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[其他] 实现更好的螺纹车削加工

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发表于 2015-10-26 11:41:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
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实现更好的螺纹车削加工

实现更好的螺纹车削加工

        图1  CoroThread 266螺纹车削系列刀具方案

        在螺纹车削加工中,可转位刀片的微小位移是影响切削性能的主要原因之一,从而使刀具寿命缩短。随着可转位刀片技术的突破,刀片能够稳固地定位于刀片座中,大大改善切削刃的稳定性,进而有效缩短加工循环时间,提高生产效率。
        目前,在数控车床上进行螺纹车削十分常见。与其他车削工序相比,进行螺纹车削需要考虑的因素更多,但其加工难度并没有提高。正确地选择刀具和应用技巧,能够确保带有螺纹的工件实现高精、高效加工。
        鉴于螺纹本身构造的特点,需要使用与螺纹角度、圆角半径等基本相同的成形切削刃对螺纹进行加工,同时,无论是加工细牙螺纹还是粗牙螺纹都需要应用非常大的进给。很多螺纹具有严格的质量要求,要求较高的精确度和加工一致性。还有一些是在难加工材料上进行螺纹加工。螺纹车削的最终结果和加工成本直接取决于机床、配置、工件、刀柄、可转位刀片、加工方法及编程和切削参数之间的联系,而切削刃的不稳定性,被认为是对理想加工结果的最大威胁。要实现良好的螺纹车削,可以对螺纹车削工序进行优化,使其达到更高的生产效率水平。
        螺纹车削性能的影响因素
        在螺纹车削中,导致加工结果不理想的原因大多在于对常见金属切削基本因素的疏忽,例如,刀具悬伸的最小化、刀具稳定性的最大化、切削刃的中心高、适合切削参数的应用以及选择适合的刀具和加工方法等。另外,还包括每次走刀的切削深度、径向进给的方法以及为了获得足够的后角而设置的刀片倾斜角度,这些因素仅在螺纹切削中会出现。
        螺纹的最大特征是螺纹牙形,其误差也是螺纹切削中导致质量不合格的常见原因。出现这种情况,意味着切削刃的使用寿命过早地结束了。到目前为止,形成不正确螺纹牙形的主要原因之一是,刀片在刀柄上缺乏稳定性,刀片的微移动会导致多种不利后果,如切削刃的破损,尤其是刀尖处的破损,从而使刀具寿命缩短。对此,可以选择替代的夹紧螺钉改善稳定性,即用T-Max U型螺钉代替快换螺钉,但这仍难以保证刀片在刀片座上的完全固定。
        螺纹车削中,每次走刀的开始和结束意味着切削力的大小和方向有突然的变化。此时,形成加工工序过程中最敏感的移动,也最容易受到刀片位移风险的影响。切削力作用于刀片螺纹牙形的顶端形成杠杆作用,迫使切削刃轻微地改变位置,并且使刀片座中的支撑点变形。同时,每次走刀开始和结束时会产生交变的轴向力,而在切入后的切削过程中则保持相对的稳定。
        不同螺纹类型的变化意味着切削力在方向及大小上的变化,但是刀片尺寸没有必要随螺纹牙形的变化而变化,从而使其在刀片座提供不同的支撑程度。另一方面,相同的刀片尺寸用于加工不同的螺距,意味着加工较大螺距的刀片与加工较小螺距的刀片相比没有更多的支撑。如果刀片尺寸随螺纹牙形和螺距的变化而变化,那么刀片和刀柄规格不得不变得更大。
        切削刃位移的主要后果是,加工出超出公差的螺纹和刀片切削刃线的微小破裂。如果在加工出不合格的螺纹后不停止使用刀具,那么刀具磨损将会加剧。切削刃的磨损,会产生更大的切削力,并出现更严重的切削刃位移,从而加速刀片的断裂。事实上,因位移而更换螺纹车削刀片的情况比因实际刀具磨损而更换的情况更多。对于一些螺纹来说,螺纹牙形的精度比其他因素更重要。螺纹的类型、用途和其他限制决定了是需要M级公差还是E级公差的可转位刀片。
        刀片定位的另一个重要因素是转位精度。为了避免耗时的机床设置,并尽量减少或消除报废零件的产生,刀片在刀柄中简易且精确的定位至关重要,同时,应尽可能地避免在两次走刀之间转位刀片。
        螺纹车削的生产效率在很大程度上与螺纹车削刀具加工完成螺纹所需的走刀次数相关。 如果走刀次数太多,切削深度会很小,从而造成过度的刀具磨损和摩擦热,导致快速的后刀面磨损和塑性变形。小切深也经常会对切屑成形造成不利影响,生成薄且难以控制的切屑。较少的走刀次数需要应用更大的切削深度,但是切削刃要承受更多的载荷。应优化走刀次数,缩短加工螺纹全长所需的时间,并改善进给量。大切深产生更高的切削力,会增加刀片在刀座中发生位移的趋势,更需要刀片的可靠定位。
        螺纹的另外一个典型参数是螺距,并且它在某些情况下可能是导致零件误差的原因。大多数螺距误差来自数控系统,当消除了任何关于机床、控制装置、设置和编程的误差时,可转位刀片在刀柄中的稳定性以及进给方法这两个因素可能会影响到螺距。螺距是一个零件设计方面的因素,通常情况下细牙螺纹对公差要求更严格,就切削而言,每毫米或英寸加工的螺纹数(进给率较小)越多,加工需要的时间越长。螺纹的螺距越大,则需要的进给率越高,并会产生更大的切削力,需要非常稳固的刀片定位。
       

实现更好的螺纹车削加工

实现更好的螺纹车削加工

        图2  带有新的PVD涂层的刀片

        实现刀片的整体稳定性
        螺纹车削刀片在刀片槽中定位和锁紧的质量对实现高生产效率、安全操作和一致的零件质量起到决定性的作用。过去的刀片锁紧和定位方案,在很多情况下不可能把刀片紧固在刀片槽中。iLock解决方案的开发,将车削和铣削工序中的安全性、刀具寿命以及实现更高生产效率等方面引领到一个新的水平,大大提高了刀片定位和锁紧质量。就螺纹车削而言,CoroThread 266体现了iLock解决方案的几大优点,即使在加工过程中产生很大的切削力以及刀片转位的情况下,都能使刀片精确而稳固地固定在刀座中(见图1)。
        CoroThread 266螺纹车削系列与传统的刀片夹紧系统相比,能满足更高稳定性的要求。刀垫对螺纹车削工序是非常重要的,因此对刀垫进行了全新设计,为刀片在刀柄中的固定提供了安全的基础。依靠刀片座中两个牢固的接触面以及从侧面紧固刀垫的螺钉,刀垫为刀片提供了必须的紧固和精确的定位。刀垫带有一个突出的轨道形iLock接口,相对应的刀片被安全、准确地定位在这个轨道上。由于iLock定位轨道垂直于进给方向,因此在加工过程中切削力始终由固定刀片的轨道所承受,这样刀座中的任何刀片支撑点处都不会存在受损风险。
        此外,CoroThread 266可以达到很高的重复定位精度,使用M级公差刀片可保证轴向精度(进给方向)±0.05 mm;E级公差刀片确保±0.01 mm。iLock轨道保证刀片的快速转位和操作方便,而定位方法对性能起到决定性的作用。锁紧轨道的形状和位置是经过多方面综合考虑开发的,在刀垫和刀片之间确定精确的支撑点,并通过全新的刀片制造技术使支撑点保持一致,可有效地改善夹持。
        应用正确的刀片材质提高刀具寿命
        螺纹刀片的切削刃最易受损,刀片需要具有足够的硬度和抗磨损性,并保证切削过程中不出现脆裂而导致切削刃破裂。现代螺纹车削中,往往会在切削刃部位产生相当大的热量,要求刀片必须具有较强的抗塑性变形能力。如果发生塑性变形后仍继续使用,会出现快速的后刀面磨损,甚至出现刃口崩裂。
        切削刃出现塑性变形是螺纹车削中通过提高切削速度来提高效率的最大障碍。不合适的刀片材质会使切削刃快速失效而加工出不合格的螺纹,随后出现切削刃断裂。锋利的涂层刀片在高压下具有涂层剥落的风险,尤其是当切削刃只有很少一部分参与切削时。一般而言,应用合适的走刀次数,在可预计的刀具使用寿命期间获得均匀的后刀面磨损是螺纹车削中希望获得的最理想状态。另外,刀片还需要具有一定的强度,以应对加工中的机械载荷,尤其是在刀片牙形的顶部圆角部位,这就要求将韧性作为刀片材质特性的一部分。对于内螺纹加工而言,这一要求更加明确。内螺纹加工工序总是伴随着刀具的振动、让刀以及排屑的问题,因此适合的材质韧性对性能和可靠性起着决定性的作用。
        提高生产效率的全新解决方案
        PVD(物理气相沉积)涂层材质为螺纹切削提供了最佳的切削刃。全新的研发成果使应用更高的切削参数以及获得更长的、可预测的刀具寿命成为可能,为进一步优化螺纹加工提供了方法。
        细晶粒刀片基体技术的最新发展为需要锋利切削刃的应用场合,比如螺纹车削、切槽和切断,以及整体硬质合金铣刀,提供了具有高红硬性,极具抗塑性变形能力的独特基体。GC1125是一种新的PVD涂层材质,是针对钢件螺纹车削的优化材质,可通过使用更高的切削速度来提高生产效率(由于刀片材质的限制,以前通常是最后采用的提高生产效率的手段)。GC1125基体具有极高的硬度,没有应用梯度烧结技术,但仍具有一定的韧性,能够获得足够的切削刃强度(见图2)。
        GC1125的PVD涂层是一种新型的多层TiAlN涂层,与切削刃ER处理和刀片的槽形可实现完美的配合,可提供很高的切削刃安全性。如前文所述,刀片的顶部圆角部位更容易受到塑性变形的影响,加工螺纹牙顶的刀片底部经常因涂层剥落和出现积屑瘤而磨损。GC1125的研发着重于应对这些问题,同时也具有很好的抗后刀面磨损性能。它是通用的螺纹车削材质GC1135的补充,是很多工序的生产效率优化选项。其他可选的螺纹刀片材质包括具有非常锋利的切削刃的非涂层材质H13A,用于耐热合金、钛合金和某些铸铁。
        CB20/CB7015是立方氮化硼材质,用于淬硬材料的螺纹车削。
        当涉及精密的螺纹加工时,需要广泛考虑到对刀片产生威胁的因素。与传统的刀片夹紧和材质解决方案相比,CoroThread 266的稳定性与GC1125材质的完美组合进一步改善了螺纹车削的加工结果。
        进行螺纹车削的注意事项
        1.确定最佳走刀次数,利用刀具的性能优化生产效率,按照推荐值以等切削面积或等切深原则进行优化加工。
        2.确保切削刃位于正确的中心高度,刀具已进行精确定位。
        3.根据螺距、螺旋升角和螺纹直径,确定使用正确倾角的刀垫,以获得足够且均匀的后刀面间隙。
        4.利用先进刀片材质所带来的高切削速度的潜力,优化加工性能。
        5.采用适合于加工工序的刀片槽形,确定最好的进给方法。
        6.确保进给方向、右手型/左手型刀片和右手型/左手型螺纹的正确组合。确定切削力方向以加强支撑,确定螺旋角以获得足够间隙。
        7.确保从机床到切削刃的整个系统具有最佳稳定性。
        8.检查直径公差,确保其不会过大。用全牙型刀片时,将螺纹外径留0.1~0.15 mm加工余量。
        9.检查CNC编程,排除任何影响加工稳定性的因素。
        10.观察刀片上的磨损形状,并进行相应选择/调整。
        11.如果刀片出现任何微移动的状况,使用T-Max U螺钉代替快换型螺钉对刀片进行夹紧,更好的办法是使用CoroThread 266系统进行优化。
        12.使用CoroThread 266时,应密切关注并及时改进稳定性缺陷,以达到最佳结果。
        13.考虑利用新型、更硬的材质GC1125进行优化,以获得更高的生产率和更长、更容易预测的刀具寿命。
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