從加工挑戰探尋刀具未來的發展
近年來，金屬加工業發展迅速，其動力來自于多個方面。例如經濟的全球化、市場競爭的加劇、難加工材料的使用以及對環境問題的覺悟等因素。其結果是，刀具的最終用戶對刀具制造商提出持續改進的要求。金屬加工業的總趨勢是發展更多先進的加工工藝。雖然刀具發展史上具有劃時代意義的創造發明多數來自專門的科研機構，但是直接面對具體加工挑戰的是廣大的刀具制造商。因為刀具制造商處在開發新型刀具材料、刀具結構和加工方法的第一線。
本文將針對幾個方面的加工挑戰給出具體的案例，闡述刀具制造商如何在實踐中推進刀具的發展。
新材料的加工挑戰
粉末金屬零件是一種經濟型的替代方案。使用粉末金屬技術制成的零件具有許多獨特的優勢。粉末金屬技術使得被加工的復雜零件接近最終的尺寸和輪廓，從而明顯提高加工效率。通常所需要的只是一次精加工。另外，粉末金屬技術在零件內特意留出殘余孔隙度，這對于自潤滑、減輕重量和消聲等特性非常有利。某些復雜零件很難或不能采用傳統鑄造工藝制造，能很容易地使用粉末金屬技術進行生產。總之，粉末金屬技術提供了一個經濟的零件生產方法。那么，加工粉末金屬面對的挑戰是什么？
粉末金屬材料的加工難度常常被低估。由于粉末金屬材料往往是在一種軟的、有時為多孔結構中含有硬顆粒，加工人員常常被材料硬度值所誤導。顆粒硬度高達HRC70，而宏觀硬度低到HRC10。硬顆粒和多孔性會導致刀具切削刃的微觀疲勞。刀具的切削刃在切入切出時猶如是在顆粒和顆粒之間以及孔和孔之間穿行。反復的小沖擊導致切削刃上產生小裂紋。這些疲勞裂紋越來越大，最終導致切削刃微崩。這種微崩非常細微，以致于看上去就像正常的磨損。顆粒硬度和宏觀硬度之間的常見偏差意味著加工粉末金屬零件通就像是在加工一個砂輪。
粉末金屬零件的獨特性能和加工特性意味著增加耐磨性的高CBN含量和為了改善切削刃韌性的細顆粒度是加工的基本要求。CBN200刀片正是由CBN高含量的極細顆粒材料構成，正好滿足了這些要求。此外還有一種獨特的金屬粘合劑，從而使CBN200成為理想的加工解決方案。它極好的耐磨性和韌性對于最小化加工成本非常理想。
通過匹配倒角、寬度和切削刃研磨，我們已經強化了切削刃，并因此提高了刀具壽命，改善表面粗糙度和加工公差，使客戶獲得更高的生產率和可靠性。這種切削刃設計對于難加工的粉末金屬材料尤其適用。
汽車發動機缸蓋上的閥座是一個典型的粉末金屬零件，閥座孔的精加工用PCBN加工的刀具壽命是5000件，而用硬質合金刀具加工的壽命為300件，兩者的壽命相差十幾倍。PCBN等超硬刀具材料替代硬質合金刀具已經在越來越多的應用場合成為一種趨勢。
難加工材料斷屑的挑戰
鈦合金是眾人皆知的不良導熱體，也就是說高溫保持在切削點上，導致能產生焊接、粘結和擴散等合金化傾向，切削刃會很快被損壞。鈦合金的切削特性是產生一種薄的高速切屑，它很難被折斷成可控制的碎屑。通常，這種切屑將使傳統的冷卻傳輸系統偏移，導致切削點缺乏冷卻液，并損壞零件。使用大正前角且切削刃鋒利的傳統刀具可以使這些影響最小化，但是生成的長切屑很難控制。
為響應航空工業對改善鈦合金切削性能的需求，山高開發了Jetstream刀具。在解決把冷卻液精確地傳送到切削區這個老大難問題上，它是一種革命性的新方案。
Jetstream刀具的工作原理是把集中的冷卻液高壓射流以高速直達接近切削刃的最佳位置。這種冷卻液的射流把切屑抬離前刀面，改善切屑控制和刀具壽命，并能提高所應用的切削參數，而且不僅僅適用于航空材料。Jetstream刀具已經被證明對幾乎所有的材料組有效，而且冷卻液壓力的選擇范圍寬。
從切削區高效地散熱是影響刀具性能的最重要的因素之一。使用冷卻液來散熱的好處是清晰明了，直到現在冷卻液還簡單地被用在沖洗該區域。要讓冷卻液能真正地有效，它應該能把熱量從切削區迅速帶走，而定向的冷卻液流將冷卻液精確地送到需要的地方就會有效得多。
為了使刀片有效地工作，工件和刀片兩者都需要達到某一溫度水平。熱量太多的話，刀具壽命將縮短；熱量不足的話，切屑將不能正常形成。當切屑形成時，它所含的熱量需要被帶走。不能迅速帶走熱量導致一種延展性好的切屑，柔性好且不能折斷，而其自身的不斷卷曲使操作工操作起來十分不便。 nextpage
Jetstream刀具對于從切削區帶走熱量非常有效，使得切屑迅速冷卻，切屑的硬化使其變脆。由此得到的切屑易于折斷并能從切削區移除。
憑借Jetstream刀具，山高清楚了直接將冷卻液傳輸到刀具/工件接觸面這一理念的重要性。它用最小量的冷卻液，提供有效的冷卻，也使得切屑脆到足以更容易地折斷，從而允許提高切削速度并延長刀具壽命（歸因于減少加工硬化和溝槽磨損）。更不用說消除了停機時間和與纏結的長切屑相關的零件損壞。
在山高的試驗中，普通刀具以40m/min的切削速度、0.25 mm/rev的進給量和2mm的切削深度來生產Ti6Al4V零件，加工節拍為5min。而使用Jetstream刀具，可以把切削速度提高到80m/min，并將加工節拍縮短到3min，生產率提高了40%。
加工效率的挑戰
時代在變，日益增長的效率競爭要求有越來越高效的加工方法。高進給銑削是保持公司處于領先地位的關鍵。
高進給銑削實際上是一個為高金屬切削率開發的粗加工方法，用以提高生率和節約加工時間。把較淺的切削深度（不超過2mm）和大的切削圓弧半徑或者小的主偏角相結合，將切削力的方向朝著軸向的機床主軸。
這種銑削方法能夠取得比傳統方法快3倍的加工速度。它并沒有在切削時采用更大的切深（將縮短刀具壽命），而是從反方向進行。它把淺的切削深度和高的每齒進給量成對使用，保護了刀具。并且獲得比普通加工更高的金屬切除率。
這種方法具有很多優勢。例如，切削力在軸線方向上指向機床主軸；減少振動并進而延長刀具壽命；高進給銑削（HFM）方法利用較小的主偏角；使得徑向切削力最小化而軸向切削力最大化；減少振動的風險并獲得穩定的加工；當處于大懸伸加工時，這個方法甚至又能提高切削參數。
采用較小的切深和更快的每齒進給量進行加工，每分鐘可以去除超過1000cm3的工件材料。事實上，有時進給速度可以提高到常規值的10倍。而且即使它是一種粗加工方法，仍能獲得接近成品的外形。這使得用戶能跳過半精加工并直接進行最終的精加工。給每臺機床生產更多零件的可能性。
HFM方法對于型腔銑削非常有效，尤其是模具加工。除了型腔銑削，它還可用于平面銑削、螺旋插補銑削和插銑等加工方法。HFM方法已經被更多的機加工領域所采用，刀具制造商還在提高加工經濟性方面進行探索。除了最常見的三角形刀片，有4個切削刃的方刀片也已用于高進給銑刀。
加工經濟性的挑戰
方肩銑削在銑削加工領域占有很大份額。無論加工中遇到怎樣的困難，用戶都希望獲得一種既能提高生產率又能降低單件成本的經濟刀具的解決方案。多切削刃刀具已經存在，但是用戶還在尋求能夠提供最低每刃成本的刀具。
方肩銑削的經濟性還體現在以下方面。用戶希望第一次就實現真正的90°直壁，不必動用費錢耗時的另一個銑削加工。有些多刃刀具噪聲很大，振動劇烈，因此其表面粗糙度的效果不甚理想。需要低噪聲、低振動的銑削刀具，而且必須采用較小的公差刀片（周邊磨削）和刀片座。客戶需要高精度的刀具來實現最佳質量的表面粗糙度。減少不同刀具的庫存量有助于提高利潤。客戶需要可用于多種不同加工（包括平面銑削）的方肩銑刀。事實上，客戶希望得到一種用于普通加工的可靠、經濟高效、首選的解決方案。
山高刀具公司的Square-6產品是一款采用三角形刀片的獨特方肩銑刀。每個刀片有2個切削刃的Turbo旋風銑刀是一款最常見的方肩銑刀，它切削輕快，加工效率高。美中不足的是刀片的有效切削刃數量少，在談及經濟性時缺乏優勢。Square-6有6個切削刃，因此每個切削刃的成本低，非常經濟。刀片座的軸向前角為負，但是刀片上的正角切削刃能保證切削前角為正，因此可以確保高性能。Square-6具備3種不同刀片幾何角度和3種不同的齒距，這使得其能在廣泛的材料、加工和工況下都能提供同樣的高性能。 90°的主偏角確保只需一次加工就能得到真正的90°方肩，從而節約生產時間。帶涂層的刀體具有更長的刀具壽命。預硬的刀體和周邊精磨的刀片具有更好的精度，可靠性更高，也能夠提高所加工零件的精確度和公差。
三角形的方肩銑刀刀片有6個切削刃，增加了刀體的制造難度。常見的Turbo旋風銑刀片和方刀片都是單面刀片，分別由2個和4個切削刃。而Square-6的刀片是雙面的，對刀桿上刀片座的設計、制造提出更高的要求。但隨著制造技術的進步，其加工也不成為一個難題。所以，隨著制造技術的不斷進步，類似于Square-6這種注重經濟性的產品將會不斷出現。
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