探寻更好的螺纹车削性能

2011-05-26山特维克可乐满

世界制造技术与装备市场 2011年3期

关键词：走刀螺距切削力

山特维克可乐满

探寻更好的螺纹车削性能

Locating better thread－turning performance

山特维克可乐满

在螺纹车削加工中，可转位刀片的微小位移是导致问题出现的主要原因之一。切削刃在切削过程中的轻微移动往往会导致过短的刀具寿命、不一致的性能表现等不能令人满意的加工结果。

但是，最近可转位刀片技术有了新的突破，能够使刀片稳固地定位于刀片座中，实现了切削刃稳定性的惊人改变。

该技术上的突破为更硬、更耐用的刀片材质的应用开启了一扇大门，可靠地缩短了加工循环时间，提高了生产效率。

一、螺纹车削的潜在改进方面

在螺纹车削中，导致性能不佳和加工结果不理想的许多问题，通常起因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，仅在螺纹切削中会出现的其他因素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——要根据由螺纹直径和螺距决定的螺纹螺旋升角来设置。

螺纹的最大特征是其螺纹牙形。螺纹牙形的变化极大地丰富了当今螺纹的类型，其中有一部分用于特定用途。螺纹牙形误差也是螺纹切削中导致质量不合格的最常见原因，也可能是由于公差或表面粗糙度的偏差所导致的。当出现这种情况时，也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，从而使刀具寿命缩短。其中一个主要的不利后果就是切削刃的破损，特别是在刀尖处的破损。通常可以通过选择替代的夹紧螺钉，在一定程度上改善稳定性——用T－Max U型螺钉代替快换螺钉的应用。但是直到目前，仍然难以解决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。在螺纹车削的过程中，在每次走刀的开始和结束时产生交变的轴向力，而在切入后的切削过程中则保持相对的稳定。不同方向施加在刀片上的切削力形成来回移动刀片的趋势。

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着螺纹牙形的变化而变化，从而在刀片座提供不同的支撑程度。另一方面，相同的刀片尺寸会用于加工不同的螺距，这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。如果刀片尺寸随着螺纹牙形和螺距的变化而变化，那么刀片和刀柄规格将不得不变得无法想象的大。

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。由于切削刃的磨损，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，螺纹牙形的精确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。某些应用场合例如油气行业的密封螺纹对螺纹精度的要求就非常高，极小的公差要求使用精磨的可转位刀片。为获得一致的高质量螺纹，保证切削刃的精确位置具有决定性的影响。

刀片定位的另一方面就是转位精度。为了避免耗时的机床设置以及尽量减少或消除报废零件的产生，刀片在刀柄中的简易而精确的定位是很重要的。通常情况下，由于在螺纹表面上有出现阶段的风险，因此应尽可能地避免在两次走刀之间转位刀片。如果在两次走刀之间需要进行刀片转位，那么刀片的精确定位对于获得可接受的加工结果是关键。考虑到对机床停机时间的影响，在两次走刀之间的快速而简易地进行刀片转位也是很重要的。

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。小切深也经常对切屑成形造成不利的影响，生成薄而难以控制的切屑。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。通过优化走刀次数，缩短加工螺纹全长所需的时间并改善吃刀量。大切深产生更高的切削力，从而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，由于每毫米或英寸更多的螺纹数（进给率较小），加工细牙螺纹需要花费更长的时间。螺纹的螺距越大，则需要更高的进给率，并会产生更大的切削力，也就需要非常稳固的刀片定位。

二、解决方案——实现刀片的整体稳定性

因此，基于诸多原因，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。采用过去的刀片锁紧和定位方案，在很多情况下都不可能把刀片紧固在刀片槽中。定位方法、刀垫的夹紧和简易的转位等要求意味着妥协，刀片制造方法的限制也妨碍实现非传统解决方案的可能性。

iLock解决方案的开发大大提高了刀片定位和锁紧质量，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。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切削力的情况下以及刀片转位，都可使刀片精确而稳固地固定在刀座中。由于任何微小的不稳定性都会对螺纹车削过程产生影响，因此这对螺纹车削来说是一个重大的突破。

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。刀垫对于螺纹车削工序是非常重要的，因此对刀垫进行了全新设计，可为刀片在刀柄中的固定提供安全的基础。通过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。

刀片夹紧螺钉把刀片紧固在轨道上并在径向上与刀体一个接触面相靠，提供了很高的稳定性和准确的定位。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。

对精度而言，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开发的结果，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，由于刀片在刀柄中的夹紧具有较高的一致性，因此也能改善夹持。

三、应用正确的刀片材质提高刀具寿命

由于螺纹刀片的切削刃是最易受损的部位，刀片需要具有足够的硬度以及抗磨损性，并保证切削过程中不出现脆裂而导致切削刃破裂的风险。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继续使用相同的切削刃进行加工，就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会出现涂层剥落的风险，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和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。

四、全新的解决方案－消除障碍提高生产效率

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，但在加工其他种类材料时也具有很好的性能，GC1125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，在以前通常是最后采用的提高生产效率手段）。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从而获得足够的切削刃强度。

GC1125的PVD涂层是一种新型的多层TiAlN涂层，与切削刃ER处理和刀片的槽形具有完美的配合，可提供很高的切削刃安全性。如前所提到的，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研发中着重于应对这些趋势，同时也具有很高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。其它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。