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切斷與割槽藝術(shù)
眾所周知，切斷和割槽工藝與普通車削操作具有相同的基本目標(biāo)，即將工件加工成所需的形狀，滿足精度要求，并最大限度地提高生產(chǎn)率。然而，除此之外，切斷和割槽應(yīng)用在刀具強(qiáng)度和剛度以及切屑控制方面還有自身的特點(diǎn)。刀具制造商只有采用創(chuàng)新的刀具設(shè)計(jì)和高級(jí)冷卻液輸送策略，才能滿足切斷和割槽工藝的特殊需求。
刀具設(shè)計(jì)技巧
如同普通車削操作一樣，切斷和割槽工藝也是使用靜止的刀具來切削旋轉(zhuǎn)的工件。首先要考慮的事項(xiàng)是配置刀具系統(tǒng)，以便產(chǎn)生所需的工件形狀。因此，切斷和割槽刀具系統(tǒng)的設(shè)計(jì)因工件的尺寸和深度而有所不同。例如，對(duì)于在大型工件上進(jìn)行深割槽和切斷加工，以及在小型工件上進(jìn)行淺割槽和切斷加工，刀具制造商將提供直接夾在刀柄中的、采用平裝或立裝配置的切斷和割槽刀片。
其中一個(gè)例子是山高全新系列的星形立裝設(shè)計(jì)刀片，該刀片具有四個(gè)切削刃，因而稱為 X4 系列。這款刀片的切削寬度介于0.5 mm 至 3 mm (0.02" – 0.12")之間，旨在最大限度地減少切斷期間的材料消耗，并能夠精確地對(duì)小型和中型復(fù)雜工件進(jìn)行割槽和仿形加工。根據(jù)切削刃寬度的不同，刀具的最大切深介于 2.6mm 至6.5mm(0.10" 至 0.26") 之間，而可切斷棒料的最大直徑介于 5.2 至 13 mm(0.20" 至 0.52")之間。刀片的立裝設(shè)計(jì)可將切削力導(dǎo)向刀柄，從而最大限度地提升剛度、穩(wěn)定性和生產(chǎn)率。
在確定刀片的基本形狀后，對(duì)切削刃前角的選擇成為了切斷和割槽成效的關(guān)鍵因素。零度前角刀具可以實(shí)現(xiàn)與工件的垂直對(duì)齊，并將切削力直接轉(zhuǎn)移到刀柄，從而提高精度、刀具壽命和表面粗糙度。然而，在切斷完成后，零度刀具會(huì)在所切斷的棒料中心留下細(xì)小的突起或尖頭。如果不想留下突起，則應(yīng)使用具有較小前角的刀具，以在其通過工件中心時(shí)切斷突起。此外，在某些工件材料中，前角刀具不容易產(chǎn)生毛刺。
在設(shè)置基本刀具配置后，工件的材料屬性通常決定了最適合加工該工件的刀片型號(hào)。難以加工的工件材料或斷續(xù)切削通常應(yīng)使用具有較高強(qiáng)度和抗沖擊性的刀片型號(hào)，而高磨蝕性工件則需要使用專為耐磨性設(shè)計(jì)的刀片型號(hào)。
刀具應(yīng)用建議
對(duì)于切斷和割槽刀具，有一些特定的設(shè)置建議。在安裝刀具時(shí)，應(yīng)注意使刀片與工件的軸線真正垂直。這可最大限度地降低刀具上的軸向力，并防止摩擦刀片的側(cè)面。對(duì)于刀具位置，切削刃的中心高度應(yīng)盡可能接近工件中心，偏差應(yīng)在 +/- 0.1 mm/0.004" 以內(nèi)，這也是為了防止對(duì)刀具施加過大的壓力，以免刀具壽命縮短。
切斷和割槽刀具的切削參數(shù)與普通車削有所不同。如果主軸轉(zhuǎn)速恒定，則當(dāng)切斷刀具到達(dá)棒料的中心時(shí)，其切削速度會(huì)降低至零。放慢的速度會(huì)對(duì)刀具形成沉重壓力，并可能導(dǎo)致工件材料黏附在切削刃上。因此，應(yīng)在刀具接近零件中心時(shí)降低進(jìn)給率(最多 75%)。此外，可調(diào)整切削速度以最大限度地減少振動(dòng)。切斷和割槽工藝中使用的刀片通常為窄刀片，這往往會(huì)導(dǎo)致切削不穩(wěn)定。因此，盡可能將刀片固定到最短的刀桿中，并且在不妨礙工件的前提下將其安裝在最粗的刀桿中夾緊，這些措施也有助于控制振動(dòng)。確保機(jī)床本身的剛度(這在任何加工操作中都是必須的)同樣有助于減少不需要的振動(dòng)。
切屑控制難題
切斷和割槽工藝的特點(diǎn)是切削區(qū)非常狹窄，這給加工期間產(chǎn)生的切屑控制帶來了難題。特別是在切斷工藝中，刀具在切削時(shí)兩側(cè)被工件材料包圍，限制了切屑的排出路徑。最后，根據(jù)工件材料的不同，切斷和割槽工藝中產(chǎn)生的薄切屑往往不會(huì)折斷。失控的帶狀切屑可導(dǎo)致切屑堵塞、損傷工件并危及操作員的安全。不僅如此，切屑控制問題也會(huì)妨礙無人值守或“全自動(dòng)化”加工的實(shí)施。
許多用于切斷和割槽的刀具采用了專門設(shè)計(jì)的切削刃槽型，以便彎曲并折斷切屑。如果表面粗糙度和其他條件允許，可在切削期間暫停刀具進(jìn)給(也稱“暫留”)，從而有助于折斷切屑。另一種切屑控制方法是使用冷卻液來沖掉可能堵塞切削區(qū)的切屑。然而，傳統(tǒng)的澆注冷卻液通常無法在切斷和割槽應(yīng)用中產(chǎn)生足以到達(dá)切削區(qū)的壓力。不僅如此，澆注冷卻液噴嘴的位置也難以確定，無法使冷卻液流向最需要的部位。最后，相對(duì)較弱的澆注冷卻液流可能在切削區(qū)轉(zhuǎn)化為蒸汽，這實(shí)際上形成了一個(gè)隔離層，致使切削過程中產(chǎn)生的熱量無法散發(fā)出去。
澆注冷卻液的一種替代方案是在盡可能貼近切削刃的情況下高壓噴射冷卻液。如今的機(jī)床冷卻液泵通常可提供 20 bar (290psi) 至 70 bar (1015 psi) 的壓力。舉例來說，山高的冷卻液輸送系統(tǒng)具有廣泛的適用性，其操作壓力范圍既可低至 5 bar(72 psi)(可能會(huì)影響生產(chǎn)率)，也可高達(dá) 70 bar (1015 psi)，甚至達(dá)到 275 bar (4351 psi) 的高壓。
為了獲得最佳效果，高壓冷卻液必須定點(diǎn)輸送，并盡可能靠近切削區(qū)。刀具制造商已開發(fā)出眾多高壓冷卻液輸送系統(tǒng)。一種流行的做法是通過刀片來輸送冷卻液。然而，最有效的冷卻液流可在刀片前刀面切削區(qū)和切屑之間產(chǎn)生一個(gè)“楔塊”，從而提升并折斷切屑。顯而易見，當(dāng)通過刀片輸送冷卻液時(shí)，難以將液流導(dǎo)向最佳位置，無法產(chǎn)生楔塊。而這不足以使冷卻液進(jìn)入切削區(qū)的附近區(qū)域，為了形成楔塊，液流必須盡量靠近并導(dǎo)向切削刃。
因此，山高開發(fā)了一套稱為 Jetstream Tooling® 飛流刀具的冷卻液輸送系統(tǒng)，可通過位于刀柄中的導(dǎo)流器來導(dǎo)向高壓冷卻液。導(dǎo)流器的小孔可產(chǎn)生猛烈的高速冷卻液流，穿透并潤滑工件和刀具切削刃之間的高摩擦區(qū)。最近，在一項(xiàng)旨在困難工況下控制切屑的創(chuàng)新中，公司將名為 Jetstream Tooling®Duo 的技術(shù)應(yīng)用于 X4切斷和割槽刀桿。這種方法可從兩個(gè)出口輸送冷卻液。除了噴向前刀面最佳加工點(diǎn)的上部噴嘴外，全新的Duo技術(shù)采用一個(gè)額外的冷卻液噴嘴來沖洗間隙面。切削刃從兩個(gè)相反方向(上方和下方)接受高壓冷卻液，從而最大限度地控制切屑流并冷卻切削區(qū)。
專業(yè)化切削要點(diǎn)
對(duì)難加工的工件材料(如鈦合金和不銹鋼)進(jìn)行加工時(shí)，切屑控制尤為關(guān)鍵。這些材料具有高強(qiáng)度以及高耐熱和耐磨性，通常用于生產(chǎn)航空航天、發(fā)電和醫(yī)藥行業(yè)中的高價(jià)值零件。但正是這些特點(diǎn)，讓這些材料成為關(guān)鍵應(yīng)用中絕佳選擇的同時(shí)，也降低了材料的可加工性。要實(shí)現(xiàn)斷屑，切屑應(yīng)吸收切削期間產(chǎn)生的熱量并被軟化，但鈦合金是一種導(dǎo)熱性極差的材料，會(huì)產(chǎn)生難以折斷的堅(jiān)韌切屑。
具有較大正前角的鋒利刀具可以高效切削鈦合金等材料。然而，為了控制切屑和最大限度地提高生產(chǎn)率，通常會(huì)需要使用高壓冷卻液輸送工具。通過定點(diǎn)輸送冷卻液流并在刀片前刀面和切屑之間形成楔塊效應(yīng)，切屑可折斷成更小、更易于管理的片段。
迎難而上
切斷和割槽工藝是車削操作的重要組成部分，同時(shí)也帶來了許多獨(dú)特的挑戰(zhàn)。由于這些工藝的切削區(qū)較為狹窄，因此必須仔細(xì)考慮基本刀具形狀、槽型、刀片材料，以及設(shè)置細(xì)節(jié)和切削參數(shù)。在任何機(jī)加工操作中，切屑控制都是一個(gè)需要考慮的問題，但在狹窄的空間中，如果切削作業(yè)產(chǎn)生的切屑較薄且難以折斷，則切屑控制就變得更加關(guān)鍵。刀具制造商已開發(fā)出了切屑控制槽型，可幫助解決這一問題。另外，暫停進(jìn)給等切削策略也可對(duì)此有所幫助�？刂魄行嫉囊环N絕佳方法是定點(diǎn)輸送高壓冷卻液。無法控制的切屑需要操作人員一直在旁監(jiān)控，因此，持續(xù)切屑控制的主要優(yōu)勢便是可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化/無人值守的加工操作。與其他加工工藝一樣，冷卻液也能在切斷和割槽工藝中提供相同的優(yōu)勢，包括刀具壽命延長和/或切削參數(shù)增加。總之，借助當(dāng)今切斷和割槽加工的刀具、技術(shù)和創(chuàng)新，用戶能夠在這一專業(yè)但重要的加工工藝中最大限度地提高生產(chǎn)率。
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