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刀具识别与自动换刀实验报告
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&&自动化制造系统学科的实验报告
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【摘要】：在微切削加工中，零件尺寸可能很小，而采用何种刀具和加工方案可以有多种选择。由于微切削加工面临各种挑战(如很小的尺寸公差、严格的质量要求、难加工材料等)，因此选用正确的加工方法至关重要。
&在微中，零件尺寸可能很小，而采用何种和加工方案可以有多种选择。由于微切削加工面临各种挑战(如很小的尺寸公差、严格的质量要求、难加工材料等)，因此选用正确的加工方法至关重要。
&通过优化微小零件的加工工艺，可以节约零部件材料、缩短加工周期、降低刀具成本、减少机床闲置时间和提高零部件加工质量。
&随着技术的不断进步，为了帮助提高微小零件的生产效率，拥有一个可靠的、能提供应用支持和技术咨询的刀具合作伙伴十分重要。通常，根据不同的行业和加工类型来确定切削工艺的改进是一个很好的切入点。
&电子和电讯产品制造业
&电子和电讯产品的零部件种类五花八门，但加工这些零部件所面临的挑战都差不多：需要加工的零件批量很大，且对零部件质量和表面光洁度的要求极其严格。此外，在这个科技高速发展的行业中，削减成本的压力非常大。
&由于对零部件功能的要求不断提高，电子产品越来越多地采用难加工材料(如低碳钢和合金钢)制造，这也成为加工这些零部件的另一个障碍。微型车刀适合加工许多电子产品零部件(如光碟托盘的细微结构)，这些加工通常涉及到内圆车削、切槽、切断和螺纹加工。
&由于此类加工对精度要求极高，因此，选用带有安全夹持系统、可保证切削刃正确定位的可转位刀片式车刀至关重要。用这些车刀加工时，最好在开始切削时采用较小的进给率，以确保刀片的安全性和加工表面光洁度，然后再提高进给率以改善断屑性能。此外，还应该采用大于刀尖圆弧半径的切削深度，以尽可能减小刀片的径向变化&&这是内径加工中的一个普遍问题。
&山特维克可乐满的CoroTurn XS车刀通常非常适合这种类型的内圆车削、切槽和螺纹加工，并能提高小孔排屑性能和加工安全性，由于减少了对切屑的二次切削，可获得更长的刀具寿命。这种车刀最小可以加工0.3mm的孔径。该系统还能提供更安全的刀片夹持，从而能够采用更大的刀具悬伸量和提高生产效率。
&医疗器件制造业
&医疗器件制造商面临许多与电子零部件制造商相同的挑战。由于对医疗和牙科器件的需求增大，制造商必须加快生产速度、提高成本效益和加工的可预测性。医疗器件的质量和高耐蚀性极为重要，而最常用的材料&&钛合金和钴铬合金&&都非常难以加工。为满足人体植入件的要求，必须采用耐蚀性和耐磨性好、生物排斥性小的材料，但此类材料(尤其是人造髋关节)可能加工难度很大。
&许多医疗器件的一个共同特点是其螺纹廓形复杂多变，且对尺寸精度要求很高。加工接骨螺钉遇到的挑战往往在于其大长径比。这种螺钉的长度远远大于其直径，使其加工更为困难，因为在加工过程中螺钉很容易弯曲。此外，现在很多接骨螺钉要求采用更大的螺旋角，用单刃螺纹刀具进行加工难度更大。
&螺纹旋风铣(一种切削刃位于的内环而不是外周的铣削工艺)是一种生产率更高的加工方法。该工艺非常适合瑞士式数控车床，因为刀具与导套之间的距离较短，有利于增强支撑和减小振动。
&用螺纹旋风铣工艺加工医用接骨螺钉。刀片安装在内环的螺纹旋风铣刀环围绕圆柱形工件旋转并加工出螺纹，平滑的切向切削运动可减小切削力，提高金属切除率。
&为了减小加工颤振(螺纹旋风铣可能出现的最大问题)和延长刀具寿命，制造商应选用刀片不等距安装的螺纹旋风铣刀环。由于是加工高强度材料，铣刀片要承受很大的冲击，因此必须选用高硬度的细晶粒刀片基体并涂覆耐磨涂层，以延长刀具寿命和改善表面光洁度。
&CoroMill 325螺纹旋风铣刀环和刀片适用于大部分滑动刀架机床和螺纹旋风铣削主轴单元，并适合各种细长零件的外螺纹加工。该铣刀环可加工的螺纹直径范围为3-10mm。加工医疗器件时，可选用强韧性更好的GC1105刀片牌号。这些刀片具有更锋利的切削刃，可获得无毛刺的加工表面，实现更长时间的连续加工和更高的生产率。
&加工牙科器件(如牙齿植入件)对切削性能和加工精度要求很高。小型球头立铣刀非常适合小型零部件的仿形铣削，因为它们在拐角半径很小和悬伸较长的加工场合仍能运用自如。这些立铣刀具有极佳的耐热性和高精度，也适用于模具加工。与螺纹旋风铣刀一样，加工高硬钢时也需要采用强韧性好的刀片牌号。
&CoroMill Plura球头的几何形状设计可避免因磨损不均匀而导致刀尖圆弧半径损坏，为了改善刀具磨损性能，还进行了切削刃制备。该刀具的直径最小可达0.1mm，并具有细长的颈部，使其能进行长距离加工，并具有良好的可达性(尤其是在铣削型腔时)。
&GC1700是一种涂覆多层PVD涂层的细晶粒整体硬质合金牌号，具有高硬度和高耐磨性。物理气相沉积(PVD)工艺可以涂覆非常薄的涂层，因此能获得更锋利的切削刃。这就使该刀具非常适合从中等硬度到高硬度(HRC35-72)的微小零件加工。
&航空航天制造业
&在该行业中，夹持系统是否合适可能会极大地影响加工效率，尤其是在加工高强度材料时。由于所加工材料的特性，医疗器件和航空航天制造业的切削加工都需要使用大量刀片。随着时间的推移，更换刀片所消耗的时间成为影响生产率的一个重大因素。此外，在航空航天制造业的微小零件加工中，通常使用的高性能、长切屑材料会造成断屑难题。
&带有高精密冷却装置的QS刀具夹持系统不仅能缩短装刀和换刀时间，还可以改善断屑和加工性能。其楔形设计使操作者可以在几秒钟内完成刀片更换。精密喷嘴可以提供精确的冷却剂流量，从而提高零部件质量和断屑性能。其好处是可将冷却液压力降低到145磅/平方英寸。
&在航空航天制造业，应用螺旋铣(斜坡铣)加工技术可以提高生产率。该技术使用铣刀(而不是钻头)在许多航空零部件中常见的弧形和倾斜表面上更高效地加工各种孔和凹腔特征。通过采用较小的切深和较高的切削速度，螺旋铣所需的切削力和机床功率比钻削加工大幅降低。用CoroMill 326和CoroMill 327铣刀对微小零件进行螺旋铣削时，多个锋利的切削刃可以提供高切除率、更长的加工距离和更好的耐磨性。
&汽车制造业
&许多是用金属板材通过冲模加工形成车体部件(如车门、引擎盖、挡泥板等)。但也有许多大批量加工的小型汽车零部件(如传动轴和齿轮)。降低每件成本是大批量加工这些零部件的主要目标。实现无缝生产的关键因素包括工艺安全性、加工周期和产品质量。
&在传动轴和齿轮加工中，钢件车削占据主导地位。但是，仔细选择合适的刀片牌号对于钢件车削至关重要，因为这将为效率更高的硬车削加工铺平道路，如果工件仍需磨削加工，则可以减小磨削余量，最终导致每件加工成本的降低。
&山特维克可乐满的GC4225刀片牌号具有安全、可靠和可预测的切削性能。这种刀片的几何形状经过优化，可获得非常高的表面光洁度、尺寸精度和生产率。
&传统上，传动零件是先进行车削加工，然后进行磨削加工。而用硬车削来替代车削+磨削可以大幅提高生产率。该工艺可满足汽车制造业提高生产率和零件质量、缩短加工周期的需求。此外，由于加工中不需要切削液，硬车削比磨削具有更好的成本效益。
&经过优化的刮削刀片与立方氮化硼(CBN)牌号相结合的新型车刀可以满足传动零件的硬车削加工要求。CB7015是一种经过优化的刮削刀片，用于表面淬硬传动零件的高速精车加工。它采用一种多刀头锁定技术，可使其钎焊部位远离切削高温区的多个CBN刀头实现机械联锁，与传统的刀头设计相比，具有更高的强度和更好的安全性。这种机械联锁的刀头能够承受由进给、切深和断续切削产生的压力，使其成为能在满足表面质量和尺寸精度与提高生产率的要求之间保持均衡的一个合理选择。
&选择刀具和工艺
&微切削加工提出了一系列独特的挑战&&不仅因为工件尺寸非常小，而且在需要这些微小零件的行业中，工件大都采用难加工材料，并具有复杂的几何形状。伴随这种挑战的是，医疗器件、航空航天和电子工业的竞争日趋激烈，技术要求也越来越高&&需要进行大批量加工，并对刀具和刀片进行大量投资。
&虽然选择合适的刀具和工艺似乎相当困难，但利用现有的宝贵资源，可以帮助制造商完成大多数微小零件的加工。由于竞争日趋激烈，能否选用最先进的刀具和工艺来提高生产率，以保持技术领先地位，可能会决定企业制造业务的成败。而选择合适的刀具合作伙伴，也能保证加工获得成功。
&虽然不同的微切削加工需要采用不同的切削策略和加工顺序，但仍有一些在许多情况下都适用的技术诀窍和加工指南：
&(1)在瑞士式车床上加工时，应首先在正主轴上进行钻削和内圆车削加工，由于导套可对棒料起到支撑作用，因此可提高加工稳定性。
&(2)第二步应在正主轴上车削外圆。如果可能的话，最好一次走刀完成全切深，以缩短切削时间，从而提高加工稳定性。
&(3)第三步应进行铣削加工。应优先选择端面铣削。由于旋转主轴的稳定性和功率有限，因此切削力越小越好，而端面铣削可以满足这一要求。
&(4)为了在切断工序之前对工件外径进行最后阶段的加工，通常采用高生产率的反车加工，一次走刀完成加工有助于减小振动。
&(5)切断是在正主轴上完成的最后一道工序。两个主轴相互离得越近，零件悬伸量就越小，表面光洁度也越好。
&(6)最后，在副主轴上完成最终精加工。该工序通常为内径加工，但也可以是外径加工。
关键字：切削,刀具
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竞争激烈的全球市场要求齿轮制造商不断突破提高生产效率和降低生产成本的极限，这就意味着必须采用由优质材料制造并用高性能涂层保护的先进滚刀进行高速滚削加工。由于先进刀具的价格较高，因此有些生产车间不愿意使用高效滚刀，这是因为他们没有全面分析生产流程的各个方面，以确定正确的成本计算方法--从计算总成本到计算每件加工成本。为了实现更高的齿轮切削效率，滚刀的设计正趋向于开发高效、多头的带柄滚刀。带柄滚刀采用整体工具钢材料制造，直径较小，通常比带孔滚刀更长一些。它们安装在滚齿机上时，是通过两端的柄颈定位，而不是像带孔滚刀那样安装在心轴上。例如，蓝帜Fette可转位硬质合金重载切削滚刀设计构想是用经济的可转位硬质合金刀片与众所周知的滚切优势的结合，在规定的时间内，可以在高切削速度下切除大量金属，重磨和再涂层对于传统滚刀是必需的，而在这里没有必要。大大节省了修磨成本和换刀时间，这将减少机床的投入，从而减少厂房的建设，真正为用户节省大量的成本；格里森公司（Gleason Corp.）的Genesis带柄滚刀采用了D驱动机构，即利用滚刀键销的整个表面接触来传递扭矩。一般来说，在大多数机床上采用的平面对平面驱动机构在高应力线接触产生的扭矩作用下，容易在接触面上出现微小错位。整体式带柄滚刀通常用于加工蜗轮，要求滚刀直径与被加工蜗轮直径比较接近。经过优化设计的带柄滚刀最适合用于大批量、高效率加工。而大直径、大螺距齿轮（如卡车传动箱或矿山机械用的齿轮）通常是用带孔滚刀加工的。对于带柄滚刀和带孔滚刀而言，可缩短切削时间的影响因素包括提高进给率、滚刀速度和增加滚刀头数。滚刀设计者为了优化滚刀性能，尝试采用小直径滚刀，因为在给定的表面速度（sfm）下，滚刀的直径越小，切削速度就越高。由于带柄滚刀直径较小且无孔，与类似直径的带孔滚刀相比具有更大的长度，因而可获得更多的可移动切削区，并使滚刀每走刀一次可以切削更多工件。具有锋利切削齿的滚刀沿着其轴向移动进入切削区。格里森公司的设计经理Glenn Schlarb解释说，“带柄滚刀的高生产率是在每次走刀中沿着滚刀都有更多移动位置的结果，并且由于采用了具有高耐磨性的滚刀材料和刀具涂层，增加了滚刀的走刀次数，使每把滚刀可以加工更多的工件。”滚削加工既可使用也可不用冷却液。但是，许多用户更愿意采用干式滚削，因为它可以消除环境污染，并节省与处理冷却液相关的成本。为了在高速干滚削条件下保护切削刃，干式滚削要求滚刀采用具有高温稳定性和低热传导率的优质涂层。由于带柄滚刀采用了整体结构，并且将其安装在滚齿机上所用的零件也较少，因此其装配刚性优于带孔滚刀。滚刀可在安装于顶尖之间的状态下对其刃磨、安装和测量精度进行检测。与带孔滚刀相比，带柄滚刀消除了孔与心轴之间的累积径跳误差，以及由隔离件与安装螺母引起的摇摆误差。用于制造带柄滚刀的优质钢材牌号具有高耐磨性以及高水平的室温硬度和切削高温下的红硬性。虽然优质钢材和涂层比性能较低的材料成本更高一些，但可以制造出切削速度更高的小直径带柄滚刀，从而可缩短加工循环时间和降低每件加工成本。在适当的加工条件下，这种每件加工成本效益通常要大于每件刀具成本的增加，从而可以降低每件工件的加工总成本。在滚削加工中，采用合适的刀具涂层至关重要，它可以提高生产率和降低加工成本，在某些加工场合，可使刀具寿命提高一倍，不但能节省刀具成本，而且能减少换刀次数，缩短停机时间。欧瑞康巴尔查斯涂层公司（Oerlikon Balzers Coating）的技术主管Dennis Quinto博士指出，切削刃的制备对于涂层性能具有重要影响，而这通常是刀具性能一个未受到很好控制的因素。锋利的切削刃可以产生较小的切削力和较低的切削热，但涂层较薄，会增大切削刃崩刃的危险，因此只适合小进给率切削；经过钝化处理的切削刃上涂层较厚，具有更稳定的抗崩刃性，但产生的切削力也较大；经过倒棱和钝化处理的切削刃具有最稳定的抗崩刃性，因此非常适合硬脆刀具材料（如硬质合金）和大进给率切削。由于在滚削加工中，切削速度和切削深度应随着工件材料抗拉强度的增加而降低，因此选用合适的涂层可提高切削速度（在某些情况下还能提高进给率）。PVD涂层可对几乎所有滚刀提供保护。标准的TiN涂层对于采用润滑剂的低速滚削有效；TiCN涂层可以增加滚刀的硬度和耐磨性，适合加工磨蚀性工件材料；TiAlN涂层是为干式切削开发的，具有极好的韧性和耐高温性能。最近为干式切削开发的新型AlCrN涂层则具有更优异的耐磨性、耐热性和抗氧化性。
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