高性能切削加工刀具的全面优化方法 International Conference on Sustainable Manufacturing (ICSM 2016), Shanghai 2016.11.04 Gühring KG Su Zhu
内容提要 R&D 团队 钴领集团的研发团队 刀具的全面优化方法 应用与开发实例 ICSM 2016 Su Zhu 2
钴领团队 48 个国家及区域分公司 25 个销售伙伴 75 个生产与服务中心 借助钴领 US 系列通用磨床 ( 自主研发生产 ), 打造全球统一的钴领质量 拥有全球产品专家的强力技术支持 ( 例如组件管理 ) 遍布全球的销售及生产网络确保了最短的响应时间 ICSM 2016 Su Zhu 3
研发实力 > 100 名研发人员 > 750 项专利 5% 的销售额用于研发创新代表 : HSK- 接口 TiN- 氮化钛涂层 超硬材料切削 HSC-/HPC- 高速 -/ 高性能切削 MQL 微量润滑 加工纤维复合材料 ( 纤维增强塑料 ) 难加工材料的切削 工艺参数存档 - 测量力 刀具数字化处理 工艺仿真 电子扫描显微镜 工艺影像存档, 影像帧频达 680.000 FPS 工艺热成像存档 ICSM 2016 Su Zhu 4
全面优化 基于整个生产工艺来协调生产和研发部门 涂层自主研发涂层技术并生产涂层设备 刀具材料自主研发并生产的硬质合金材料 刀具几何尺寸自主设计, 制造及仿真新的刀具几何尺寸 机床及设备自主研究生产的机床设备 ICSM 2016 Su Zhu 5
全面优化 为了提高刀具的切削性能, 研发时需要兼顾所有影响因素之间的耦合作用 刀具材料 宏观尺寸微观尺寸 涂层表面处理 ICSM 2016 Su Zhu 6
全面优化 仿真 刀具材料 高性能刀具 涂层表面处理 特定需求 Geometrie 客户 制造客户订制刀具 持续不断的改善已有刀具的性能 ICSM 2016 Su Zhu 7
现阶段研发重点 难加工材料的钻削加工 微观尺寸的优化 铝合金材料的深孔钻 镍基合金 混合材料 ICSM 2016 Su Zhu 8
现阶段研发重点 难加工材料的铣削加工 碳纤维复合材料的铣削 钛合金材料的铣削 HPC 高性能面铣刀 增材制造 钻 铣 中心 可允许的偏移 ICSM 2016 Su Zhu 9
现阶段研发重点 难加工材料的钻削加工 微观尺寸的优化 Tieflochbohren in Aluminium Nickel- Basislegierungen Hybridwerkstoffe ICSM 2016 Su Zhu 10
前刀面和后刀面的优化 槽内倒角 切削刃刃口钝化处理 温度分布 排屑槽 表面质量提高 摩擦阻力降低 牢固且光滑的切削刃 与涂层材料更好的黏合 降低进给力 提高了排屑性能以及导热性能 ICSM 2016 Su Zhu 11
TYP-HF TYP-VA TYP-U 前刀面和后刀面的优化 微观几何形状优化之前优化后结果 250 x 500 x 100 x 500 x ICSM 2016 Su Zhu 12
应用实例 连杆的加工 完整加工工艺 : 丝锥切削或挤压 使用装配 ISO 刀片并且径向可调的刀具加工连杆小眼 锪面 高性能的钻头加工螺纹底孔和螺栓过孔 HR500 高性能铰刀确保孔的精度 ICSM 2016 Su Zhu 13
应用实例 连杆的加工 新型合金钢材料的切削刀具应用优化 (70MnVS4) 研发新型硬质合金材料 : Gühring-Pleuel HM K40UF_PL 研发新型涂层 : 纳米复合材料涂层 (Signum,Endurum) 研发新型刀具几何尺寸 : 最优化切削刃几何参数最优化刃口处理技术 革新 : 一把刀具同时完成螺栓孔德粗精加工 Parameter v c = 70 120 m/min F = 0,025 max. 0,029 x Ø ICSM 2016 Su Zhu 14
现阶段研发重点 难加工材料的钻削加工 Optimierung Mikrogeometrie 铝合金材料的深孔钻削 Nickel- Basislegierungen Hybridwerkstoffe ICSM 2016 Su Zhu 15
硅铝合金的深孔加工 切屑形成及温度分布模拟 RT100TAL in G-AlSi 7 钻尖修磨 大的横刃修磨 R 角, 从而优化了切屑成形 优化横刃修磨表面及后刀面的表面质量, 以此减少积屑瘤的形成 刃口锐化 良好的切削性能, 同样适合于加工经过热处理的硅铝合金材料 短切屑 : ICSM 2016 Su Zhu 16
硅铝合金的深孔加工 钻孔孔深 Ø 7,0 mm 30 x Ø 进给转速 MQL 微量润滑 : v f = 7.000 mm/min n = 10.000 U/min 油量 =50 ml/h, 油压 =5 bar ICSM 2016 Su Zhu 17
内冷孔优化 限定内冷孔拓扑形态 三棱形内冷孔使得冷却效率最高 圆形 Trigon 形状 ICSM 2016 Su Zhu 18
气流及油量分布 标准内冷孔截面面积 = 0,97 mm² 增大的内冷孔截面面积 = 1,34 mm² 三棱形的内冷孔截面面积 = 1,34 mm² 流速 340 m/s 0 润滑油浓度 3,2 ml/m³ 0 ICSM 2016 Su Zhu 19
现阶段研究重点 难加工材料的钻削加工 Optimierung Mikrogeometrie Tieflochbohren in Aluminium Nickel- Basislegierungen 混合材料 ICSM 2016 Su Zhu 20
堆栈混合材料的加工 在钻出孔时不会引起 FRP 材料的纤维散裂! 钻孔过程中的金属切屑不会改变 FRP 材料孔径! 不会产生毛刺! ICSM 2016 Su Zhu 21
毛刺高度 减少毛刺生成 基于 CFRP 与钛合金混合材料的加工实验 : 达磨损标准的钻头外观, 以及对应情况下钻通材料时产生的毛刺高度对比分析 350 µm 250 200 267 277 几何尺寸要素 : 钻尖角 前角 后角 钻尖角形式 切削刃钝化 150 100 50 77 0 Ti Vc= 18 m/min ; f= 0,04 mm/u 加工工艺参数 RT 100 HF RT 100 VA 818 Nr.1 ICSM 2016 Su Zhu 22
减少毛刺生成 250 µm 140 温度 250 C Variation der Schneidecken-Präparation 150 100 147 150 100 毛刺高度 50 50 0 0 5000 10000 15000 20000 ms 30000 10 0 时间 ICSM 2016 Su Zhu 23
要求 : 短切屑 断屑槽形状 : 特点 : - 钻尖修磨形式适合于复合材料的加工要求 不会引起分层 - 新型排屑槽设计 : 切屑会非常紧密的蜷曲, 并以小段团形式断裂 此外 : 将排屑槽延伸到了刀柄尾部 切屑能更快的从孔内排出 采用内冷孔 降低了加工时切削刃的温度 对 CFK 材料不会造成热损伤 正常切屑 带断屑槽后产生的切屑 ICSM 2016 Su Zhu 24
振动辅助加工 传统钻削 排屑冲程通过机器控制 叠加低频的轴向方向振动 (A: < 280 µm / < 250 Hz) 叠加高频的轴向方向振动 (A: < 15 µm / 20-50 KHz) 引用 : WZL Aachen 引用 : Mitis 引用 : Sauer DMG + 加工时间 + 机床成本 - 长切屑 - 对材料有冲击磨损 - 加工进给力大 + CNC 机床上可编程 + 机床成本 - 加工时间 - 加工进给力大 - 刀具使用寿命 + 加工时间 + 切屑尺寸可变 + 更低的进给力 + 刀具使用寿命 - 振动频率依赖于转速 - 振动系统成本 - 机械性磨损 - 另装扭矩支架 + 加工时间 + 更低的进给力 + 振幅跟振频独立可控 - 夹具成本 - BAZ 加工中心成本 ICSM 2016 Su Zhu 25
振动辅助加工 不同幅值条件下的的钻削比较 振幅 0 mm CFRP Titan 1,5 / 2,5 每进给一圈振动次数 振幅 0,04 mm 平均值 F z = 331 N 振幅 0,1 mm 平均值 F z = 314 N 非标钻头参数 : 材料 : d = 6,35 mm v c = 25 m/min, trocken, f konst = 0,08 mm/u, v f = 100 mm/min, 2,5 振次 /U 6mm CFRP/ 19 mm TiAl6V4 平均值 F z = 297 N ICSM 2016 Su Zhu 26
振动辅助加工 切屑形成比较 无振动振幅 _1 振幅 _3 振幅 _5 振幅 _7 Vergleich Bearbeitungstemperaturen 传统干冷 传统干冷 + MQL 微润滑 震动辅助 + 干冷 ϑ max = 619 C ϑ max = 225 C ϑ max = 416 C ICSM 2016 Su Zhu 27
孔径大小 孔径大小 振动辅助加工 传统加工方法 7,5 mm 7,1 6,9 6,7 6,5 6,3 1 20 40 60 80 100 钻孔数 z= -3mm (CFK) z= -8,5mm (Titan) z= -16,5mm (Titan) CFRP 材料被强烈的冲蚀 叠加振幅为 0,1 mm 的振动 7,5 mm 7,1 6,9 6,7 6,5 6,3 1 20 40 60 80 100 120 钻孔数 z= -3mm (CFK) z= -8,5mm (Titan) z= -16,5mm (Titan) CFRP 材料没有被冲蚀 ICSM 2016 Su Zhu 28
毛刺高度 孔径大小 孔径大小 振动辅助加工 传统加工方法 叠加振幅为 0,1 mm 的振动 7,5 mm 7,1 6,9 6,7 6,5 6,3 1 20 40 60 80 100 钻孔数 z= -3mm (CFK) z= -8,5mm (Titan) z= -16,5mm (Titan) 0,3 6,40 mm 6,36 6,34 6,32 6,30 1 20 40 60 80 100 120 钻孔数 z= -3mm (CFK) z= -8,5mm (Titan) z= -16,5mm (Titan) 钻通孔时的毛刺生成 mm 0,1 0,0 1 20 40 60 80 100 120 钻孔数 Schwingungsüberlagert 叠加振动 Konventionell/ 传统加工方法 Hydrodehn ICSM 2016 Su Zhu 29
现阶段研发重点 难加工材料的铣削加工 CFK-Fräsen Titan-Fräsen HPC 高性能铣削 Additive Manufacturing Fräser Bohrung Zulässige Auslenkung Zentrum ICSM 2016 Su Zhu 30
带 MQL 微润滑的 HPC 高性能铣削 缸盖 : G-AlSi9 HPC 铣刀 Ø 125 mm, 齿数 27 目标 : 无切屑进入工件内腔 超高速进给 超高表面质量 MQL 流体学模拟 : 刀具设计原则 : 冷却液必须均匀地供给到所有切削刃 ICSM 2016 Su Zhu 31
带 MQL 微润滑的 HPC 高性能铣削 缸盖 : G-AlSi9 HPC 铣刀 Ø 125 mm, 齿数 27 v c = 5.890 m/min n = 15.000 min -1 f z = 0,15 mm/u v f = 60.000 mm/min 平均表面粗糙度 : Rz = 2 4 µm ICSM 2016 Su Zhu 32
带 MQL 微润滑的 HPC 高性能铣削 ICSM 2016 Su Zhu 33
带 MQL 微润滑的 HPC 高性能铣削 无切屑接触到工件表面! ICSM 2016 Su Zhu 34
带 MQL 微润滑的 HPC 高性能铣削 特点 : 噪音排放降低 超高速进给大大缩短了加工时间 毛刺减少 表明质量提高 减轻工件的后续清洁工作 高刀具寿命 ICSM 2016 Su Zhu 35
总结 钴领遵从全面开发以及优化刀具的理念 高性能刀具的高效研发需要考虑到在加工过程中基底材料 几何形状及涂层之间的相耦合影响特性, 需根据所选工件材料和加工参数, 进行匹配 有针对性的仿真模拟有效支持了刀具的全面开发 使用高科技测量仪器使加工过程中各种特征机理得到深入认知 分析 因此, 针对难加工材料所定制的刀具能在极短的时间内按照客户的期望设计生产出来, 从而 : 节约能源 节约资源 可持续制造 可持续完善 ICSM 2016 Su Zhu 36
衷心感谢大家的关注! ICSM 2016 Su Zhu 37