浅析成型刀片的用途及使用注意事项

  随着国内制造业的高速发展, 对于生产效率和产品质量提出了更高地要求,各类零件制造精度越来越高,形状越来越复杂.成形刀片的应用就越来越广泛.成型刀片可以定义为非标复杂轮廓刀片,例如:成型车刀片、成型铣刀片、可转位成型刀片、螺纹梳刀片等等.

  成型刀片的应用可以简化机床的运动轴系,在确保精度的前提下成倍的提高加工效率.例如成形车刀就是加工回转体成形表面的专用工具，它的切削刃形状是根据工件的轮廓设计的。用成形车刀加工，只要一次切削行程就能切出成形表面，操作简单，生产效率高，成形表面的精度与工人操作水平无关，主要取决于刀具切削刃的制造精度。它可以保证被加工工件表面形状和尺寸精度的一致性和互换性，加工精度可达IT9—IT10，表面粗糙度Ra6.3—Ra3.2。

  目前,成型刀片已经在汽车、医疗、液压、轨道交通、能源、轴承、航空航天、钟表制造等行业内得以广泛应用,相信成型刀片的市场将不断增长.

  就成型车刀片而言,和其它刀具一样,也应有合理的前角和后角.但成型车刀片刃形较复杂,切削刃各段的主剖面方向不尽相同,所以不可能在切削刃各段的主剖面内磨出前角、后角,而是在成型车刀片的纵向剖面内将刀具制成一定的角度,这样成型车刀片的前角和后角规定在刀具的纵向剖面内测量.

  对于成型刀片而言其轮廓的精度指标是最为重要的.成型刀片轮廓的磨削精度受到磨床的机械、电气以及砂轮的磨损等方面的影响.

  磨床的结构尺寸误差、热变形均反映为机械误差,为了减少机械误差,人们对这些误差源进行测量和建模,在加工前给予相应的补偿.磨床的机械精度包括:磨床的传动部件的精度、工件轴精度、工装精度、砂轮轴精度等等.

  另外一方面,伺服系统特性中的跟随误差也会对轮廓精度产生影响,由于数控磨床是通过多轴联动来合成运动轨迹的,因此在多轴联动进行轮廓加工,各个坐标轴自身存在的跟随误差会反映到合成的曲面轮廓上,形成轮廓误差,特别是在高速加工中,进给轴的跟随误差是影响多轴合成轮廓误差的主要因素.因此有效的控制方法,以减少跟随误差对轮廓精度的影响,对于保证加工精度有着十分重要的意义.

  就机床的结构而言,传统数控机床使用旋转电机带动传动机构,将旋转运动转化为直线运动.由于受到旋转电机技术特征限制,已不能满足高精度机床提出的要求.而直线电机是一种将电能直接转化成直线运动机械能,不需要任何中间转换机构的传动装置.与传统机床进给驱动相比,直线电机驱动优点:(1)省略了中间转换机构,减少了机械磨损.系统运行时可以保持高增益,实现精确的进给潜亏,对给定的加工路径可以用高速进行准确跟踪,从而保证了机床的高精度和使用寿命.(2)运行时,直线电机不象旋转电机那样会受到离心力作用.因此其直线速度不受限制.(3)直线驱动的惯性主要存在于滑台,因此加工时可以有很高的加速度.(4)直线电机靠电磁推力驱动,故系统噪声很小,改善了工况环境.正是由于直线驱动的这些优势,使其非常适用于对动态特性及精确定位要求很高的场合.

  在磨削过程中,由于砂轮本身的磨损,不断地改变着砂轮工作面的状态.随着磨削时间的延长,砂轮的切削能力下降,各种磨削缺陷不断出现,使磨削加工不能继续进行.此时,必须修整砂轮,恢复正常磨削状态.砂轮在两次修整之间的实际磨削时间称为砂轮的寿命.砂轮的寿命是影响磨削加工效果的重要因素,特别是对于成型磨削尤为重要.

  判定砂轮寿命:一般是根据砂轮工作面磨损后所产生的各种现象,通过观察和测试进行的,砂轮磨损后所产生的磨削现象主要有:磨削过程产生自激振动、工件表面出现再生振纹;磨削噪音的增大;工件表面出现磨削烧伤;磨削力急剧增大或减小;磨削精度下降;磨削表面粗糙度增大.

  砂轮的磨损及其修整,即砂轮圆周表面的有效轮廓对加工的影响,这是系统性误差,尤其在精密磨削时要精细地修整砂轮,设定专门修整程序,以使砂轮能在较长时间内保持精确的轮廓.

砂轮磨损的原因：

  A.磨耗磨损

  当磨粒发生严重磨损，在磨粒顶面出现明显的磨损平面后，砂轮表面平坦。此时切刃的磨损总面积增大，摩擦加剧，切刃难以切入工件表面。但砂轮硬度偏高，致使磨粒不能及时产生破碎和脱落。若继续使用，会使磨削力和磨削热显著增达，并出现明显的振动和噪音，不能有效地切除材料，此时就必须对砂轮进行修整。这种磨损一般发生在磨粒硬度偏低,砂轮硬度偏高和磨粒粒度过细以及工件材料的抗拉强度较高的情况下.这是在普通磨削条件下加工一般钢材时砂轮寿命结束的最常见原因。

  B.氧化磨损

  常见的磨料有氧化物、碳化物和氮化物。氧化物磨料在空气中稳定，其他磨料的表面会在高温下发生氧化作用，十七逐渐消耗。

  C.扩散磨损。

  是指磨粒与被磨材料在高温下接触时，金刚石砂轮的元素相互扩散造成磨粒表层弱化而产生的磨损。两种材料间元素的相互扩散与材料的化学成分密切相关由于金刚石磨料中碳元素扩散溶解于铁的能力 大于氮化硼磨料中元素扩散溶解于铁的能力，故金刚石砂轮不宜磨削钢料。

  D.热应力破损。

  磨削过程中，磨粒的工作表面瞬间升至高温，砂轮又在磨削液作用下急冷，其冷热循环的频率与砂轮的转速相同，从而在磨粒的表面上形成很大的交变热应力，使磨粒表面开裂破碎。热应力破损主要取决于磨料的导热参数、线膨胀系数和磨削液的性能.导热系数越小,线膨胀系数越低.线膨胀系数越大,磨削液冷却性能越好，则热应力越大，越易使磨粒受热冲击而开裂破碎。各种磨料导热性能好坏的次序为，金刚石，立方氮化硼，碳化硅，刚玉。

  E.塑性磨损。

  在磨削高温作用下，磨粒会因塑性变形而磨损。塑性磨损主要取决于工件材料的热硬度。磨削时，若砂轮的切屑在磨粒前刀面上的热硬度大于磨粒接触区的热硬度，则磨粒发生塑性磨损。

  以上几种造成砂轮磨损的原因.根据磨料、工件材料及磨削条件的不同，

  造成砂轮磨损的主要原因也会有所不同。所以,砂轮的合理选择以及砂轮的修整精度将大大影响工件的轮廓精度.因此,磨削时需要及时对砂轮进行修整.此外,砂轮在初始安装后需要进行修整,砂轮修整的 实质就是对砂轮进行整形和修锐.整形是对砂轮进行微量切削,使砂轮达到所要求的几何形状要求,并使磨料尖端细微破碎,形成锋利磨刃.而修锐是去除磨粒间的结合剂,使磨粒间有一定的容屑空间,并使磨粒刃突出结合剂之外形成切削刃,根据砂轮的磨料和结合剂的不同,采取的修整方法也不同.

  超硬磨料砂轮具有优良的磨削性能,抗磨损能力强,得到了越来越多的应用.但超硬磨料砂轮在初始安装和使用磨钝后修整比较困难.超硬磨料砂轮的修整通常分为整形和修锐两个工序.对于结合剂疏松型超硬磨料砂轮(如陶瓷结合剂)的修整可放在一个工序中进行.对于结合剂密实型超硬磨料砂轮(如树脂、金属结合剂)的修整须分开进行.对树脂和陶瓷结合剂砂轮的修整宜采用磨削修整法,用金刚石、刚玉或碳化硅磨具作为修整工具,将磨具固定在磨床工作台上,利用编程好的砂轮修整程序进行修整.

  轮廓成型刀片的磨削分为:成型磨削和展成法磨削.

  由于复杂型面精加工的要求,用于成型磨削的砂轮具有各种类型曲线,如:圆弧、直线、样条曲线、混合曲线等等.成型加工与其他加工形式不同,其特点鲜明,是一种高精度、高效率、节约成本的加工方式.砂轮被修整成与工件廓形相吻合的形状,加工时砂轮的回转曲面与工件螺旋面完全接触,进而磨出特定形状的整个廓形.成型砂轮磨削有两个难题:一是砂轮质量,主要是砂轮必须同时具有良好的自砺性和形廓保持性,而这两者往往是矛盾的.二是砂轮修整技术,即高效、经济地获得所要求的砂轮形廓和锐度.此外,在磨削难加工材料的过程中极易发生磨削烧伤现像,而且不适合单件小批量生产.

  数控展成磨削方法是在数控磨床上利用数控系统的多轴联动,用蝶形砂轮或斜边砂轮对直线成型面进行展成磨削.数控展成磨削的表面成形机理与平面磨削时的表面成形机理不同.首先,纵向磨削,数控系统在纵向进给时,蝶形砂轮切入工件,由于被加工面为曲面,砂轮与工件的接触为一直线,即为该处曲线的弦,该弦长直接影响到所加工曲面的轮廓精度,同时受到砂轮切入厚度的影响,为了提高精度,应尽量减少切入厚度,其次是横向磨削,由于工作台做横向往复运动,磨削的表面成形机理与平面磨削相同,只是磨削时的接触宽度仅是砂轮宽度的一部分.

  目前,国内磨削成型刀片主要还是在手动工具磨床或者是光学曲线磨床上进行磨削加工.手动工具磨床生产效率低下,对于复杂的刀片需要很多工装夹具以及多次装夹磨削工序才能完成整个刀片的磨削加工,多次装夹容易造成定位精度不稳定同时对于操作技能提出极高的要求,单台磨床不可能实现大批量的生产,轮廓精度比较难达到较高的要求,并且刀片的一致性无法得到有效的保证；对于光学曲线磨床来说,加工效率相对低下,对短货期中小批量制造的响应能力难以满足客户需求。

  工具磨床自1889年开始制造以来,一直发展缓慢,直至上世纪70-80年代,为了适应全球制造业的发展,刀具制作和刃磨受到了极大重视,工具磨床进入一个快速发展阶段,数控工具磨床被推到刀具制造的前沿.计算机技术开始用于工具磨床大约在上世纪70年代中后期,当前工具磨床的数控系统的发展趋势是追求特殊专用化，最早见到的系统是德国西门子8系列数控系统和法那克数控系统，这些数控系统通用性强，而现在国外很多数控工具磨床厂家都自行开发了各种专用数控磨削系统，转用系统可随机床要求的复杂程度和计划完成的复合灵活变换。由模块化的组件来增减加工功能，以实现万能性和经济性。工具磨床专用系统的数控编程技术结合了各种数学方程表达式，因而可以实现直线插补、圆弧插补、渐开线插补、指数函数插补、螺旋线插补等插补功能，从而解决了复杂形状刀具的高精度加工。因为各种刀具的特点各有不同，数控工具磨床衍生出数控滚刀磨床、数控拉刀磨床、数控丝锥磨床、数控刀片磨床等专用的数控磨床，使得加工精度和加工效率大大提高。

  针对复杂轮廓刀片系列产品,瑞士SCHNEEBERGER公司一直密切关注该应用领域，结合客户需求和公司在数控工具磨床方面近100年的技术和经验积累，应用世界领先技术推出具备强大功能的复杂轮廓刀片（成型刀片）--SIRIUS 系列。

  （1）产品用途：用于复杂轮廓成型刀片的磨削。

　（2）性能特点与主要技术参数：磨削头高性能的直驱主轴使用了内冷却设计，HSK80的砂轮法兰磨削功率可达9KW,可使用砂轮最大直径达300mm,这样完美的方案可以进行快速大磨削量的加工而且极大降低了砂轮的磨损。

  机床采用独立6轴的结构可轻松完成任意角度和复杂轮廓的精密磨削。机床的结构设计，兼顾精度、刚性、效率的同时有更多的人性化设计

  （3）软件

SIRIUS——高效复杂轮廓刀片的磨床。磨削时间超短，可轻松地在多种刀片之间进行快速更换。

软件QUNTO DXQ 根据在CAD上做出的dxf格式的图形自动计算出磨削数据。

软件将自动计算生成刀具的轮廓、后角、前角和轴向后角等数值，并自动调节粗磨和循环修整环节。

  设置

通过定义磨削图形大大简化了加工程序。图像可直观地显示出几何形状和各项参数列表。

  程序

菜单中包含各种后角类型和角度，多种轮廓磨削的选项，例如使用1A1砂轮进行两轴联动的震荡磨削。

  模拟

前角的模拟是通过粗磨、精磨以及重叠磨削进行的。

  （4）硬件

SIRIUS的基座由高聚合物质整体浇铸而成，这是高速和高表面质量刀具生产所必须的。

　　a.直线电机

  直线电机的应用使得磨床运动的加速度、精度和运行速度达到了一个新的标准。与传统的驱动方式相比，直线电机驱动不需要机械传动部件，这样就使得磨床精度保持的时间更长久而且大大简化了维护的过程。在高速进给单元中采用直线电机驱动最重要的优点是具有比传统旋转电机大得多的加减速度.由于数控磨床的直线进给行程较短,一般不超过大几百毫米,在很高的进给速度下,直线电机能够在瞬间达到设定的高速状态和在高速下瞬时准时停止运动,为实现曲线或曲面的精密加工,在运动轨迹的拐弯处也要求较高的加减速度,可达(1-10)g(g=9.8m/s²),是传统旋转电机进给方式的10-30倍。另外，加减速过程的缩短可改善工件加工表面的质量。

  b.工件更换

根据您的特殊需求，我们可提供多种多样的自动装夹系统以供选择。

  FANUC6轴机械手具有非常显著的柔性交换能力，它提供了极其出众的装卸循环功能，并且这种具有双夹爪的机器人能够出色地完成各种十分复杂的夹持任务。

  龙门式装载机（也配置了双夹爪）适用于标准的应用。

  自动化

c.SCHNEEBERGER磨床拥有一个刀具自动装载系统，该系统适用于各种不同几何形状、直径和长度的刀具。

装备了这种系统可以真正实现全自动不间断的生产。

不管是2个或18个料盘，全自动的SIRIUS系统均能够满足客户的任何需求，每一个料盘都可根据轮廓刀具形状充分应用。这种装载方案和机床的整体设计风格连贯地结合在一起。

这种装夹的先进之处是在于不需要知道工件的确切位置即可进行全自动的装夹。配备的光学照相机拥有1/3〞CCD镜头，像素为480×640.

  d.装夹系统

穿孔装夹（TTC）对于有孔的刀具SCHNEEBERGER磨床可以轻松地对所有的侧边和轮廓进行磨削。

双面装夹（RPC）夹持两个参考面进行成型刀片的5轴磨削。

弹式装夹（CTC）用于双边刀片的磨削，可更换的弹式装夹可确保极高的精度。

砧式装夹（AVC）对于没有孔的刀片，是通过两根芯轴来实现装夹的。

  e.激光打标

　FANUC机械手能够将激光打标设备整合进我们的磨床。在磨削结束后可以打上公司的商标、品名或者其他信息。通过SMARTIST软件可以的将文字或者图形整合在QUINTO软件中。打标的过程由装载软件来控制。

  f.砂轮修整

可在装载循环系统中进行修整和自动成型。

锐化砂轮

砂轮修整石可以自动锐化和清理砂轮

  g.检测

通过激光自动检测砂轮的直径和位置，而且可以实现自动加工循环操作