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众所周知,切断和割槽工艺与普通车削操作具有相同的基本目标,即将工件加工成所需的形状,满足精度要求,并最大限度地提高生产率。然而,除此之外,切断和割槽应用在刀具强度和刚度以及切屑控制方面还有自身的特点。刀具制造商只有采用创新的刀具设计和高级冷却液输送策略,才能满足切断和割槽工艺的特殊需求。 

刀具设计技巧 

如同普通车削操作一样,切断和割槽工艺也是使用静止的刀具来切削旋转的工件。首先要考虑的事项是配置刀具系统,以便产生所需的工件形状。因此,切断和割槽刀具系统的设计因工件的尺寸和深度而有所不同。例如,对于在大型工件上进行深割槽和切断加工,以及在小型工件上进行浅割槽和切断加工,刀具制造商将提供直接夹在刀柄中的、采用平装或立装配置的切断和割槽刀片。

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用于小零件切断和割槽的X4系列刀具

其中一个例子是山高全新系列的星形立装设计刀片,该刀片具有四个切削刃,因而称为 X4 系列。这款刀片的切削宽度介于0.5 mm 至 3 mm (0.02" – 0.12")之间,旨在最大限度地减少切断期间的材料消耗,并能够精确地对小型和中型复杂工件进行割槽和仿形加工。根据切削刃宽度的不同,刀具的最大切深介于 2.6mm 至6.5mm(0.10" 至 0.26") 之间,而可切断棒料的最大直径介于 5.2 至 13 mm(0.20" 至 0.52")之间。刀片的立装设计可将切削力导向刀柄,从而最大限度地提升刚度、稳定性和生产率。 

在确定刀片的基本形状后,对切削刃前角的选择成为了切断和割槽成效的关键因素。零度前角刀具可以实现与工件的垂直对齐,并将切削力直接转移到刀柄,从而提高精度、刀具寿命和表面粗糙度。然而,在切断完成后,零度刀具会在所切断的棒料中心留下细小的突起或尖头。如果不想留下突起,则应使用具有较小前角的刀具,以在其通过工件中心时切断突起。此外,在某些工件材料中,前角刀具不容易产生毛刺。 

在设置基本刀具配置后,工件的材料属性通常决定了最适合加工该工件的刀片型号。难以加工的工件材料或断续切削通常应使用具有较高强度和抗冲击性的刀片型号,而高磨蚀性工件则需要使用专为耐磨性设计的刀片型号。 

刀具应用建议 

对于切断和割槽刀具,有一些特定的设置建议。在安装刀具时,应注意使刀片与工件的轴线真正垂直。这可最大限度地降低刀具上的轴向力,并防止摩擦刀片的侧面。对于刀具位置,切削刃的中心高度应尽可能接近工件中心,偏差应在 +/- 0.1 mm/0.004" 以内,这也是为了防止对刀具施加过大的压力,以免刀具寿命缩短。 

切断和割槽刀具的切削参数与普通车削有所不同。如果主轴转速恒定,则当切断刀具到达棒料的中心时,其切削速度会降低至零。放慢的速度会对刀具形成沉重压力,并可能导致工件材料黏附在切削刃上。因此,应在刀具接近零件中心时降低进给率(最多 75%)。此外,可调整切削速度以最大限度地减少振动。切断和割槽工艺中使用的刀片通常为窄刀片,这往往会导致切削不稳定。因此,尽可能将刀片固定到最短的刀杆中,并且在不妨碍工件的前提下将其安装在最粗的刀杆中夹紧,这些措施也有助于控制振动。确保机床本身的刚度(这在任何加工操作中都是必须的)同样有助于减少不需要的振动。 

切屑控制难题 

切断和割槽工艺的特点是切削区非常狭窄,这给加工期间产生的切屑控制带来了难题。特别是在切断工艺中,刀具在切削时两侧被工件材料包围,限制了切屑的排出路径。最后,根据工件材料的不同,切断和割槽工艺中产生的薄切屑往往不会折断。失控的带状切屑可导致切屑堵塞、损伤工件并危及操作员的安全。不仅如此,切屑控制问题也会妨碍无人值守或“全自动化”加工的实施。 

许多用于切断和割槽的刀具采用了专门设计的切削刃槽型,以便弯曲并折断切屑。如果表面粗糙度和其他条件允许,可在切削期间暂停刀具进给(也称“暂留”),从而有助于折断切屑。另一种切屑控制方法是使用冷却液来冲掉可能堵塞切削区的切屑。然而,传统的浇注冷却液通常无法在切断和割槽应用中产生足以到达切削区的压力。不仅如此,浇注冷却液喷嘴的位置也难以确定,无法使冷却液流向最需要的部位。最后,相对较弱的浇注冷却液流可能在切削区转化为蒸汽,这实际上形成了一个隔离层,致使切削过程中产生的热量无法散发出去。 

浇注冷却液的一种替代方案是在尽可能贴近切削刃的情况下高压喷射冷却液。如今的机床冷却液泵通常可提供 20 bar (290psi) 至 70 bar (1015 psi) 的压力。举例来说,山高的冷却液输送系统具有广泛的适用性,其操作压力范围既可低至 5 bar(72 psi)(可能会影响生产率),也可高达 70 bar (1015 psi),甚至达到 275 bar (4351 psi) 的高压。 

为了获得最佳效果,高压冷却液必须定点输送,并尽可能靠近切削区。刀具制造商已开发出众多高压冷却液输送系统。一种流行的做法是通过刀片来输送冷却液。然而,最有效的冷却液流可在刀片前刀面切削区和切屑之间产生一个“楔块”,从而提升并折断切屑。显而易见,当通过刀片输送冷却液时,难以将液流导向最佳位置,无法产生楔块。而这不足以使冷却液进入切削区的附近区域,为了形成楔块,液流必须尽量靠近并导向切削刃。

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Jetstream Tooling 飞流刀具的冷却液输送系统可快速导向高压冷却液

因此,山高开发了一套称为 Jetstream Tooling® 飞流刀具的冷却液输送系统,可通过位于刀柄中的导流器来导向高压冷却液。导流器的小孔可产生猛烈的高速冷却液流,穿透并润滑工件和刀具切削刃之间的高摩擦区。最近,在一项旨在困难工况下控制切屑的创新中,公司将名为 Jetstream Tooling®Duo 的技术应用于 X4切断和割槽刀杆。这种方法可从两个出口输送冷却液。除了喷向前刀面最佳加工点的上部喷嘴外,全新的Duo技术采用一个额外的冷却液喷嘴来冲洗间隙面。切削刃从两个相反方向(上方和下方)接受高压冷却液,从而最大限度地控制切屑流并冷却切削区。 

专业化切削要点 

对难加工的工件材料(如钛合金和不锈钢)进行加工时,切屑控制尤为关键。这些材料具有高强度以及高耐热和耐磨性,通常用于生产航空航天、发电和医药行业中的高价值零件。但正是这些特点,让这些材料成为关键应用中绝佳选择的同时,也降低了材料的可加工性。要实现断屑,切屑应吸收切削期间产生的热量并被软化,但钛合金是一种导热性极差的材料,会产生难以折断的坚韧切屑。 

具有较大正前角的锋利刀具可以高效切削钛合金等材料。然而,为了控制切屑和最大限度地提高生产率,通常会需要使用高压冷却液输送工具。通过定点输送冷却液流并在刀片前刀面和切屑之间形成楔块效应,切屑可折断成更小、更易于管理的片段。 

迎难而上 

切断和割槽工艺是车削操作的重要组成部分,同时也带来了许多独特的挑战。由于这些工艺的切削区较为狭窄,因此必须仔细考虑基本刀具形状、槽型、刀片材料,以及设置细节和切削参数。在任何机加工操作中,切屑控制都是一个需要考虑的问题,但在狭窄的空间中,如果切削作业产生的切屑较薄且难以折断,则切屑控制就变得更加关键。刀具制造商已开发出了切屑控制槽型,可帮助解决这一问题。另外,暂停进给等切削策略也可对此有所帮助。控制切屑的一种绝佳方法是定点输送高压冷却液。无法控制的切屑需要操作人员一直在旁监控,因此,持续切屑控制的主要优势便是可以实现全自动化/无人值守的加工操作。与其他加工工艺一样,冷却液也能在切断和割槽工艺中提供相同的优势,包括刀具寿命延长和/或切削参数增加。总之,借助当今切断和割槽加工的刀具、技术和创新,用户能够在这一专业但重要的加工工艺中最大限度地提高生产率。

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