簡單分析鏜刀在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

針對鑄件加工的高效鏜刀

Bosch Rexroth公司在液壓、電氣傳動(dòng)和控制、變速箱技術(shù)以及線性與安裝等技術(shù)方面可以提供非常廣泛的產(chǎn)品與服務(wù)。為了其市場主導(dǎo)地位，Bosch Rexroth公司一直把其產(chǎn)品、工藝和生產(chǎn)輔助設(shè)備放到檢驗(yàn)臺上進(jìn)行詳細(xì)檢驗(yàn)。在Homburg工廠所使用的特殊的硬質(zhì)合金刀具方面，亦是如此。這些特殊刀具必須與各種生產(chǎn)條件作最佳匹配，并實(shí)現(xiàn)最好的經(jīng)濟(jì)性。刀具的加工路徑、加工時(shí)間和預(yù)處理及后處理等步驟均與刀具成本呈比例關(guān)系。

在加工閥套貫穿孔時(shí)，需要對材料進(jìn)行處理。迄今為止所采用的GG30 鑄鐵明顯存在性能缺陷，也不具經(jīng)濟(jì)性。為此，Bosch Rexroth公司開始為此類鉆孔尋找一種新的技術(shù)方案，并與多家特種刀具供應(yīng)廠商聯(lián)系。

其中一家位于Sien地區(qū)的Müller公司，它已經(jīng)開始與Bosch Rexroth公司在其他生產(chǎn)步驟上進(jìn)行合作。Müller公司是一家針對鏜孔、锪孔、鉸孔和銑削作業(yè)的VHM精密刀具的供應(yīng)商。這家專業(yè)化的特種刀具制造商在其產(chǎn)品和服務(wù)上，首先是面向機(jī)床設(shè)備制造業(yè)、加工行業(yè)、汽車零部件配套業(yè)、汽車制造業(yè)和其他金屬加工企業(yè)。在所選的技術(shù)工藝框架內(nèi)，所有供應(yīng)廠商都必須先提供一份包含建議、供貨、對客戶特殊需求的匹配和易損刀具的配備等方面內(nèi)容的整體方案。

圖1 Müller公司精密刀具生產(chǎn)現(xiàn)場



“Müller公司的技術(shù)方案瞬間就讓我們折服。此外，該企業(yè)也具備精密刀具制造和精磨所需的ISO9001.2008相關(guān)的認(rèn)證資質(zhì)。”Bosch Rexroth公司刀具設(shè)計(jì)師Michael Koch表示。因此，Bosch Rexroth公司委托Müller公司為鑄鐵加工場合制造和提供特種刀具。

每件材質(zhì)為GG30的Bosch Rexroth鑄鐵閥套上需要鏜出三個(gè)高精密的孔，孔徑為8.4?mm。在進(jìn)行貫穿鏜孔時(shí)，務(wù)必需要注意避免在孔的背面有毛刺生成，以免對孔進(jìn)行費(fèi)時(shí)費(fèi)力的去毛刺和換裝等繁瑣步驟。此外，Müller公司還需證明，它所重磨和二次涂層的刀具可以達(dá)到與新制刀具完全相同的高質(zhì)量。唯有如此，Bosch Rexroth公司方可確保所需的生產(chǎn)質(zhì)量、作業(yè)安全性和經(jīng)濟(jì)性。

刀具可結(jié)合各種不同的分級外形設(shè)計(jì)

Müller公司為Bosch Rexroth公司專門研發(fā)符合其實(shí)際需求的高效鏜刀。所設(shè)計(jì)的“Max-Feed-Plus”鏜刀是一種可以與各種不同的階梯外形相結(jié)合的特種刀具。雙方對邊角倒角作業(yè)有著特別的約定，這也決定了刀具的特定切削形狀并可延長主刀片的使用壽命。這兩種結(jié)果都可對作業(yè)穩(wěn)定性和切屑排放產(chǎn)生積極影響。由于鏜孔過程非常柔和，因此在貫穿孔時(shí)可以避免毛刺的產(chǎn)生。Max-Feed-Plus刀具的另外一個(gè)積極影響便是它可以達(dá)到非常高的定位精度。

針對鑄件加工的高效鏜刀

圖2 所設(shè)計(jì)的Max-Feed-Plus特種刀具可以與各種不同的分級外形相結(jié)合



此外，Müller公司不僅僅制造和供應(yīng)刀具。它同時(shí)也以大約400?000批次的年重磨量而躋身于鏜刀、銑刀、鋸刀和鉸刀重磨業(yè)的主導(dǎo)專業(yè)廠家之列。經(jīng)過重磨之后的刀具可以通過一種特殊的高效涂層工藝而獲得與新刀產(chǎn)品非常相近的性能。Bosch Rexroth公司也因此可以節(jié)省費(fèi)用，并從中受益。其特殊刀具的使用壽命可以比以往延長五倍。

Bosch Rexroth公司在批量生產(chǎn)過程中對Max-Feed-Plus型刀具進(jìn)行了高強(qiáng)度的測試、評價(jià)和優(yōu)化。所采用的是直徑等級在8.4～9.4?mm之間的Max-Feed-Plus型分級鏜刀。在對Bosch Rexroth閥套進(jìn)行貫穿鏜孔時(shí)，Max-Feed-Plus型分級鏜刀可以達(dá)到Vc=100?m/min的切削速度和1300?mm/min的進(jìn)給效率，實(shí)現(xiàn)了f=0.34?mm/U的雙倍進(jìn)給量的目標(biāo)。

通過于所提高的進(jìn)給量，高效鏜刀的行程也可以加大一倍，而同時(shí)每個(gè)孔的循環(huán)加工時(shí)間卻可以縮短一半。此外，可對邊角曲率半徑范圍內(nèi)的自由角度進(jìn)行調(diào)整，使切削壓力減小到最低的水平。綜合起來看，與以往所采用的鏜刀幾何外形相比，改進(jìn)型技術(shù)方案可以大幅降低所需的進(jìn)給力。其結(jié)果是進(jìn)給量翻了一倍，加工行程延長了一倍，同時(shí)每個(gè)孔的加工時(shí)間顯著縮短。

針對鑄件加工的高效鏜刀

圖3 Bosch Rexroth公司刀具設(shè)計(jì)人員Michael Koch與Müller公司技術(shù)咨詢及銷售人員Steffen Gospodarek在一起（從左至右）



對特殊刀具繼續(xù)進(jìn)行測試

自兩年以來，Müller公司的高效鏜刀被投入使用。“刀具應(yīng)該以不引起人們過多關(guān)注而見長。”Michael Koch強(qiáng)調(diào)到。“Müller公司的刀具不僅僅可以滿足很高的質(zhì)量要求，而且也以其極好的性能價(jià)格比而令人折服。尤其在與我們特殊要求的匹配和對接方面，Müller公司向我們提供了詳盡的咨詢服務(wù)和各種成熟的特殊技術(shù)方案。”這家傳動(dòng)與控制技術(shù)專業(yè)廠商對Müller公司的技術(shù)咨詢、服務(wù)和效率以及作業(yè)安全性等方面的表現(xiàn)非常滿意。因此，Bosch Rexroth公司計(jì)劃就后續(xù)的生產(chǎn)步驟，繼續(xù)對Müller公司的特種刀具進(jìn)行測試。

采用內(nèi)冷刀具提高切削速度

毫無疑問，在對鈦、鎳合金和高強(qiáng)度鋼以及碳素纖維材料(CFK)進(jìn)行高效切削時(shí)，傳統(tǒng)的溢流冷卻潤滑劑往往會遇到其物理極限。帶有內(nèi)冷卻功能、可以把冷卻潤滑劑定向地引向加工部位的刀具對此可以提供幫助。“采用帶有現(xiàn)代冷卻潤滑技術(shù)的刀具，可以極大降低生產(chǎn)成本，提高刀具的使用壽命，改善切屑狀況并加強(qiáng)切削作業(yè)的安全性。”Iscar公司鏜削產(chǎn)品經(jīng)理Herbert Volk認(rèn)為，帶有內(nèi)冷卻的鏜刀的加工能力更強(qiáng)，“基本上帶有內(nèi)冷卻的鏜刀會更受歡迎。”他指出，對于鏜孔深度超過大約2×D的情況來說，如果采用外部冷卻劑導(dǎo)入的話，就無法保證整個(gè)加工過程達(dá)到足夠的冷卻效果。在無內(nèi)冷卻鏜削作業(yè)中，刀具的使用壽命和加工品質(zhì)都會明顯變差。

“切屑形成區(qū)域上的直接冷卻，切屑排放的進(jìn)一步優(yōu)化和冷卻，沖洗能耗的進(jìn)一步降低，這些都是刀具研發(fā)工作的目標(biāo)所在。”在位于杜塞多夫的Sandvik Tooling Deutschland公司負(fù)責(zé)圓形刀具與卡盤的產(chǎn)品經(jīng)理Markus Groppe博士強(qiáng)調(diào)說。與無內(nèi)冷卻功能的鏜刀相比，帶有內(nèi)冷卻功能鏜刀的加工能力取決于很多因素。“很多特定的應(yīng)用場合只能采取內(nèi)冷卻方式。”Groppe表示，“而且刀具的使用壽命往往可以提高300%。當(dāng)然，這種提高并非零成本。與無內(nèi)冷卻功能的鏜刀相比，帶有內(nèi)冷卻功能的鏜刀價(jià)格最多要高出40%。”

內(nèi)冷刀具的正面功效

“刀具的內(nèi)冷卻基本上可以把冷卻潤滑劑盡可能近地引到刀具加工區(qū)。”Kennametal Shared Services公司鏜孔和端面銑削產(chǎn)品負(fù)責(zé)人Tilo Krieg博士表示。他列舉出一些正面的影響：“另外，從接觸區(qū)域把熱量排放出來，這有利于延長刀具使用壽命、優(yōu)化切屑排放、改善表面質(zhì)量并減少對工件表面的影響。”后續(xù)研發(fā)工作的目標(biāo)便是要把這些效果應(yīng)用到其他等級的刀具上。

當(dāng)然，在這方面仍然存在著一些傳統(tǒng)的局限性，例如多刃刀具、帶有很長圓周刀刃的刀具、復(fù)雜的成型刀具和其他一些在直徑和結(jié)構(gòu)上使得冷卻通路受限的刀具。“在這些方面，我們正在下大力氣進(jìn)行研發(fā)。”Krieg補(bǔ)充說，“當(dāng)然，可制造性也是我們所關(guān)注的一個(gè)方面。”

“總的來說，內(nèi)冷卻硬質(zhì)合金刀具可以達(dá)到較高的切削數(shù)據(jù)。當(dāng)鏜孔深度超過4×D時(shí)，這種刀具也有助于切屑的排放并實(shí)現(xiàn)較長的使用壽命。”Walter公司的高級產(chǎn)品經(jīng)理Helmut Gschrey表示。

“內(nèi)冷卻刀具的后續(xù)研發(fā)主要涉及最優(yōu)化問題。”Komet公司負(fù)責(zé)硬金屬與研磨刀具研發(fā)的經(jīng)理Reinhard Durst博士解釋說，“我們致力于尋找能夠達(dá)到冷卻劑最大傳送量的冷卻孔徑與刀具具備足夠的強(qiáng)度之間的最佳匹配。此外，我們還對冷卻孔出口的位置(特別是當(dāng)采用特殊刀具時(shí))和微量潤滑刀具的冷卻孔截面及出口進(jìn)行優(yōu)化。”對于在何種場合使用何種內(nèi)冷卻刀具的問題，Durst表示，“在金屬批量加工場合，幾乎只使用內(nèi)冷卻刀具，這是因?yàn)槲ㄓ型ㄟ^把冷卻劑定向輸送到加工位置上并且加強(qiáng)對切屑的排放，才能確保實(shí)現(xiàn)較高的切削效率。”在采取微量潤滑策略時(shí)，則尤為如此。

“對于深鏜孔開槽刀具(例如單刃鏜刀)來說，內(nèi)冷卻方式是至關(guān)重要的，這是因?yàn)榍行贾挥型ㄟ^冷卻劑從鏜孔中帶出。”TBT公司鏜孔刀具業(yè)務(wù)部經(jīng)理 Jürgen Bek介紹道。在孔深為250×D以下時(shí)，內(nèi)冷卻刀具的工作狀態(tài)是安全的，“TBT借助于有限元法來對冷卻孔的大小和形狀進(jìn)行優(yōu)化。”對此，切屑通道在開口角度和形狀方面的優(yōu)化不容忽視。

“實(shí)際工作表明，內(nèi)冷卻刀具一方面能夠?yàn)橛脩魩斫?jīng)濟(jì)效益，另一方面也可以極大改善加工作業(yè)的安全性。”Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn公司研發(fā)部經(jīng)理Matthias Luik博士指出，“在切槽口時(shí)，采用傳統(tǒng)冷卻方式的冷卻劑往往無法到達(dá)刀刃的位置，而采用內(nèi)冷卻方式則可達(dá)到最佳效果，并使刀刃的壽命提高6倍。在深部鏤空和外冷卻劑無法達(dá)到的場合，內(nèi)冷卻銑刀則可以充分發(fā)揮出其優(yōu)勢，這是因?yàn)殂姷锻艿焦ぜ恼趽酢Ｓ捎谶@種情況在模具制造中經(jīng)常出現(xiàn)，因此此類場合均采用內(nèi)冷卻銑刀作為技術(shù)標(biāo)配。”

Jakob Lach公司與Audi公司的合作研發(fā)工作推進(jìn)了鋁材切削技術(shù)能力：一種帶有切屑引導(dǎo)功能的內(nèi)冷卻整體PKD銑刀。“把通過PKD切削面所引導(dǎo)的冷卻液流與切屑排放功能集合在一個(gè)刀具上的技術(shù)方案，對于加工作業(yè)來說是最理想的。”總經(jīng)理Horst Lach說，尤其在HSC鋁材切割加工上，可以實(shí)現(xiàn)用戶希望達(dá)到的極高的切削速度和進(jìn)給量，“不僅如此，冷卻劑導(dǎo)入整體銑刀可以攜帶多套PKD刀片，因?yàn)樵谇邢髯鳂I(yè)中所產(chǎn)生的切屑可從加工區(qū)域里被即刻排走。”總之，通過在汽車制造業(yè)上(例如針對發(fā)動(dòng)機(jī)和減速箱外殼的加工)采用新開發(fā)的PKD整體銑刀，加工循環(huán)時(shí)間已經(jīng)下降50%以上。

在設(shè)備上需要滿足的條件

在設(shè)備方面必須滿足的若干前提條件：內(nèi)冷卻至少必須具備15?bar(最佳為50?bar，1?bar=105?Pa)的壓力，以輸送冷卻潤滑乳化液、油、MMS、空氣或冷卻劑等介質(zhì)，15?000~30?000?r/min之間的高轉(zhuǎn)速和20?000~40?000?mm/min的進(jìn)給量。

高效切割的目標(biāo)當(dāng)然尚未達(dá)到。采用CO2或N2等冷卻劑來取代常規(guī)的冷卻潤滑劑，可以繼續(xù)提高單位時(shí)間切割量并降低刀具的磨損程度。針對鏜削作業(yè)的內(nèi)冷卻，例如Chemnitz TU大學(xué)機(jī)床和生產(chǎn)工藝學(xué)院(IWP)目前就在研究如何采用CO2來實(shí)現(xiàn)高效冷卻的策略問題，正如切削技術(shù)教學(xué)和研究系主任Martin Dix博士所強(qiáng)調(diào)的那樣：“在采取這種冷卻策略時(shí)，針對難切削的金屬材料，尤其重要的一點(diǎn)便是要把冷卻定位在刀具上并進(jìn)行優(yōu)化，以便對刀具重要區(qū)域進(jìn)行冷卻。”

低溫冷卻可以實(shí)現(xiàn)無潤滑劑的高效鏜削作業(yè)和較長的刀具使用壽命。為了提高加工效益，需要采取有效的保溫措施并對冷卻劑液流進(jìn)行匹配。在刀具上的熱量分布方面，冷卻通道及其出口的位置非常關(guān)鍵。“這是因?yàn)槭紫裙ぜ玫嚼鋮s。”Dix博士表示，“因此工件的硬度會上升，由此在大多數(shù)應(yīng)用場合中刀具的切削力和磨損程度都會隨之增加。”唯有在加工塑料材料時(shí)，同時(shí)冷卻工件的做法才有意義，這是因?yàn)檫@種做法可以有效提高材料的可切削性。