在 CNC 车床上进行双向切削的方法有望在某些应用中提高车削的生产效率。由新 CAM 路径驱动的新型刀片是这一发展的关键推动力,但将整个多面系统作为一个系统实施是必不可少的。

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在没有事先解释的情况下,现场车削演示的观察者可能会宣称演示车床中的刀具切削方向错误,与通常做法完全相反。同样,观看此演示视频的观众可能会强烈怀疑录音是在反向播放的。这将解释似乎是车削工具的“向后”运动。这些演示中的刀具运动渲染,如本文顶部所示,表明切削刀具的方向实际上是沿着黄色箭头。这个方向显然与正常或传统的车削操作相反。这里发生了什么?

该工艺的发明者山特维克可乐满公司将这种新的车削概念称为 PrimeTurning,它使用专用的 CoroTurn Prime 刀具。事实上,目前用于 PrimeTurning 的两种刀片类型(一种用于轻型加工,一种用于重型加工)旨在以与通常方法相反的方向进行切削。除了在切割时沿 Z 轴向卡盘移动之外,这些工具还可以“反向”并在切割时远离卡盘。同样,当需要时,这些工具可以在 X 轴上“向上”或“向下”切割到零件中心线,以进行端面或肩部切割。当有优势时,每个刀片都能够通过任一方向的切削来进行粗加工、精加工或仿形加工。

对于正确的应用,该公司声称其结果是惊人的:生产力提高了 80%。刀片的刀具寿命延长两倍。表面光洁度显着提高。

对于这些应用程序中的某些操作,“错误”方向的切割怎么会如此正确?这个问题的详细答案是值得的,因为它涉及到对基本车削过程本身性质的许多见解。基于这些见解,PrimeTurning 的概念似乎颠覆了常规做法,并且在多个层​​面上都如此。

显然,以前从未有过这样的转向能力。轻加工和重加工刀片样式的几何形状似乎是全新的。两种风格都是
高度专业化;重加工刀片的多角度刀尖以惊人的方式特别不同。此外,必须开发 CAM 软件的新功能,以简化这种车削过程所需的前所未有的刀具路径和动态进给率的编程。(Mastercam - CNC Software, Inc. 一直与 Sandvik 合作创建所需的算法,以便最终用户可以轻松应用切割概念。)冷却液输送到切割区域的方式也是新的。(正如人们可能想象的那样,切屑形成和热传递以意想不到的方式发生,因此冷却液在该过程中起着至关重要的作用。)还必须注意其他细节,例如修改刀柄和严格的设置要求,以使该过程获得最大收益.

这需要考虑很多。当然,山特维克可乐满认识到 PrimeTurning 市场需要大量的“再教育”才能正确理解和实施工艺的根本方面。然而,该公司一直在与世界各地的一系列选定客户进行现场大量测试。该公司表示,这些测试用户的报告表明,一旦他们掌握了流程并建立了它所要求的纪律,他们就会要求更多地使用这些工具。

Cory Koch 是 Hartwig Inc. 的应用工程师,他是德克萨斯州休斯顿的一家机械经销商,也是最早密切关注 PrimeTurning 的加工设施之一,他说:“这些工具将改变我们的客户加工零件的方式,允许更长的刀具寿命、更高的材料去除率和保持更严格公差的能力。这些工具的设计用途如此广泛,以至于您必须跳出框框思考才能想象出什么是可能的。”

当工具设计师变得松散时

PrimeTurning 和相应的 CoroTurn Prime 刀片的起源可以追溯到几年前在山特维克可乐满瑞典开发中心举办的活动。该公司将开创性的努力归功于 2012 年加入其研发部门的年轻工程师 Adam Johansson 和在那里从事切削工具工程 20 年的资深人士 Ronnie Löf。他们合作的一个描述始于一个注释,即典型的车削描述涉及一种非旋转刀具在材料从旋转部件的末端向卡盘行进时去除材料。传统观点证实,在这种方法中,切削刃与进给方向之间的导程角越小,提高进给速度和获得更高生产率的机会就越大。问题是,小主角会阻止切削刃到达肩部的起点,并且还会产生难以控制的长而弯曲的切屑。导程角与有限生产率之间的这种关系对于车削操作来说似乎是不可改变的“既定条件”。

然而,当这两位工程师在 2012 年底开始讨论前导角/范围的困境时,他们带着共同的好奇心和挑战公认真理的勇气来解决这个问题,或者故事是这样讲述的。他们回忆,没过多久,一颗牵强的小种子开始培育,议论愈发激烈。他们的想法只是向后转,从卡盘到组件的末端。这将立即解决以小超前角到达肩部的挑战。

“几个世纪以来,金属切削行业一直在从头到尾去除金属。每位车削专家都可以提出令人印象深刻的大量论据来说明为什么相反的情况是完全不现实的,”约翰森先生说。他将切屑控制作为主要反驳论据,因为无论车削方向如何,小主偏角仍会产生长而弯曲的切屑。Johansson 先生和 Löf 先生与另外两位同样思想开放的设计师 Joe Truong 和 Krister Wikblad 一起着手解决这个问题。他们的研究似乎有望成功。当产品经理 Håkan Ericksson 于 2015 年加入时,该团队加强了与同事、主要客户和其他利益相关者的讨论,并开始在更大范围内测试该概念。

该公司表示,这些测试包括在其自己的实验室中进行的广泛试验和实验以及在最终用户工厂中的应用,提出并帮助解决了许多技术问题。当 PrimeTurning 于 2017 年 4 月正式向业界宣布时,山特维克可乐满有一个明确定义的概念和一套完整的方法来展示,以及何时何地最能提供这种开发的实用指南。据该公司称,主要好处是:

  • 激进的切割参数可增加组件的产量并降低每个组件的成本。
  • 一致的刀具磨损可提高机器利用率、减少刀具更换并降低成本。
  • 切屑控制和较长的刀具寿命可在长时间运行的工作中提供更高的可预测性,这意味着更少的生产滞留。
  • 降低切削刃的温度,从而提高刀​​具寿命。

将注意力转向插入细节

如前所述,PrimeTurning 方法目前提供两种类型的刀片。它们被指定为 CoroTurn Prime A 和 B,在本文顶部的插图中并排显示。 A 型刀片具有三个 35 度角,专为轻型粗加工、精加工和仿形加工而设计,而 B 型刀片专为重型粗加工而设计,具有公司所称的两个超强角。 A型有九种尺寸可供选择; B 型的六种尺寸。这些都是非 ISO 刀片,简单地说,它们的几何形状不适合任何由金属切削刀片类型分类国际标准定义和编码的通用刀片形状。

还需要注意的是,这两种类型都被描述为“全方位车削解决方案”。换言之,任何一种类型都可以像在由尾座固定的轴上一样从零件端部朝着卡盘进行常规切割。任何一种类型都可以在肩部或面上进行常规切割,从零件的外围向(向下)中心移动。新的是,任何一种类型都可以沿相反的方向进行切削,也就是说,当刀片的前端仍然面向卡盘时,当它向轴的末端移动时,进入卡盘处的零件并去除材料。(事实上​​,保持这个方向是使操作看起来倒退或倒退的原因)。同样,对于肩部、法兰面或类似的“垂直”特征,任何一种类型都可以切割并远离零件中心。

因为 CoroTurn Prime 刀片可以在所有方向进行切削,例如从粗加工切换到精加工,不需要换刀。相反,切割的方向发生了变化。并且由于切削方向可以改变,刀具不必从工件表面缩回并在空中返回其起点即可开始另一次走刀。在某些条件下,刀片实际上可以在连续走刀中来回切削或上下切削。(当然,请记住,每次切割参数都必须更改以适应新的切割方向。)

使用 B 型刀片最容易掌握 CoroTurn Prime 刀片向后切削时发生的情况。通过在卡盘处进入工件并在向尾座行进时去除材料,可以应用小主偏角(A 型为 30 度;B 型为 25 度)和高导程角。这种方法将切削力和摩擦热分散到刀片切削表面的更大区域上,而不是传统的切削方法。它还产生更薄、更宽的切屑,不会将摩擦接触(和产生的热量)集中在刀片尖端的刀尖半径上。薄而宽的切屑可以通过断屑槽纹理的凹凸脊来控制,从而避免形成紧密卷曲材料的长股切屑。

该公司表示,这些有利的切削条件使应用程序能够从更积极的切削参数以提高生产率和延长、更可预测的刀具寿命之间的有利权衡中受益。换句话说,一个操作可以更快地去除更多的材料,或者让刀片的使用寿命更长。此外,传统的向肩部切削会导致刀片将切屑塞入工件直径变化的拐角处,而使用 PrimeTurning,切削动作发生在远离肩部的方向上。因此不会发生芯片干扰。

在本文顶部的插图中,您可能会注意到 B 型刀片具有不规则角度的轮廓,因此在刀片的每一侧,切削刃都有一个经过刀尖的宽角度,但随后以较窄的角度向后移动朝向刀片中心的角度。这使刀片的尖端具有一种独特的铲形。据说这种设计可以最大限度地提高切削刃的强度,并在刀尖半径开始变宽的地方产生修光刃效果。

在粗加工中,当快速去除材料是主要目标时,这种修光刃效应使剩余的毛坯表面光滑,从而使精加工更有效。该公司表示,更好的粗加工表面光洁度和更高的精加工效率是 PrimeTurning 方法生产率的双重提升。常规切削时,刀片刀尖处的半径使其能够像标准车削刀片一样执行,尽管也具有常规结果。

A 型刀片专为轻型和中型粗加工、精加工和精加工而设计,代表了相同尖端和切削刃几何形状的微型版本,在较大的 B 型刀片上更容易看到。A 型刀片同样具有较小主偏角、高主偏角和易于处理的切屑形状的优点。

然而,成功应用这两种类型的 CoroTurn Prime 刀片取决于 CNC 刀具路径的切削策略中的某些关键细微差别。对这些细微差别的讨论完善了对这些插入样式功能的基本解释。

编程不是关闭

近年来,CAM 软件开发人员提出了用于编程高效铣削例程的流线型技术,以进行型腔加工和仿形加工。正如山特维克可乐满开发人员在测试这种新车削概念的早期所意识到的那样,为全方位车削所需的移动编程将是一项挑战。他们还认识到,使用先进的 CAM 功能优化这一新工艺是一个获益的机会,与最近的编程进步(例如用于铣削的恒定切屑负载技术)不同。

“直到现在,车削实用程序和 CAM 软件包还没有提供 PrimeTurning 所要求的方向变化,”Ericksson 先生说。“这个过程还需要提供进入角和前导角,以及创建刀具路径以轻轻弧形进入工件,然后逐渐提高到适当的更高速度、进给和切削深度,从而赋予 PrimeTurning 潜力。”

2016 年,山特维克可乐满邀请 Mastercam CAD/CAM 软件开发商 CNC Software 作为合作伙伴开发编程软件以满足 PrimeTurning 要求。根据 Mastercam 产品总监 Dave Boucher 的说法,他的公司在该软件的动态车削和动态运动功能方面的经验,包括反直觉的刀具运动,预计将有助于 PrimeTurning 所要求的新颖思维。

公平地说,山特维克可乐满将向所有感兴趣的 CAD/CAM 开发人员提供该工艺的技术,并提供自己的 PrimeTurning 代码生成器。这是一个专用的软件实用程序,通过生成与接受此输入格式的 CNC 机器兼容的通用 ISO 代码来支持该过程。它可通过年度订阅作为基于云的应用程序使用。也就是说,作为 Mastercam 2018 版的一部分,Mastercam 支持这一过程的新的车削策略集现已推出。(根据协议,Mastercam 拥有在 2017 年 11 月 1 日之前使用该技术的独家权利。)因为这些策略很可能表明其他 CAM 软件开发人员将如何效仿,所以在这里查看 Mastercam 的见解和方法很方便。

例如,自动化能力是必不可少的。当用户打开 PrimeTurning 属性窗口时,标签页要求输入所有需要的值、选择和选项,以生成刀具路径。例如,策略的选择基于零件的形状。对于类似轴的零件,程序员可能会选择“水平”。要转动法兰,“垂直”是合适的。每个策略选择都会显示相应的刀具移动图,以及用于输入相关变量值的框。使用此输入,软件会自动执行应用此车削方法所需的所有计算和刀具路径生成。

例如,当 CoroTurn Prime 刀片在卡盘处进给零件时,其入口必须包括降低的进给率和刀具路径中的轻微圆弧,在该刀具路径中它以正确的深度与工件接合以进行纵向切削(向后,即朝向尾座)。这使刀片能够轻柔地接合材料,然后加速到全速和进给。精确的运动在本文顶部的 Mastercam 图像中很明显。

所有 Mastercam 策略都遵循山特维克可乐满为 PrimeTurning 工艺制定的规则。与每种刀片类型和切削策略相关的变量的起始值预先填充了切削刀具制造商的建议。这些值适用于最有可能成为 PrimeTurning 方法候选的工件材料。其中包括 ISO P 钢、ISO M 不锈钢和 ISO S 耐热超合金。这些规则还使软件能够识别何时选择的策略和输入的值在适当的情况下需要“正常方向”上的传统车削例程,而不是 PrimeTurning 方法。

“Mastercam 支持 PrimeTurning 的全部目的是简化该方法的应用,并帮助用户获得 50% 到 80% 的金属去除率增益和双倍的刀具寿命,这是该工艺的潜力所在,”先生。布歇说。

最终用户转向

山特维克可乐满直言不讳地说 PrimeTurning“并不适合所有人”。尽管该公司看到未来应用程序的广泛扩展,但当前的方法和专用刀片类型将对特定类别的用户最具吸引力。本文顶部幻灯片中的表格总结了迫使这些潜在用户应用此方法的条件。

“大批量制造商最有可能节省最大的单件成本,尤其是在车削是生产瓶颈的情况下,”埃里克森先生说。“由于径向力增加,该方法需要稳定的组件和刚性设置。这意味着传统车削可能仍然适用于细长部件的易振动部分。” 他补充说,PrimeTurning 最适合加工短而紧凑的工件和带有尾座的轴。对于大批量生产以及需要频繁设置和工具更换的组件来说,它是一个不错的选择。他还希望它最初应用于昂贵或高价值的工件。

Ericksson 先生强调,用户必须致力于将 PrimeTurning 方法作为一个多方面的系统,并且应该全面实施。他说,否则,就不太可能实现全部收益。“PrimeTurning 用户的形象正在成为一家在现有应用程序中非常胜任、乐于接受变革和新想法、拥有车间纪律文化并愿意投资于技术的车间。”

最后一点值得补充说明。Ericksson 先生认为,CoroTurn Prime 刀片是高价产品,尽管预期的回报使它们具有非凡的价值。除了这些专用刀片外,还需要专用刀架。目前,该公司提供 52 种不同的刀柄款式,可以接受 A 型或 B 型刀片,包括 Coromant Capto、CoroTurn QS 和方柄款式。A 型刀片的刀柄具有 TR 型锁定接口以确保稳定性。B 型刀片的刀柄有一个带垫片保护的刀尖座以增加强度。

CoroTurn Prime 刀片的刀柄具有多个孔口,可将内部进给的冷却液引导至切削刃。该公司表示,这些高压流旨在帮助控制热量并帮助排屑。冷却液的应用对于 A 型刀片尤为重要,因为每个角的刀尖没有 B 型那么大,因此它的吸热和抗磨损能力略低。出于这个原因,A 型刀片刀柄有一个针对刀片顶部的冷却剂喷嘴以及两个来自侧面的冷却剂喷嘴。

Ericksson 先生说,结果可以证明用户对这种总体方法的投资是合理的。例如,他指出,如果预计产能会增加,采用这种车削概念所带来的整体生产力收益可能会使生产车间推迟对新机床的投资。

金属加工有转机吗?

可以说,近年来,CNC 车床车削操作的生产率提升并未达到与 CNC 加工中心铣削操作相同的进步水平。这似乎归因于转向主要涉及“单点”过程这一事实。在大多数情况下,车刀上一次只有一个切削刃从车床中的单个工件上去除材料,而铣削通常涉及具有多个刃的切削刀具,例如多刃圆形刀具或带有多个刀片的铣头。加工中心还受益于快速更换托盘和在卧式机器的基座夹具上设置多个零件的选项。

Ericksson 先生认为,PrimeTurning 与车削金属去除率的现状有很大不同。“用户测试这项技术的初步反应表明,生产率提高 50% 的前景将改变大多数车削操作的游戏规则。采用这种方法并非没有挑战,但这样做的动机是令人信服的,”他说。

然而,更重要的是,他预测车削技术将出现一连串的新发展。“PrimeTurning 将刀具能力、加工能力、编程能力甚至劳动力能力之间的协同作用带到了前台,”他说。他补充说,一旦机器设计师、刀具制造商、软件开发人员和最终用户应用工程师开始对新的可能性敞开心扉,令人惊讶的创新可能会随之而来。

他指出,由于工业物联网和工业 4.0 等举措的兴起,全球商店和工厂中迅速出现的数字连接环境将加速和放大这些变化的影响。同时,他说山特维克可乐满有一个项目时间表,以通过额外的 CoroTurn Prime 刀片扩展 PrimeTurning 概念。“我们相信我们目前的产品只触及了全方位转向可能性的表面,”他说。

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