用自旋转刀具高速加工CGI铸铁

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    戴姆勒-克莱斯勒发动机厂从2000年初开始使用自旋转刀具,在此之前,该厂已对这种刀具进行了几年的试验与评估。多年来,自旋转刀具的刀夹轴承 发热及润滑问题一直困扰着技术人员。随着新的刀夹轴承材料及润滑脂的出现,加工灰铸铁时的刀夹发热问题得到了较好解决,但在加工CGI铸铁时仍存在少量的 刀夹发热现象,采用逆铣法则可较好解决这一问题。逆铣加工时,刀具以较小的切入角(如15°)进入切削,切削过程中,切屑厚度由零逐渐增至最大,这与加工 发动机壳体通常采用的顺铣法正好相反,顺铣的切入角较大(如90°),切入时的切深最大,切削过程中切屑厚度逐渐减小直至为零。对于常规刀具而言,逆铣法 对刀具寿命不利,由于刀具向前移动和旋转,刀片底部始终与工件发生摩擦,易造成发热和磨损。但是,逆铣对于自旋转刀具加工则比较有利,因为它可以延长刀夹 轴承的寿命,此外,逆铣对于加工发动机壳体的复杂型面(包括薄壁截面)也很有好处,有助于减轻对工件的冲击振动,从而获得较好的加工表面粗糙度。较小的切 入角也十分重要,因为自旋转刀具最常用的Si3N4陶瓷刀片在切削冲击作用下比硬质合金刀片更易发生破损。
    目前,Lamb公司的技术人员正致力于减小自旋转刀具的刀夹尺寸,现已初步设计出一种将直径减小到约15.24mm的新型刀夹,这种小尺寸刀夹可 允许在同一刀体上布置更多刀片。按原来的自旋转镗刀及其刀夹设计,可加工的最小孔径为76.3mm,很难用于镗削汽缸孔以外的其它加工场合,刀夹尺寸减小 后,即可实现对更小孔径的切削加工。对于自旋转铣刀,新设计的刀夹尺寸仅为原刀夹的一半左右,因此可在相同直径的刀体上增加刀片数量,从而增大切削工件的 进给率。这种新型刀夹的开发可大大拓宽自旋转刀具的应用范围。在航空航天业,需要加工大量钛合金零件,且较多采用端铣方式,通过开发小直径刀夹,可设计出 小到38mm的小直径自旋转端铣刀。通过进一步开发具有正前角或正/负前角的自旋转刀具,还可将自旋转刀具的应用范围扩展到钢件和铝合金工件的高速加工。 
    许多人认为自旋转刀具的使用、维护和保养费时费力,但事实并非如此。除清洁刀夹外并不需要做大量维护保养工作,在更换刀片和清洁刀夹后只需通过刀具背后的小孔加入润滑脂即可。对一把直径254mm的13齿自旋转铣刀进行换刀安装耗时不到半小时。
    Lamb公司表示将进一步改进自旋转刀具系统的结构设计,例如新的结构将无需再对刀夹轴承加注润滑脂。此外,公司将对高速铣削CGI铸铁时刀片受 热冲击作用产生的微裂纹进行深入研究。当铣刀片在常温下切入工件材料时,其温度急升至约480℃,然后在空气和切削液作用下迅速冷却,此时刀片极易产生热 裂纹。虽然刀片制造商开发了耐热性能好的硬质合金和Si3N4陶瓷刀片,但用自旋转刀片高速切削韧性较好的CGI铸铁时,仍可能产生热裂纹。
    目前,Rotary Technologies公司拥有用自旋转刀具加工非CGI材料(包括加工发动机壳体)的技术专利;而Lamb公司在 Rotary Technologies公司协助下正致力于自旋转刀夹系统的应用,并在全球唯一拥有应用自旋转刀具铣削和镗削CGI铸铁材料的技术专利, 因此,此项加工技术目前仅在Lamb公司制造的机床上应用。
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