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带圆刀片的旋转刀片式刀具如镗、铣类刀具,其刀片可在切削力作用下旋转。数十年来这种结构的刀具多少受到一些冷落。现在,却正在得到汽车工业和其他制造业的表睐。
按照lamb technicon 加工系统公司研究和新品开发部主任jairam manjunathaiah的看法,旋转刀片式刀具在制造业中突然重新出现,其主要原因,是汽车发动机缸体新材料发展的需要。从历史上看,铸铁材料之所以曾被选为汽缸体和缸盖材料是由于它兼具有强度、可铸性、阻尼性和导热性等多种特性,尽管如此,人们一直在进行着新材料的开发研究,以求取代传统的铸铁。现今,高强度合金铸铁和球墨铸铁已被广泛用作普通灰铸铁的换代材料,特别在柴油机制造中如此。而新近才在柴油机上推广的一种新材料叫做蠕墨铸铁(cgi)。
cgi在组织结构和性能方面,介乎灰铸铁和球墨铸铁之间。例如:它具有较高的强度和弹性模量,但阻尼性、导热性和可铸性逊于灰铸铁。欧洲汽车制造商已经将cgi材料用于几种汽缸体生产,而美国汽车制造商则还正在研究这种材料的使用,主要着眼于减少发动机排放量和提高其输出功率。但是,cgi材料具备的高强度和耐磨性,在带来一系列好处的同时,也增加了加工的困难。尽管现在刀具的性能已有很大进步。但仍不能xx满足市场对其在加工质量和效率上的需求。
一项关于cgi材料高速连续切削的研究表明,此时硬质合金刀具的寿命还不到加工灰铸铁时寿命的10%。刀具寿命急剧下降的原因,通过最近的一项研究认为:可能是由于灰铸铁含有过量的硫,从而加工中在刀具表面形成了约5μm的硫化锰(硬质合金刀具)薄层,它起到保护刃口和增加润滑的作用。而cgi材料加工时并不在刀具上形成这种薄层。
旋转式刀片已有大约50年的历史。刀片装在径向和止推轴承上,保证其自由转动。这种旋转使加工过程形成斜切作用,并使金属切除过程中的切削刃接触区不断变化。从而降低了温度,同时使磨损沿整个切削刃圆周均匀分布,提高了刀具寿命,还降低了切削力和功率消耗,改善了表面粗糙度。
但长期以来,由于种种原因使这种刀具的使用受到了限制,首先是轴承系统的问题使刀具可靠性下降;其次是夹持刀片的刀夹尺寸过大;还有刀具和刀片的初始成本较高以及刀具设计缺乏有效的解析工具等。
据rotary technologies公司副总裁介绍,上述种种问题,现在都有把握加以解决。大约在9~10年前,该公司为sr-71黑鸟(美国一种高空高速侦察机——译注)的钛合金零件,设计旋转刀片的加工刀具时,确实存在轴承系统的问题。刀片转动时,若传入热量较多,就会卡住。后来,公司采取措施改进了轴承材料,并开发出一种专门的耐高温油脂专用于轴承润滑。
通过这一系列开发研究,公司最终制成了一种紧凑型刀夹系统:它由刀夹的定子及在其上的止推轴承和滚针轴承组成,从而促证刀夹的转子在切削力作用下旋转。刀片装在转子上,由螺母固定。定子底部制成燕尾状以保证其在刀具上的移动导向,并藉夹紧机构固定在所需位置上。刀夹采用o型密封圈防止轴承被冷却液或切屑污染。
rotary technologies' patented system uses thrust and needle bearings to allow insert rotation under the action of cutting forces. a dovetail on the bottom of the stator allows the cartridge to be locked in place in the cutter, and the entire cartridge is sealed using o-rings to prevent contamination.
上述改进后的刀具目前运行十分良好。在某汽车厂用非涂层硬质合金刀片加工铸铁缸体时,切削速度76m/min,寿命达到40000件/切削刃。实际上初次试验时寿命达79,000件。因为用户担心轴承烧坏,所以决定每4o,ooo件换一次刀。其他切削参数为:切深2mm,切削速度76m/min,刀盘直径355mm,装有18个带轴承的刀灭。
在上述例子中,加工铸铁采用硬质合金刀片的情况己经较少。目前约有90%的铸铁件加工采用氮化硅(si3n4)陶瓷。氮化硅能起到热屏障的作用,阻止切削热传入刀夹轴承。而硬质合金刀片则无热障作用,故会传入大量的热。采用陶瓷刀片加工铸铁的另一个优点是可以干切削。铸铁件加工通常都采用干切削。在机床运转速度较高时,陶瓷刀片是{wy}可行的选择。若采用冷却液,则工作区域必须做到充分冷却。在铁削钛合金起落架部件时,冷却液压力达到6.9mpa,由主轴喷向切屑形成区域。这种冷却条件能保证加工钛合金时,旋转刀片的刀具工作良好。
必须指出 使用陶瓷刀片时,冷却液必须确保充分。时断时续会导致力片热裂。
由于动漫下载的轴承是密封的,所以使用冷却液不成问题。只有在刀具或刀夹全部浸入液体时,才会影响o形密封圈的密封性。