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现代小型精密零件加工技术

发布日期：2008-1-14 8:54:06 访问次数:133 [中国工控网]

现今，广大零件加工厂对于不断传来的有关制造业的坏消息，已经习以为常了：诸如销售下降、员工下岗、外来竞争加剧等等。但是，在精密制造业领域，情况却与此截然相反：加工厂的运行呈现强劲势头。有人声称这种现象是金属切削加工业一个不可逆转的发展趋势。这些趋势包括：品种繁多的小型零件、精密工具技术和"按订单大批量生产"。针对这种需求，开发出了瑞士切削加工技术。
这种类型的工具和制造技术，最重要的是突出一个"小"字。仅仅用公差严格来描述这类加工是不够充分的。Remco Swiss公司的工长Steve Barani说："不精确的刀具不能在这种加工中使用，例如0.125mm的公差是不够用的。"该公司总裁Vince Robisch认为0.125mm的公差完全不行。

为了说明他的观点，Robisch总裁以一个直径为1.575mm的微型螺钉为例作了介绍，该螺钉是用铍青铜棒料车成，车削该螺钉时，刀具应紧靠导套，其距离不超过0.508～0.635mm，否则会将材料顶弯。
Robisch认为，瑞士式车削法是加工小型零件的唯一方法，其它型式的机床都无法胜任。这种加工有下述两个特点：(1)有固定导套；(2)有轴向活动式前顶尖座。和普通车床不同之处是，瑞士式加工车床沿Z轴的移动由工件完成，刀具则沿X轴作径向运动。除了刀具和工件的结构形状外，保持精度的一个重要方面是刀具/工件的触点要尽量靠近机床导套，一般为0.635～1.016mm。具体大小取决于工件直径，直径小时，其距离要短些。

Robisch总裁认为，加工中，固定导套加上紧贴其后的刀具--刀具绝不能远离导套。这两个条件合起来，就可取得高精度。机床头架则带着棒料来回移动，使工件通过刀具进行切削。
图1 Remco Swiss公司在瑞士式螺纹车床上生产的零件
(零件高度为2～17mm)

Cox制造公司总裁Bill Cox指出，一方面导套对瑞士式加工至关重要，但另一方面，它也带来了不少问题。这是由于工件长径比变化所致。这种现象在使用成形棒料(如正方形和六方形截面)时尤为突出。成形棒料在导套中运转时，产生的车削不均匀性要比无导套的固定头架式机床严重。

机械式和数控式机床的选择
瑞士式加工用的机床，可分为凸轮式和数控式两种。凸轮式机床又可细分为两种：一种是普通型的"工件转动式"，另一种则是"工件固定式"，刀具绕工件旋转的螺旋进给式车床。
在Remco公司，工件旋转式的凸轮机床，远远多于昂贵的数控机床，数量约为4∶1。同时，像众多瑞士式加工工厂一样，Remco公司倾向于采用专用刀具和专用凸轮。该公司总裁Robisch声称，我们不采用现成的通用刀具，接到一个新零件的订单，我们就设计专用刀具，这些刀具只为这个零件服务。完成任务后，把刀具保存起来。下次又有同类零件需要加工时，就不必重新设计刀具，用户也不必再付刀具费用。
Cox制造公司认为，凸轮式制造工艺迄今仍很适用并具有生命力的原因是，20年前用旧工艺制造一组凸轮，既不精确，费用也高。而今天的凸轮用专用软件设计，在数控机床上加工，既精确又经济，可以说是数控技术提高了凸轮式机床的功能。
Bay Swiss制造公司的工长Dave Branvold指出，瑞士式加工刀具的特点，除了小型外，还需要有较大的后角，以减小切削压力，使刀具不致于承受过多的摩擦力。否则，棒料有可能卡在导套里。这种刀具的第二个特点是需要正前角。直到最近几年，人们不采用可转位刀片，其原因是满足不了上述要求，这就迫使加工厂不得不用硬质合金刀坯自行磨制合适的刀片。现在，由于可转位刀片结构性能的改善，使用已日渐增加。
图2 各种车削用的瑞士式可转位刀片(现已生产供应)

(图中上排自左至右为：35°仿形、直角、切槽、精切兼55°仿形和仿形车削用刀片。下排自左至右为：直角和斜角切断、夹头端切螺纹、带侧隙的背面车削、切槽、切螺纹和后支座端斜角切断)
Branvold提到的情况，在瑞士式加工中不是个别现象。许多加工厂都认为最简便的办法是用钎焊式硬质合金刀具，自行磨出合适的角度。Branvold、Robisch和Cox制造公司都强调，他们在加工中需要专用刀具。Cox制造公司认为，我们的刀具是专为特定用途磨制的。
Stellram工具公司的技术经理David Wills对上述情况表示理解。他说："我们一直和这一加工领域保持着联系。作为从欧洲过来的一家专业工厂，我们的优势在小型车削加工方面。本公司一直寻求在适当的领域里帮助用户：假如用户在其他工具供应商那里解决不了问题，我们愿与之合作，提供服务。我们的研发部门会帮助其改善质量和缩短工时。"
对工具供应商来说，瑞士式刀具增长最强劲的部分是在数控加工领域。瑞士式加工中的数控机床和凸轮式机床不同之处在于：刀具主要采用涂层可转位刀片。Cox制造公司声称，在瑞士式数控加工中，我们多数采用可转位刀片。
Micro-Matics公司总裁Dick Reiling指出，他并不认为有朝一日所有从事瑞士式加工的工艺人员都会停止自制刀具。但是他承认，我们正在试着尽量采用可转位刀具。尽管它们很贵，但刀具磨损后更换简便，工时损失很少。

市场在增长
是什么力量使瑞士式加工获得不断增长?Stellram工具公司的技术经理David Wills认为，这是高新技术产业拉动了瑞士式加工的发展。零件日益向尺寸小、重量轻发展，非常规材料的使用也日渐增多，精度要求也很高。一些瑞士式加工的设备供应商表示：最近两年，他们的业务量增长了45～50%，而其他任何机床供应商是不可能在两年内达到50%的增长。

图3 瑞士式数控车床用的小型可转位刀片
Centary工具和设计公司的副总裁Raymond Koontz同意上述观点。他认为，高技术领域的需求，特别是计算机产业对精密不锈钢零件的需求，是瑞士式加工增长的最大原因之一。
例如，在一种双向接触开关上，有两个零件可作为采用瑞士式加工制作的众多零件的代表。一种是用于根部通道的钛合金插件，另一种是液压系统的钢制针形阀。它们的特点是细而长且又很精密的零件，内径公差要求0.01mm，外径公差要求在0.0076mm。
在装备着瑞士式螺丝车床的工厂里，生产上述类似零件的批量为1000～500000件，有时批量更大。单件工时低达6.5秒。这种瑞士式加工一般都在专门化的工厂中进行，而且通常在第一次走刀就切除90%的留量。这样做的优点是能在长工件加工中保持同心度，并省去磨削等精加工工序。
然而，瑞士式加工的质量要达到高水平是有条件的：首先是工件毛坯棒料要圆而均匀。如果棒料有偏差，就会反映到工件上。所以，按瑞士式质量标准生产的铜、钢和不锈钢棒料，加严了公差，满足了均匀一致的要求。但瑞士式质量标准的冷拔棒料，并无现货供应。可以用普通冷拔钢加一道去表皮磨削加工来保证其圆度。这样，费用要增加15～20%。
Lombord Swiss Screw公司是一家瑞士式加工厂。它车削紫铜、黄铜、磷青铜、铝、含铅钢、易切钢、300和400系列不锈钢和镍铬钼合金(8620S)等。该公司总裁Bernie Seewald发现，刀具寿命随工件光洁度要求而变，而材料变化的影响更大。例如，一把刀具加工同样的零件，材料为不锈钢时能切2000件，材料为易切紫铜时能切3000～4000件，而材料为黄铜时达到20000～50000件。Seewald说：“由于303和416系列不锈钢很难切削，所以我们采用Carpenter project70系列不锈钢，它比较容易切削。刀具一般采用Micro 100硬质合金钎焊式刀具，用金刚石砂轮修磨角度。此外，也采用TiN涂层的可转位刀片。”
刀具的寿命与工件的结构设计也有关。例如，加工直角台肩和转角，其刀具寿命就比加工圆角低。对某些材料的直角零件，其刀具寿命只1000件。
由于瑞士式加工的机动进给是左旋的，所以各种刀具包括钻头、铰刀等必须是左切削的。这就使刀具成为非常规品种。例如左切削铰刀就没有稳定的现货供应，使用厂不得不自制。
在瑞士式加工中，还必须注意刀具和工件之间、工件与机床之间的相互影响。例如，在加工中使用夹头内置导套虽有助于车削长型零件，但在加工小直径零件时，由于切削区域的导热能力受到限制，热膨胀的影响就成为问题。所以要限制切削速度，以免产生过多热量以致把工件焊住在导套里。例如，加工直径3.175mm，长度为50.8mm的零件，其切削速度必须在27.4m/min以下。
在瑞士式加工中，尽管新型机床都是数控的，但估计凸轮式机床仍占60～70%。即使是数控机床，也是用来加工小型零件，一般棒料最大直径不超过31.75mm。过大的棒料会造成装卸困难。例如，直径大至50.8mm，长度为3658mm的毛坯，由于笨重，所以装卸困难。此外，大尺寸零件要保持严格的公差，就要付出高昂的代价，这也可以说是对瑞士式加工零件尺寸大小的一种内在限制。
当前在瑞士式加工领域中，正面临着操作人员、调整人员和编程人员的严重短缺。除了人员短缺外，瑞士式加工中机床的调整和编程也是一项困难的挑战。通常一台CNC机床加工一种新零件，其调整时间长至8小时，内容包括多至16把刀具和多达7轴的刀具路径及其正确依次运作的安排，以及棒料进给器的调整，最终确保加工出合格的零件。
Rose培训系统公司的Steve Rose说："标准的培训周期是：培训一名机械操作人员至一级水平，即能操作瑞士式加工机床，约需2～3个月；培训至2级水平，即能调整机床，约需9个月；培训至3级水平，即学会编程，约需1年。"应该说，上述这些培训还没有包括老式机床的凸轮设计和制造所需要的技能和知识在内。而这些老式机床至今仍大量用于技术要求较低的零件生产。

图4 带螺纹的钛合金植牙柱
(用作植牙安置椿。这是Lombar d Swiss screw
公司的瑞士式加工代表产品)
以往，瑞士式加工工厂所使用的刀具是由硬质合金刀片焊接在钢制刀杆上，所以这类刀具称为钎焊或粘接式刀具。但近年来情况有所变化，很多工具制造商针对瑞士式加工的需要，推出了更多适销对路的可转位刀片品种。虽然钎焊式刀具的单件成本较低，而且可重磨10多次(甚至上百次)，而可转位刀片只能转几次位后丢弃。但是，提高劳动生产率的需要使得瑞士式加工工厂增加了可转位刀具的试用。
Whiz Cut(美国)公司总裁Tommy Townsend指出了这种动向。他说钎焊式刀具需从机床上取下重磨，再把它重新装上机床并调整到正确位置，这件事做起来要比可转位刀具困难得多，而且取下、重磨、再安装调整时间长达5分钟。可转位刀具用钝后转个位置只需11秒钟，而且保持刀具和工件的相对位置不变。他认为钎焊式刀具已经是一种过时的技术。假如把机床辅助时间和劳动工时的损失都考虑在内，钎焊刀具的成本则高达1000美元。现在，工具厂商不断推出新的可转位刀片，任何人都能选到适用的刀片。所以，人们开始不大使用钎焊刀具了。Townsend最后指出："随着瑞士式车削加工的增长，以及瑞士式加工工厂消费更多的可转位刀片，在美国市场上这类刀具的需求急速增加。我们已经拥有150家用户，这个数字每天都在增加，远远超出了原来的预期。"
Manchester工具公司的瑞士式刀具生产部经理Dave Strobelt也认为：瑞士式加工每年都在增长。但就全美国的金属切削市场而言，比重仍不到10%。尽管如此，刀具制造商仍关注着这个潜在的市场。从发展趋势来看，将会有越来越多的工具厂商提供为瑞士式加工服务的专门刀具品种。

涂层刀片
Manchester工具公司的瑞士式刀具生产部经理Dave Strobelt指出，由于涂层的使用，使可转位刀片不仅方便高效，而且在改善工件表面光洁度、减少积屑瘤和改善切屑控制方面都卓有成效。Manchester公司的双头刀片，经磨锐，并用PVD涂覆TiN和TiCN，使刀片在加工300系列不锈钢时有效地防止积屑瘤的产生。刀片上的断屑器还可对这种不锈钢切削时产生的带状切屑予以控制。Strobelt还指出，该公司生产的一种CSV刀片，经精磨、抛光，达到镜面光洁度，从而保证被切的工件表面更加光洁。这一点对于小尺寸(直径小于5mm)的医疗、牙科器件加工至关重要。这种刀片对凸轮式和数控式机床都很适用。
Stellram工具公司的Wills也指出，小直径和外形复杂是瑞士式车削加工零件的典型特征。这种零件加工时，要求工具厂提供的刀片经过精细磨锐，使用时可不必对刀口作额外修整。他还指出，对瑞士式加工的场合而言，单涂层效果最好，过厚的涂层(5～6μ)反而不适用。

图5 适用于凸轮式机床和数控机床上加工的可转位刀具
(该刀具专为直径5mm以下的精密、小型零件制造商服务)
NTK工具公司的助理总经理Noal Buschmohle指出，涂层能延长刀具寿命，所以，NTK公司销售的瑞士式加工刀片90%都经过涂层。尽管公司一再强调，用户自行重磨可能产生裂纹、破损和光洁度恶化等弊病，但仍有一些用户习惯于自行重磨，为照顾这部分需求，本公司的出厂刀片有10%不涂层。
Century工具公司的Koontz除了同意涂层对延长瑞士式刀具寿命十分重要外，还特别强调切屑控制的必要性，特别是切断刀。他认为，Century的切断刀片末端都开了条槽，用于"粉碎"切屑。假如没有这条槽，切屑就会卷成Q形，然后再折断推出。这个过程使切屑挡住了冷却油使之无法抵达刃口。而带断屑槽的刀片使切屑刚剥离就立即被粉碎，从而使切削油持续浇向刃口。

刀片基体
瑞士式加工的刀片，绝大部分都用细颗粒硬质合金作基体。
Kyocero工业陶瓷公司的应用工程师Brent Lindsey说，在瑞士式加工中，有少量刀片采用金属陶瓷和陶瓷。而刀具材料的选择主要取决于加工工序的情况和工件材料。
Iscar金属(美国)公司的技术培训部主任Mike Gadzinski指出，瑞士式加工的刀片基体基本上都是硬质合金。金属陶瓷刀片在高速条件下应用时，因为切屑流动轻快，可获得较好的工件表面光洁度。但是，瑞士式加工机床的主轴转速通常不够高，所以更适于使用硬质合金刀片。在低于213m/min的速度下，金属陶瓷无法显示其优势。
Manchester工具公司的瑞士式刀具生产部经理Dave strobelt认为，涂层和基体的优化匹配程度决定速度和进给量的使用水平。
Stellram工具公司的技术经理David Wills强调，细颗粒硬质合金基体对瑞士式车削十分重要。但他又认为，刀具性能60%取决于涂层质量及其结合强度，仅有40%才分别是刀片基体和几何参数的影响。
在采访中，所有的工具制造商都同意这样的看法：即随着瑞士式刀具消费量的日益增加，必将有更多的高效可转位刀具推出，用以取代普通的钎焊刀具。
Manchester工具公司的瑞士式刀具生产部经理Dave strobelt说："我相信，在用户需要的刀具品种都能买到的时候，他们就会对可转位刀具树立信心。"

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