图1 在Tsugami BU-20 SY瑞士式9轴机床上(用ParkMaker CAD/CAM软件编程)加工的医用零件 |
图2 Emuge公司的硬质合金微型螺纹铣刀可用于铣削难加工材料 |
如今的工业产品正不断向尺寸和尺度微小化发展。越来越多的产品(如医疗和牙医设备、移动电话、笔记本电脑、航空航天和电子零部件等)的加工部要求切削刀具和工具系统更加小型化甚至微型化。 埃莫克公司(Emuge Corp.)总裁Peter Matysiak认为，为了满足瑞士式加工、高速铣削、螺纹铣削及攻丝等的加工需要，对微细化加化和开发微小型刀具的需求正在与日俱增。 埃莫克公司最近推出的产品也清楚地表明，螺纹铣削工艺的应用正在增长。Matysiak指出，“现代机床技术的进步使螺纹铣削在多种应用领域(如医疗、航空航天、国防和计算机工业)成为一种重要的孔加工方法。现在的CNC机床或者是桌面型的小型机床，或者是装有精密主轴和可夹持这些微小型刀具的刀柄的较大机床，其主轴转速可达到60000r/min或更高。” 埃莫克公司为加工难加工材料(如不锈钢、钛合金、K-Monel铜镍合金、Hastelloy镍基合金、Inconel铬镍铁合金等)新开发了整体硬质合金微型螺纹铣刀系列，从而消除了丝锥破损的可能性及其后果，并在加工完整孔底螺纹时不再需要采用手动攻丝，可加工出一扣以内的孔底螺纹。 微型螺纹铣刀可用于通孔和盲孔的螺纹铣制，可获得极好的螺纹表面质量和尺寸精度。Matysiak说，“为了能成功地攻丝或铣制螺纹，各种刀具要联手进行加工，因此刀柄必须具有特别高的精度，这一点非常重要。因此，我们不会只生产一种刀具而不生产能正确夹持该刀具的刀柄。” “由于微细加工的微小尺度，加上生产效率与刀具投资高回报的双重要求，通常选用整体硬质合金而不是高速钢作为刀具材料，”山高Tesco公司(Seco Tesco.)总裁Rob Keenan解释说，“刀具的几何结构、涂层和基体材料是决定用于特定加工的正确刀具的三个要素。” 为了优化刀具的加工效率，加工每一种工件材料都要求硬质合金刀具材料的成分有所变化。Seco Jabro迷你系列立铣刀近来在涂层、硬质合金牌号和切削几何参数设计等方面的拓展，使刀具更适合加工较硬的材料(如淬硬钢、钦合金) 、较软的材料(如铝合金、铜合金)和高磨蚀材料(如石墨)。这些新型刀具的直径可小至0.1mm。
图3 Seco刀具公司用干微细加工的整体硬质合金微型立铣刀 |
两种新型Seco Jabro迷你系列整体硬质合金立铣刀的直径范围为0.1～2.0mm，分别采用了球头结构和牛鼻结构。JM100系列是专为加工硬度为65HRC的工具钢而设计的；而JM400系列则专门用于加工铝合金和铜合金。Seco Jabro迷你系列与全系列硬质合金立铣刀互为补充，可为诸如模具、医用零件、航空航天、通用机械等行业的各种加工提供更高的加工效率。 在小尺寸模具加工中，高精度的刀具是加工出具有精密尺寸公差和良好表面质量的小型模具的关键因素。山高刀具公司(Seco Tools Inc.)旋转刀具产品经理Jay Verellen解释说，“虽然刀具尺寸很小，但在某种程度上其尺寸比例又很夸张：你使用的刀具直径可能只有2mm，但长度却可能达到30mm，其长径比高达15:1。试想一下，在加工汽车零件时，你可能会使用一把直径为50mm的刀具，但很少人能想象使用一把直径50mm但长达750mm的刀具进行加工。” 随着越来越多的制造商认识到瑞士式CNC车削在加工精密工程零部件时的通用性，该工艺的重要性 不断提高。从各方面来看，瑞士式CNC加工的复杂程度都不逊于多任务复合加工，由于工件尺寸小的缘 故，甚至可能更为复杂。 用棒料(通常直径可到32mm)加工零件时，棒料向前移动通过滑动刀架，几把刀具在主轴上(经常也在后轴上)同时进行加工。编程工作仍然很复杂，但许多CAD/CAM软件公司(如Delcam的子公司PartMaker公司)已开发了加工软件，使瑞士式加工的应用变得较为容易。 山特维克可乐满公司(Sandvik Coromant Co.)的John Dotday介绍说，“这些瑞士式机床有10～15根轴，可以加工出矩形、圆形或你能想象出的任意形状的工件。” Dotday解释说，“这些多任务加工机床采用了滑动式前顶尖，与其他机床的刀塔沿Z轴运动不同，它是由棒料沿Z轴方向移动，通过棒料向外进给与刀塔向内运动相结合来实现切削。其结果是，由于切削在导套附近进行(刀具距导套仅有1～2mm)，因此加工刚性极好。由于刀具和工件材料都有较高的刚性，因此可以采用较大的切削深度，并加工出没有振痕、表面质量极佳的零件。” Dotday说，“外圆车削加工采用正角度刀片。一年前我们推出的CCET、DCET和VCET系列刀片具有极其锋利的切削刃线，能够进行大切深车削，而这正是瑞士式加工所要求的。工件必须在一次走刀中达到要求的直径尺寸，刀具应该具有在大切深(2.5～5mm)、低进给(0.02～0.08mm)条件下加工各种材料的能力。” “大约有60%～70%的瑞士式加工用于在医用设备行业制造骨用螺钉、手术植入板等零件，”Dotday说，“目前瑞士式加工的材料己有很多种，如300系列不锈钢、17-4PH、各种钛合金、钴铬合金、Inconel 718以及钢的硬车削等。” 美国工业界正在不断发现微型刀具在医疗、电子、航空航天、高速模具加工等领域的应用优势。尼亚加拉刀具公司(Niagara Cutter)总裁Shewood Bollier说，“微型刀具在日本以及欧洲已经得到大量应用。而在美国，这种刀具的应用才刚刚开始流行，但其潜在优势正在持续增长，使用直径0.13mm以上硬质合金立铣刀的精密高速机床的数量正在不断增多。”虽然很多成果都是专利技术，但制造商们对微铣削和微细化加工越来越感兴趣，同时也推动着刀具供应商不断挖掘其发展潜力。 除了小型精密医疗装置及零件以外，微细加工的典型应用还包括电子、航空航天、淬硬模具铣削以及加工精密合金和黄金珠宝等高端应用。目前，由一流机床制造商如沙迪克(Sodick)、牧野(Makino)、Roku Roku(加工中心机床)、罗德斯(Roeders)、米克朗(Mikron)、Danon和Kern等公司开发的高速精密饥床不断提高的使用性能己成为微细切削技术发展的关键推动因素。
图4 尼亚加拉刀具公司为汽车行业大批量生产加载盘(容易忽略的产品类别)开发的硬质合金立铣刀(直径范围0.13～0.26mm) |
尼亚加拉刀具公司己经开发了用于医疗和电子加工领域的小直径硬质合金刀具MicroTool系列，该系列刀具包括方头和球头立铣刀，采用二槽和四槽结构，直径范围0.13～3mm。除了末涂层的硬质合金标准刀具外，MicroTools还可提供TiAlN专利涂层以提高刀具寿命和性能。该公司现有30多种标准产品类型(方头、球头、截短型、常规型和接长型等)，槽型包括二槽、三槽和四槽，直径范围0.13～3.2mm，尺寸增量0.03mm，同时可提供末涂层、PVD TiAlN涂层和CVD金刚石涂层等多种选择。根据用户加工要求定制的专用微型铣刀产品也占有很大比例，直径小于0.13mm的铣刀可按特殊产品订货。 肯纳公司(Kennametal Inc.)全球小型刀具产品经理Kerry Cranford说，“提到微细工，我想到的是在显微镜下用比针还细的钻头或直径小到0.15mm的立铣刀和0.08mm的钻头加工计算机电路板。目前在微 型零件加工领域，瑞士式加工、瑞士式自动车床、小型车床和组合机床的应用增长最快，在医用和牙科零件加工领域尤其如此。”肯纳公司2008年新推出的微小零件加工刀具以小型可换刀头硬质合金刀具和小型可转位刀具为主。 肯纳公司的瑞士式车削刀具包括用于内径和外径加工的完整系列。内径加工刀具包括最小可加工孔径0.25mm(比针还细)的镗刀、可在直径1.6mm小孔中加工的仿形刀、可在直径2.8mm小孔中开槽的切槽刀以及可加工5#螺纹(孔径2.5mm)的丝锥，端面切槽刀也可小至0.41mm甚至0.28mm。 肯纳公司的小型可换刀头整体硬质合金刀具系统及刀柄以KM微型系统最具特色，它允许用户在机床上更换刀具的可换式刀头，从而可通过一次安装刀具完成全部内、外径加工。在KM微型系统的可转位刀具部分，可转位刀具可加工的最小孔径为4.8mm。例如，一种80°带断屑器的金刚石刀片，采用了目前使用的所有涂层牌号以及用于加工钛合金和不锈钢的专用牌号。肯纳公司还提供可转位螺纹刀片和切槽刀片，可以安装在同一把刀杆上加工直径6.9mm的小孔。此外，还有可转位端面仿形刀片和仿形刀片等。 目前，米克朗公司(Mikron Corp. Monroe)也为高端精密微小零件的加工开发了小到中等尺寸的系列刀具，可用于医疗、牙科、高速通讯、纳米技术、燃料喷嘴、微型液压系统以及气动装置元件的加工。其标准钻头系列包括用于流程较长生产产线的CrazyDrill高速钻头系列以及最近为流程较短的即时(JIT)加工开发的MiquDrill钻头系列。 MiquDrill系列中的三种钻头都很有特色：中心钻的直径范围0.5～6mm，最小钻削孔径0.5mm，可提供90°或120°的钻尖角。MiquDrill 200钻头长度较短，钻削深度约为2～3倍直径，加工孔径可到1.5mm。MiquDrill 210是一种通用型钻头，直径范围0.1～3mm。后两种钻头都是为微细加工而设计的，末涂层钻头的可加工直径小至0.1mm，涂层钻头的最小加工直径为0.3mm，直径从0.3mm到2mm之间的尺寸增量为0.01mm，从2mm到最大直径3mm之间的尺寸增量为0.05mm。 米克朗公司的刀具销售技术经理Robert Couture 介绍说 ，“MiquDrill是一种双槽整体硬质合金钻头，与Crazy Drill一样，也是用高质量的微细晶粒基体材料制成，但刀片的几何设计与Crazy Drill不同，可在短流程即时加工中为制造商提供一种单件成本较低的选择。MiquDrill非常适合中等批量加工以及单个工件的微小孔钻削。” 伊斯卡公司(Iscar metals Inc.)美国螺纹加工经理Andy Kelling介绍说，伊斯卡不断改进加工方法，以解决在加工特殊金属制成的微小零件时产生的发热和磨蚀问题。挑战主要来自在高压、高热下硬质合金刀具的失效，传统硬质合金牌号的热硬性往往难以胜任这些特殊金属的加工。 “人工合成晶体的超梗刀具材料(PCD/PCBN)，在某些情况下还包括金属陶瓷，以及新的硬质合金牌号、新的涂层以及表面处理方法(如伊斯卡新的Sumo牌号)等对于加工特殊金属材料非常有效。”Kelling 说，“我们还采用了成熟的切屑槽型设计和切削刃制备技术，有效强化了易碎的切削刃。采用各种涂层(如TiAlN涂层)也很有效。” Picco MF(多功能复合刀具)和Picco MFT(多功能螺纹加工复合刀具)是为在瑞士式机床上加工微小工件而设计的，同时也可用于其他加工。Picco MF刀具可用于钻削、端面车削，内孔倒棱、内孔车削/镗削、内孔仿形加工、外圆倒棱和外圆车削等。Picco MFT刀具除可完成上述加工以外，还可以车削60°内、外螺纹。这两个系列的刀具都可进行左旋和右旋双面加工，直径分别为4、5、6、7、8mm，切削深度比为直径的2～3倍。此外，每种刀具表面都磨有槽，使冷却液能直接流到切削刃处。 为了加工硬度48～65HRC的淬硬钢，NS工具公司(NS Tool)的微细晶粒硬质合金双槽球头立铣刀使用了Mugen涂层和全新的几何设计，以改进排屑和减小加工颤振。Single Source技术公司(Single Source Technologes) 的Doug Kline说，“在北美，对各种铸模、冲模及零件的硬铣削己变得越来越普遍。”这种新型铣刀的圆弧半径为0.05～3mm，分为标准型和长颈型。
