探尋更好的螺紋車削性能
Locating better thread-turning performance
文：山特維克可樂滿
在螺紋車削加工中，可轉(zhuǎn)位刀片的微小位移是導(dǎo)致問題出現(xiàn)的主要原因之一。切削刃在切削過程中的輕微移動往往會導(dǎo)致過短的刀具壽命、不一致的性能表現(xiàn)等不能令人滿意的加工結(jié)果。
但是，最近可轉(zhuǎn)位刀片技術(shù)有了新的突破，能夠使刀片穩(wěn)固地定位于刀片座中，實現(xiàn)了切削刃穩(wěn)定性的驚人改變。
該技術(shù)上的突破為更硬、更耐用的刀片材質(zhì)的應(yīng)用開啟了一扇大門，可靠地縮短了加工循環(huán)時間，提高了生產(chǎn)效率。
不穩(wěn)定性帶來的威脅
目前，在數(shù)控車床上進行螺紋車削是很常見的。與其它車削刀具一樣，可轉(zhuǎn)位螺紋車刀性能也一直在不斷地被提高。與大多數(shù)其他車削工序相比，進行螺紋車削時需要考慮的因素更多一些。但是，這并不意味著螺紋車削比其他加工更加困難。正確地選擇刀具和應(yīng)用技巧能夠確保精確、高效地加工帶有螺紋的工件。
實際上，螺紋本身的構(gòu)造使螺紋加工中不能總是處于理想狀態(tài)。需要使用與螺紋角度、圓角半徑等基本相同的成形切削刃對螺紋進行加工，這意味著需要鋒利且易受損的切削刃。此外，不論是加工細牙螺紋還是粗牙螺紋都需要應(yīng)用非常大的進給。很多螺紋具有嚴格的質(zhì)量要求，要求較高的精確度和加工一致性。還有一些是在難加工材料上進行螺紋加工。 綜上所述，與其他普通加工相比，螺紋加工并不是可獲得可靠、高效和較長刀具壽命的理想加工方式。
然而，細致地考慮一些因素，現(xiàn)在人們可以很容易地進行運行良好的螺紋車削，可以對螺紋車削工序進行優(yōu)化，使其達到更高的生產(chǎn)效率水平。需要注意的要點是，螺紋車削的最終結(jié)果和加工成本直接取決于機床、配置、工件、刀柄、可轉(zhuǎn)位刀片、加工方法、編程和切削參數(shù)之間的聯(lián)系，其中不穩(wěn)定性——具體指切削刃的不穩(wěn)定性，被認為是對理想加工結(jié)果的最大威脅。
螺紋車削的潛在改進方面
在螺紋車削中，導(dǎo)致性能不佳和加工結(jié)果不理想的許多問題通常起因于對常見金屬切削基本因素的疏忽，例如： 刀具懸伸的最小化、刀具穩(wěn)定性的最大化、切削刃的中心高、適合切削參數(shù)的應(yīng)用以及選擇適合的刀具和加工方法等。 另外，僅在螺紋切削中會出現(xiàn)的其他因素包括每次走刀的切削深度、徑向進給的方法以及為了獲得足夠的后角而設(shè)置的刀片傾斜角度――要根據(jù)由螺紋直徑和螺距決定的螺紋螺旋升角來設(shè)置。
螺紋的最大特征是其螺紋牙形。螺紋牙形的變化極大地豐富了當(dāng)今螺紋的類型，其中有一部分用于特定用途。螺紋牙形誤差也是螺紋切削中導(dǎo)致質(zhì)量不合格的最常見原因，也可能是由于公差或表面光潔度的偏差所導(dǎo)致的。當(dāng)出現(xiàn)這種情況時，也意味著切削刃的使用壽命過早地結(jié)束了。
到目前為止，形成不正確螺紋牙形的主要原因之一是刀片在刀柄上缺乏穩(wěn)定性。刀片的微移動會導(dǎo)致多種不利后果從而使刀具壽命縮短。其中一個主要的不利后果就是切削刃的破損，特別是在刀尖處的破損。通常可以通過選擇替代的夾緊螺釘，在一定程度上改善穩(wěn)定性--用T-Max U型螺釘代替快換螺釘?shù)膽?yīng)用。但是直到目前，仍然難以解決刀片在刀片座上的完全固定。
螺紋車削中每次走刀的開始和結(jié)束意味著切削力的大小和方向有突然的變化。此時形成加工工序過程中最敏感的移動，也最容易受到刀片位移風(fēng)險的影響。切削力作用于刀片螺紋牙形的頂端形成杠桿作用，迫使切削刃輕微地改變位置并且使刀片座中的支撐點變形。在螺紋車削的過程中，在每次走刀的開始和結(jié)束時產(chǎn)生交變的軸向力，而在切入后的切削過程中則保持相對的穩(wěn)定。 不同方向施加在刀片上的切削力形成來回移動刀片的趨勢。
螺紋類型的變化意味著切削力在方向及大小上的變化，但是刀片尺寸沒有必要隨著螺紋牙形的變化而變化，從而在刀片座提供不同的支撐程度。另一方面，相同的刀片尺寸會用于加工不同的螺距，這意味著加工較大螺距的刀片與加工較小螺距的刀片相比沒有更多的支撐。如果刀片尺寸隨著螺紋牙形和螺距的變化而變化，那么刀片和刀柄規(guī)格將不得不變得無法想象的大。
切削刃位移的主要后果是加工出超出公差的螺紋和刀片切削刃線的微小破裂。如果在加工出不合格的螺紋后不停止使用刀具，那么刀具磨損將會加劇。由于切削刃的磨損，會產(chǎn)生更大的切削力并出現(xiàn)更嚴重的切削刃位移，從而加速刀片的斷裂。事實上，因位移而更換螺紋車削刀片的情況比因?qū)嶋H刀具磨損而更換的情況更多。
對于一些螺紋來說，螺紋牙形的精確度比其他因素更重要。螺紋的類型、用途和其他限制決定了是需要M級公差還是E級公差的可轉(zhuǎn)位刀片。某些應(yīng)用場合例如油氣行業(yè)的密封螺紋對螺紋精度的要求就非常高，極小的公差要求使用精磨的可轉(zhuǎn)位刀片。為獲得一致的高質(zhì)量螺紋，保證切削刃的精確位置具有決定性的影響。
刀片定位的另一方面就是轉(zhuǎn)位精度。為了避免耗時的機床設(shè)置以及盡量減少或消除報廢零件的產(chǎn)生，刀片在刀柄中的簡易而精確的定位是很重要的。通常情況下，由于在螺紋表面上有出現(xiàn)階段的風(fēng)險，因此應(yīng)盡可能地避免在兩次走刀之間轉(zhuǎn)位刀片。如果在兩次走刀之間需要進行刀片轉(zhuǎn)位，那么刀片的精確定位對于獲得可接受的加工結(jié)果是關(guān)鍵。考慮到對機床停機時間的影響，在兩次走刀之間的快速而簡易地進行刀片轉(zhuǎn)位也是很重要的。
螺紋車削的生產(chǎn)效率在很大程度上與螺紋車削刀具加工完成螺紋所需的走刀次數(shù)相關(guān)。 如果走刀次數(shù)太多，切削深度會很小，從而造成過度的刀具磨損和摩擦熱，導(dǎo)致快速的后刀面磨損和塑性變形。小切深也經(jīng)常對切屑成形造成不利的影響，生成薄而難以控制的切屑。較少的走刀次數(shù)需要應(yīng)用更大的切削深度，但是切削刃要承受更多的載荷。通過優(yōu)化走刀次數(shù)，縮短加工螺紋全長所需的時間并改善吃刀量。大切深產(chǎn)生更高的切削力，從而增加刀片在刀座中發(fā)生位移的趨勢，更需要刀片的可靠定位。
螺紋的另外一個典型參數(shù)是螺距，并且它在某些情況下可能是導(dǎo)致零件誤差的原因。大多數(shù)螺距誤差來自數(shù)控系統(tǒng)，當(dāng)消除了任何關(guān)于機床、控制裝置、設(shè)置和編程的誤差時，可轉(zhuǎn)位刀片在刀柄中的穩(wěn)定性以及進給方法這兩個因素可能會影響到螺距。螺距是一個零件設(shè)計方面的因素，通常情況下細牙螺紋對公差要求更嚴格，就切削而言，由于每毫米或英寸更多的螺紋數(shù)(進給率較小)，加工細牙螺紋需要花費更長的時間。螺紋的螺距越大，則需要更高的進給率，并會產(chǎn)生更大的切削力，也就需要非常穩(wěn)固的刀片定位。
解決方案 ―― 實現(xiàn)刀片的整體穩(wěn)定性
因此，基于諸多原因，螺紋車削刀片在刀片槽中定位和鎖緊的質(zhì)量對實現(xiàn)高生產(chǎn)效率、安全操作和一致的零件質(zhì)量起到?jīng)Q定性的作用。采用過去的刀片鎖緊和定位方案，在很多情況下都不可能把刀片緊固在刀片槽中。定位方法、刀墊的夾緊和簡易的轉(zhuǎn)位等要求意味著妥協(xié)，刀片制造方法的限制也妨礙實現(xiàn)非傳統(tǒng)解決方案的可能性。
iLock解決方案的開發(fā)大大提高了刀片定位和鎖緊質(zhì)量，將車削和銑削工序中的安全性、刀具壽
CoroThread 266螺紋車削系列與傳統(tǒng)的刀片夾緊系統(tǒng)相比，能滿足更高穩(wěn)定性的要求。刀墊對于螺紋車削工序是非常重要的，因此對刀墊進行了全新設(shè)計，可為刀片在刀柄中的固定提供安全的基礎(chǔ)。通過刀片座中兩個牢固的接觸面以及從側(cè)面緊固刀墊的螺釘，刀墊為刀片提供了必須的緊固和精確的定位。刀墊帶有一個突出的軌道形iLock接口，相對應(yīng)的刀片被安全、準(zhǔn)確地定位在這個軌道上。
刀片夾緊螺釘把刀片緊固在軌道上并在徑向上與刀體一個接觸面相靠，提供了很高的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確的定位。由于iLock定位軌道垂直于進給方向，因此在加工過程中切削力始終由固定刀片的軌道所承受，這樣刀座中的任何刀片支撐點處都不會存在受損風(fēng)險。
對精度而言，CoroThread 266可以達到很高的重復(fù)定位精度，使用M級公差刀片可保證軸向精度(進給方向)±0.05 mm，E級公差刀片確保±0.01 mm。 iLock軌道保證刀片的快速轉(zhuǎn)位和操作方便，而定位方法對性能起到?jīng)Q定性的作用。 鎖緊軌道的形狀和位置是經(jīng)過多方面開發(fā)的結(jié)果，在刀墊和刀片之間確定精確的支撐點并通過全新的刀片制造技術(shù)使支撐點保持一致，由于刀片在刀柄中的夾緊具有較高的一致性，因此也能改善夾持。
應(yīng)用正確的刀片材質(zhì)提高刀具壽命
由于螺紋刀片的切削刃是最易受損的部位，刀片需要具有足夠的硬度以及抗磨損性，并保證切削過程中不出現(xiàn)脆裂而導(dǎo)致切削刃破裂的風(fēng)險。現(xiàn)代螺紋車削中往往會在切削刃部位產(chǎn)生相當(dāng)大的熱量，要求刀片必須具有較強的抗塑性變形能力，如果發(fā)生塑性變形后繼續(xù)使用相同的切削刃進行加工，就會出現(xiàn)快速的后刀面磨損，甚至出現(xiàn)刃口崩裂。
切削刃出現(xiàn)塑性變形是螺紋車削中通過提高切削速度來提高效率的最大障礙。不合適的刀片材質(zhì)會使切削刃快速失效而加工出不合格的螺紋，隨后出現(xiàn)切削刃斷裂。鋒利的涂層刀片在高壓下會出現(xiàn)涂層剝落的風(fēng)險，尤其是當(dāng)切削刃只有很少一部分參與切削時。 一般而言，應(yīng)用合適的走刀次數(shù)，在可預(yù)計的刀具使用壽命期間獲得均勻的后刀面磨損是螺紋車削中希望獲得的最理想狀態(tài)。
另外刀片還需要具有一定強度以應(yīng)對加工中的機械載荷，尤其是在刀片牙形的頂部圓角部位。這就要求將韌性作為刀片材質(zhì)特性的一部分。對于內(nèi)螺紋加工而言，這一要求更加明確。內(nèi)螺紋加工工序總是伴隨著刀具的振動和讓刀以及排屑的問題，因此適合的材質(zhì)韌性對性能和可靠性起著決定性的作用。
全新的解決方案 — 消除障礙提高生產(chǎn)效率
PVD(物理氣相沉積)涂層材質(zhì)為螺紋切削提供了最佳的切削刃。全新的研發(fā)成果使應(yīng)用更高的切削參數(shù)以及獲得更長的、可預(yù)測的刀具壽命成為可能，為進一步優(yōu)化螺紋加工提供了方法。
細晶粒刀片基體技術(shù)的最新發(fā)展為需要鋒利切削刃的應(yīng)用場合，比如螺紋車削、切槽和切斷以及整體硬質(zhì)合金銑刀，提供了具有高紅硬性，極具抗塑性變形能力的獨特基體。GC1125是一種新的PVD涂層材質(zhì)，是針對鋼件螺紋車削的優(yōu)化材質(zhì)，但在加工其他種類材料時也具有很好的性能， GC1125可通過使用更高的切削速度來提高生產(chǎn)效率(由于刀片材質(zhì)的限制，在以前通常是最后采用的提高生產(chǎn)效率手段)。GC1125基體具有極高的硬度，沒有應(yīng)用梯度燒結(jié)技術(shù)，但仍具有一定的韌性從而獲得足夠的切削刃強度。
GC1125的PVD涂層是一種新型的多層TiAlN涂層，與切削刃ER處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，刀片的頂部圓角部位更容易受到塑性變形的影響，加工螺紋牙頂?shù)牡镀撞拷?jīng)常因涂層剝落和出現(xiàn)積屑瘤而磨損。 GC1125研發(fā)中著重于應(yīng)對這些趨勢，同時也具有很高的抗后刀面磨損性能。它是通用的螺紋車削材質(zhì)GC1135的補充，是很多工序的生產(chǎn)效率優(yōu)化選項。其它可選的螺紋刀片材質(zhì)包括具有非常鋒利的切削刃的非涂層材質(zhì)H13A，用于耐熱合金、鈦合金和某些鑄鐵。CB20 / CB7015是立方氮化硼材質(zhì)，用于淬硬材料的螺紋車削。
當(dāng)涉及精密的螺紋加工時，需要廣泛考慮到對刀片產(chǎn)生威脅的因素。與傳統(tǒng)的刀片夾緊和材質(zhì)解決方案相比，CoroThread 266的穩(wěn)定性與GC1125材質(zhì)的完美組合進一步改善了螺紋車削的加工結(jié)果。
成功進行螺紋車削的注意事項
• 確定最佳走刀次數(shù)，利用刀具的性能優(yōu)化生產(chǎn)效率，按照推薦值以等切削面積或等切深原則進行優(yōu)化加工。
• 確保切削刃位于正確的中心高度，刀具已精確定位。
• 根據(jù)螺距、螺旋升角和螺紋直徑，確定使用正確傾角的刀墊，以獲得足夠且均勻的后刀面間隙。
• 利用先進刀片材質(zhì)所帶來的高切削速度的潛力優(yōu)化加工性能。
• 采用最適合于加工工序的刀片槽形，確定最好的進給方法。
• 確保進給方向、右手型/左手型刀片和右手型/左手型螺紋的正確組合。確定切削力方向以加強支撐，確定螺旋角以獲得足夠間隙。
• 確保從機床到切削刃的整個系統(tǒng)具有最佳穩(wěn)定性。
• 檢查直徑公差，確保其不會過大。用全牙型刀片時，將螺紋外徑留0.1 - 0.15mm加工余量。
• 檢查CNC編程，排除任何影響加工穩(wěn)定性的因素。
• 觀察刀片上的磨損形狀，并進行相應(yīng)選擇/調(diào)整。
• 如果刀片出現(xiàn)任何微移動的狀況，使用T-Max U螺釘代替快換型螺釘對刀片進行夾緊，更好的辦法是使用CoroThread 266系統(tǒng)進行優(yōu)化。
• 使用CoroThread 266時，應(yīng)密切關(guān)注并及時改進穩(wěn)定性缺陷，以達到最佳結(jié)果。
考慮利用新型、更硬的材質(zhì)GC1125進行優(yōu)化，以獲得更高的生產(chǎn)率和更長、更容易預(yù)測的刀具壽命。
【山特維克可樂滿】
山特維克可樂滿是全球領(lǐng)先的金屬切削刀具制造商和供應(yīng)商，在全球130多個國家設(shè)有代表機構(gòu)。在世界范圍內(nèi)設(shè)有25家水平一流的效率中心，持續(xù)為客戶和山特維克可樂滿的銷售人員提供獲得更高生產(chǎn)效率的刀具解決方案和加工方法的培訓(xùn)。山特維克可樂滿是山特維克集團刀具業(yè)務(wù)的一部分。