为研究对象,从而带冷却孔的切削刀具应运而生。这对降低切削温度,特别是在钻孔的条件下十分有利,并且为更好排屑创造了前提,同时这类技术在小直径刀具上应用,可以使切削液到达不易到达的部位。现在于加工中也有应用场合,可以利用切削液孔通冷却气体以降低切削温度。为了适应硬切削的需求,立铣刀采用大螺旋槽的相当多;为了加强排屑性能,将刀槽加宽,甚至将刀背去除。立铣刀采用大前角能明显降低切削力,改善了排屑性能,在精密加工中能提高加工表面的质量。当前的立铣刀端齿中有一个端刃采用过中心,使立铣刀功能扩大,不用预钻孔,直接向下切削。

④ 硬质合金刀具的整体化    近年来大力发展硬质合金刀具的整体化,小直径刀具的刚度显著提高,甚至复杂刀具,如齿轮、螺纹刀具等也采用整体硬质合金制造,整体式硬质合金立铣刀圆周刃采用大螺旋升角结构,立铣刀头的过中心端刃往往呈弧线形、负刃倾角,增加切削刃长度,提高了切削平稳性、工件表面精度及刀具寿命。

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