瑞士式切削加工技術(shù)及其應(yīng)用

   隨著現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)特別是IT產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以計算機(jī)產(chǎn)業(yè)為代表的新興制造業(yè)，其零件日益向尺寸小、重量輕、精度高的方向發(fā)展，特殊材料的使用也與日俱增。這種以“小、精、難”為特點的加工需求，是對制造業(yè)的新的挑戰(zhàn)，被稱之為“瑞士式加工”，近年來發(fā)展勢頭十分迅猛。在美國，為這種加工服務(wù)的工具和裝備制造商，兩年內(nèi)銷售增長了50%。應(yīng)該看到，這種發(fā)展趨勢，既是對機(jī)床工具工業(yè)的挑戰(zhàn)，同時也是一種新的機(jī)遇。本文是以瑞士式切削加工技術(shù)為中心，全面介紹國外一些工具公司應(yīng)用瑞士式切削刀具及加工技術(shù)的情況。  

   現(xiàn)今，廣大零件加工廠對于不斷傳來的有關(guān)制造業(yè)的壞消息，已經(jīng)習(xí)以為常了：諸如銷售下降、員工下崗、外來競爭加劇等等。但是，在精密制造業(yè)領(lǐng)域，情況卻與此截然相反：加工廠的運(yùn)行呈現(xiàn) 強(qiáng)勁勢頭。有人聲稱這種現(xiàn)象是金屬切削加工業(yè)一個不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢。這些趨勢包括：品種繁多的小型零件、精密工具技術(shù)和“按訂單大批量生產(chǎn)”。針對這種需求，開發(fā)出了瑞士切削加工技術(shù)。  

   這種類型的工具和制造技術(shù)，最重要的是突出一個“小”字。僅僅用公差嚴(yán)格來描述這類加工是不夠充分的。Remco Swiss公司的工長Steve Barani說：“不精確的刀具不能在這種加工中使用，例如0.125mm的公差是不夠用的。”該公司總裁Vince Robisch認(rèn)為0.125mm的公差完全不行。 

   為了說明他的觀點，Robisch總裁以一個直徑為1.575mm的微型螺釘為例作了介紹，該螺釘是用鈹青銅棒料車成，車削該螺釘時，刀具應(yīng)緊靠導(dǎo)套，其距離不超過0.508～0.635mm，否則會將材料頂彎。  

   Robisch認(rèn)為，瑞士式車削法是加工小型零件的唯一方法，其它型式的機(jī)床都無法勝任。這種加工有下述兩個特點：(1)有固定導(dǎo)套；(2)有軸向活動式前頂尖座。和普通車床不同之處是，瑞士式加工車床沿Z軸的移動由工件完成，刀具則沿X軸作徑向運(yùn)動。除了刀具和工件的結(jié)構(gòu)形狀外，保持精度的一個重要方面是刀具/工件的觸點要盡量靠近機(jī)床導(dǎo)套，一般為0.635～1.016mm。具體大小取決于工件直徑，直徑小時，其距離要短些。  

   Robisch總裁認(rèn)為，加工中，固定導(dǎo)套加上緊貼其后的刀具--刀具絕不能遠(yuǎn)離導(dǎo)套。這兩個條件合起來，就可取得高精度。機(jī)床頭架則帶著棒料來回移動，使工件通過刀具進(jìn)行切削。  

   Cox制造公司總裁Bill Cox指出，一方面導(dǎo)套對瑞士式加工至關(guān)重要，但另一方面，它也帶來了不少問題。這是由于工件長徑比變化所致。這種現(xiàn)象在使用成形棒料(如正方形和六方形截面)時尤為突出。成形棒料在導(dǎo)套中運(yùn)轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的車削不均勻性要比無導(dǎo)套的固定頭架式機(jī)床嚴(yán)重。  

機(jī)械式和數(shù)控式機(jī)床的選擇  

   瑞士式加工用的機(jī)床，可分為凸輪式和數(shù)控式兩種。凸輪式機(jī)床又可細(xì)分為兩種：一種是普通型的“工件轉(zhuǎn)動式”，另一種則是“工件固定式”，刀具繞工件旋轉(zhuǎn)的螺旋進(jìn)給式車床。  
   
   在Remco公司，工件旋轉(zhuǎn)式的凸輪機(jī)床，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于昂貴的數(shù)控機(jī)床，數(shù)量約為4∶1。同時，像眾多瑞士式加工工廠一樣，Remco公司傾向于采用專用刀具和專用凸輪。該公司總裁Robisch聲稱，我們不采用現(xiàn)成的通用刀具，接到一個新零件的訂單，我們就設(shè)計專用刀具，這些刀具只為這個零件服務(wù)。完成任務(wù)后，把刀具保存起來。下次又有同類零件需要加工時，就不必重新設(shè)計刀具，用戶也不必再付刀具費(fèi)用。

   Cox制造公司認(rèn)為，凸輪式制造工藝迄今仍很適用并具有生命力的原因是，20年前用舊工藝制造一組凸輪，既不精確，費(fèi)用也高。而今天的凸輪用專用軟件設(shè)計，在數(shù)控機(jī)床上加工，既精確又經(jīng)濟(jì)，可以說是數(shù)控技術(shù)提高了凸輪式機(jī)床的功能。  

   Bay Swiss制造公司的工長Dave Branvold指出，瑞士式加工刀具的特點，除了小型外，還需要有較大的后角，以減小切削壓力，使刀具不致于承受過多的摩擦力。否則，棒料有可能卡在導(dǎo)套里。這種刀具的第二個特點是需要正前角。直到最近幾年，人們不采用可轉(zhuǎn)位刀片，其原因是滿足不了上述要求，這就迫使加工廠不得不用硬質(zhì)合金刀坯自行磨制合適的刀片�，F(xiàn)在，由于可轉(zhuǎn)位刀片結(jié)構(gòu)性能的改善，使用已日漸增加。  

   Branvold提到的情況，在瑞士式加工中不是個別現(xiàn)象。許多加工廠都認(rèn)為最簡便的辦法是用釬焊式硬質(zhì)合金刀具，自行磨出合適的角度。Branvold、Robisch和Cox制造公司都強(qiáng)調(diào)，他們在加工中需要專用刀具。Cox制造公司認(rèn)為，我們的刀具是專為特定用途磨制的。  

   Stellram工具公司的技術(shù)經(jīng)理David Wills對上述情況表示理解。他說：“我們一直和這一加工領(lǐng)域保持著聯(lián)系。作為從歐洲過來的一家專業(yè)工廠，我們的優(yōu)勢在小型車削加工方面。本公司一直尋求在適當(dāng)?shù)念I(lǐng)域里幫助用戶：假如用戶在其他工具供應(yīng)商那里解決不了問題，我們愿與之合作，提供服務(wù)。我們的研發(fā)部門會幫助其改善質(zhì)量和縮短工時�！�   

   對工具供應(yīng)商來說，瑞士式刀具增長最強(qiáng)勁的部分是在數(shù)控加工領(lǐng)域。瑞士式加工中的數(shù)控機(jī)床和凸輪式機(jī)床不同之處在于：刀具主要采用涂層可轉(zhuǎn)位刀片。Cox制造公司聲稱，在瑞士式數(shù)控加工中，我們多數(shù)采用可轉(zhuǎn)位刀片。  

   Micro-Matics公司總裁Dick Reiling指出，他并不認(rèn)為有朝一日所有從事瑞士式加工的工藝人員都會停止自制刀具。但是他承認(rèn)，我們正在試著盡量采用可轉(zhuǎn)位刀具。盡管它們很貴，但刀具磨損后更換簡便，工時損失很少。  

市場在增長  

   是什么力量使瑞士式加工獲得不斷增長？Stellram工具公司的技術(shù)經(jīng)理David Wills認(rèn)為，這是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)拉動了瑞士式加工的發(fā)展。零件日益向尺寸小、重量輕發(fā)展，非常規(guī)材料的使用也日漸增多，精度要求也很高。一些瑞士式加工的設(shè)備供應(yīng)商表示：最近兩年，他們的業(yè)務(wù)量增長了45～50%，而其他任何機(jī)床供應(yīng)商是不可能在兩年內(nèi)達(dá)到50%的增長。  

   Centary工具和設(shè)計公司的副總裁Raymond Koontz同意上述觀點。他認(rèn)為，高技術(shù)領(lǐng)域的需求，特別是計算機(jī)產(chǎn)業(yè)對精密不銹鋼零件的需求，是瑞士式加工增長的最大原因之一。  

   例如，在一種雙向接觸開關(guān)上，有兩個零件可作為采用瑞士式加工制作的眾多零件的代表。一種是用于根部通道的鈦合金插件，另一種是液壓系統(tǒng)的鋼制針形閥。它們的特點是細(xì)而長且又很精密的零件，內(nèi)徑公差要求0.01mm，外徑公差要求在0.0076mm。  

   在裝備了瑞士式螺絲車床的工廠里，生產(chǎn)上述類似零件的批量為1000～500000件，有時批量更大。單件工時低達(dá)6.5秒。這種瑞士式加工一般都在專門化的工廠中進(jìn)行，而且通常在第一次走刀就切除90%的留量。這樣做的優(yōu)點是能在長工件加工中保持同心度，并省去磨削等精加工工序。  

   然而，瑞士式加工的質(zhì)量要達(dá)到高水平是有條件的：首先是工件毛坯棒料要圓而均勻。如果棒料有偏差，就會反映到工件上。所以，按瑞士式質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的銅、鋼和不銹鋼棒料，加嚴(yán)了公差，滿足了均勻一致的要求。但瑞士式質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的冷拔棒料，并無現(xiàn)貨供應(yīng)。可以用普通冷拔鋼加一道去表皮磨削加工來保證其圓度。這樣，費(fèi)用要增加15％～20%。  

   Lombord Swiss Screw公司是一家瑞士式加工廠。它車削紫銅、黃銅、磷青銅、鋁、含鉛鋼、易切鋼、300和400系列不銹鋼和鎳鉻鉬合金(8620S)等。該公司總裁Bernie Seewald發(fā)現(xiàn)，刀具壽命隨工件光潔度要求而變，而材料變化的影響更大。例如，一把刀具加工同樣的零件，材料為不銹鋼時能切2000件，材料為易切紫銅時能切3000～4000件，而材料為黃銅時達(dá)到20000～50000件。Seewald說：“由于303和416系列不銹鋼很難切削，所以我們采用Carpenter project70系列不銹鋼，它比較容易切削。刀具一般采用Micro 100硬質(zhì)合金釬焊式刀具，用金剛石砂輪修磨角度。此外，也采用TiN涂層的可轉(zhuǎn)位刀片�！�  

   刀具的壽命與工件的結(jié)構(gòu)設(shè)計也有關(guān)。例如，加工直角臺肩和轉(zhuǎn)角時，其刀具壽命就比加工圓角時低。對某些材料的直角零件加工，其刀具壽命只1000件。  

   由于瑞士式加工的機(jī)動進(jìn)給是左旋的，所以各種刀具包括鉆頭、鉸刀等必須是左切削的。這就使刀具成為非常規(guī)品種。例如左切削鉸刀就沒有穩(wěn)定的現(xiàn)貨供應(yīng)，使用廠不得不自制。  

   在瑞士式加工中，還必須注意刀具和工件之間、工件與機(jī)床之間的相互影響。例如，在加工中使用夾頭內(nèi)置導(dǎo)套雖有助于車削長型零件，但在加工小直徑零件時，由于切削區(qū)域的導(dǎo)熱能力受到限制，熱膨脹的影響就成為問題。所以要限制切削速度，以免產(chǎn)生過多熱量以致把工件焊住在導(dǎo)套里。例如，加工直徑3.175mm，長度為50.8mm的零件，其切削速度必須在27.4m/min以下。  

   在瑞士式加工中，盡管新型機(jī)床都是數(shù)控的，但估計凸輪式機(jī)床仍占60～70%。即使是數(shù)控機(jī)床，也是用來加工小型零件，一般棒料最大直徑不超過31.75mm。過大的棒料會造成裝卸困難。例如，直徑大至50.8mm，長度為3658mm的毛坯，由于笨重，所以裝卸困難。此外，大尺寸零件要保持嚴(yán)格的公差，就要付出高昂的代價，這也可以說是對瑞士式加工零件尺寸大小的一種內(nèi)在限制。   

   當(dāng)前在瑞士式加工領(lǐng)域中，正面臨著操作人員、調(diào)整人員和編程人員的嚴(yán)重短缺。除了人員短缺外，瑞士式加工中機(jī)床的調(diào)整和編程也是一項困難的挑戰(zhàn)。通常一臺CNC機(jī)床加工一種新零件，其調(diào)整時間長至8小時，內(nèi)容包括多至16把刀具和多達(dá)7軸的刀具路徑及其正確依次運(yùn)作的安排，以及棒料進(jìn)給器的調(diào)整，最終確保加工出合格的零件。  

   Rose培訓(xùn)系統(tǒng)公司的Steve Rose說：“標(biāo)準(zhǔn)的培訓(xùn)周期是：培訓(xùn)一名機(jī)械操作人員至一級水平，即能操作瑞士式加工機(jī)床，約需2～3個月；培訓(xùn)至2級水平，即能調(diào)整機(jī)床，約需9個月；培訓(xùn)至3級水平，即學(xué)會編程，約需1年�！睉�(yīng)該說，上述這些培訓(xùn)還沒有包括老式機(jī)床的凸輪設(shè)計和制造所需要的技能和知識在內(nèi)。而這些老式機(jī)床至今仍大量用于技術(shù)要求較低的零件生產(chǎn)。  

   以往，瑞士式加工工廠所使用的刀具是由硬質(zhì)合金刀片焊接在鋼制刀桿上，所以這類刀具稱為釬焊或粘接式刀具。但近年來情況有所變化，很多工具制造商針對瑞士式加工的需要，推出了更多適銷對路的可轉(zhuǎn)位刀片品種。雖然釬焊式刀具的單件成本較低，而且可重磨10多次(甚至上百次)，而可轉(zhuǎn)位刀片只能轉(zhuǎn)幾次位后丟棄。但是，提高勞動生產(chǎn)率的需要使得瑞士式加工工廠增加了可轉(zhuǎn)位刀具的試用。Whiz Cut(美國)公司總裁Tommy Townsend指出了這種動向。他說釬焊式刀具需從機(jī)床上取下重磨，再把它重新裝上機(jī)床并調(diào)整到正確位置，這件事做起來要比可轉(zhuǎn)位刀具困難得多，而且取下、重磨、再安裝調(diào)整時間長達(dá)5分鐘�？赊D(zhuǎn)位刀具用鈍后轉(zhuǎn)個位置只需11秒鐘，而且保持刀具和工件的相對位置不變。他認(rèn)為釬焊式刀具已經(jīng)是一種過時的技術(shù)。假如把機(jī)床輔助時間和勞動工時的損失都考慮在內(nèi)，釬焊刀具的成本則高達(dá)1000美元。現(xiàn)在，工具廠商不斷推出新的可轉(zhuǎn)位刀片，任何人都能選到適用的刀片。所以，人們開始不大使用釬焊刀具了。Townsend最后指出：“隨著瑞士式車削加工的增長，以及瑞士式加工工廠消費(fèi)更多的可轉(zhuǎn)位刀片，在美國市場上這類刀具的需求急速增加。我們已經(jīng)擁有150家用戶，這個數(shù)字每天都在增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了原來的預(yù)期�！�   

   Manchester工具公司的瑞士式刀具生產(chǎn)部經(jīng)理Dave Strobelt也認(rèn)為：瑞士式加工每年都在增長。但就全美國的金屬切削市場而言，比重仍不到10%。盡管如此，刀具制造商仍關(guān)注著這個潛在的市場。從發(fā)展趨勢來看，將會有越來越多的工具廠商提供為瑞士式加工服務(wù)的專門刀具品種。  

涂層刀片   

   Manchester工具公司的瑞士式刀具生產(chǎn)部經(jīng)理Dave Strobelt指出，由于涂層的使用，使可轉(zhuǎn)位刀片不僅方便高效，而且在改善工件表面光潔度、減少積屑瘤和改善切屑控制方面都卓有成效。Manchester公司的雙頭刀片，經(jīng)磨銳，并用PVD涂覆TiN和TiCN，使刀片在加工300系列不銹鋼時有效地防止積屑瘤的產(chǎn)生。刀片上的斷屑器還可對這種不銹鋼切削時產(chǎn)生的帶狀切屑予以控制。Strobelt還指出，該公司生產(chǎn)的一種CSV刀片，經(jīng)精磨、拋光，達(dá)到鏡面光潔度，從而保證被切的工件表面更加光潔。這一點對于小尺寸(直徑小于5mm)的醫(yī)療、牙科器件加工至關(guān)重要。這種刀片對凸輪式和數(shù)控式機(jī)床都很適用。  

   Stellram工具公司的Wills也指出，小直徑和外形復(fù)雜是瑞士式車削加工零件的典型特征。這種零件加工時，要求工具廠提供的刀片經(jīng)過精細(xì)磨銳，使用時可不必對刀口作額外修整。他還指出，對瑞士式加工的場合而言，單涂層效果最好，過厚的涂層(5～6μ)反而不適用。  

   NTK工具公司的助理總經(jīng)理Noal Buschmohle指出，涂層能延長刀具壽命，所以，NTK公司銷售的瑞士式加工刀片90%都經(jīng)過涂層。盡管公司一再強(qiáng)調(diào)，用戶自行重磨可能產(chǎn)生裂紋、破損和光潔度惡化等弊病，但仍有一些用戶習(xí)慣于自行重磨，為照顧這部分需求，本公司的出廠刀片有10%不涂層。   

   Century工具公司的Koontz除了同意涂層對延長瑞士式刀具壽命十分重要外，還特別強(qiáng)調(diào)切屑控制的必要性，特別是切斷刀。他認(rèn)為，Century的切斷刀片末端都開了條槽，用于“粉碎”切屑。假如沒有這條槽，切屑就會卷成Q形，然后再折斷推出。這個過程使切屑擋住了冷卻油使之無法抵達(dá)刃口。而帶斷屑槽的刀片使切屑剛剝離就立即被粉碎，從而使切削油持續(xù)澆向刃口。  

刀片基體  

   瑞士式加工的刀片，絕大部分都用細(xì)顆粒硬質(zhì)合金作基體。  

   Kyocero工業(yè)陶瓷公司的應(yīng)用工程師Brent Lindsey說，在瑞士式加工中，有少量刀片采用金屬陶瓷和陶瓷。而刀具材料的選擇主要取決于加工工序的情況和工件材料。  

   Iscar金屬(美國)公司的技術(shù)培訓(xùn)部主任Mike Gadzinski指出，瑞士式加工的刀片基體基本上都是硬質(zhì)合金。金屬陶瓷刀片在高速條件下應(yīng)用時，因為切屑流動輕快，可獲得較好的工件表面光潔度。但是，瑞士式加工機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速通常不夠高，所以更適于使用硬質(zhì)合金刀片。在低于213m/min的速度下，金屬陶瓷無法顯示其優(yōu)勢。  

   Manchester工具公司的瑞士式刀具生產(chǎn)部經(jīng)理Dave strobelt認(rèn)為，涂層和基體的優(yōu)化匹配程度決定速度和進(jìn)給量的使用水平。  
   Stellram工具公司的技術(shù)經(jīng)理David Wills強(qiáng)調(diào)，細(xì)顆粒硬質(zhì)合金基體對瑞士式車削十分重要。但他又認(rèn)為，刀具性能60%取決于涂層質(zhì)量及其結(jié)合強(qiáng)度，僅有40%才分別是刀片基體和幾何參數(shù)的影響。  

   在采訪中，所有的工具制造商都同意這樣的看法：即隨著瑞士式刀具消費(fèi)量的日益增加，必將有更多的高效可轉(zhuǎn)位刀具推出，用以取代普通的釬焊刀具。  

   Manchester工具公司的瑞士式刀具生產(chǎn)部經(jīng)理Dave strobelt說：“我相信，在用戶需要的刀具品種都能買到的時候，他們就會對可轉(zhuǎn)位刀具樹立信心�！�