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修整刀具--幕后专家

时间:2021-09-02来源:KAPP NILES

导语:在齿轮加工领域,传统的磨削刀具常常是通过电镀方法生产的。使用这种方法,在一个经过高精度打磨、淬火加工过的基体上镀上一层CBN-立方氮化硼砂晶粒或金刚石晶粒。CBN在硬度上仅次于金刚石,是已知材料中第二硬的。陶瓷的研磨体则是由一个均匀的内部结构组成。

  陶瓷刀具近年来在需要超高精度的加工领域中,赢得了日益广泛的应用。与其他技术相比,它们不仅在精确度方面,在经济性方面也展现出越来越大的优势,比如在齿轮生产加工技术上的应用。

  如果不计较加工时间的长短,人们可以按照任意高的精度进行加工。但是,俗话说“时间就是金钱”,如今这一点比以往任何时候都更重要更有意义。大批量生产加工通常要面对许多挑战,比如要同时满足精确、快速和成本低廉的要求。机动车变速器就是一个很好的例子,因为它对于功率重量比、噪声和有效作用系数都有着极高的要求。然而,所需的精度不能过分加重生产成本的负担,这正是机械制造产业中的一大挑战。位于科堡的磨齿和成形磨削技术的专业生产商卡普奈尔斯集团,为此向客户提供全面多样化的解决方案。

  陶瓷代替电镀?

  在齿轮加工领域,传统的磨削刀具常常是通过电镀方法生产的。使用这种方法,在一个经过高精度打磨、淬火加工过的基体上镀上一层CBN-立方氮化硼砂晶粒或金刚石晶粒。CBN在硬度上仅次于金刚石,是已知材料中第二硬的。陶瓷的研磨体则是由一个均匀的内部结构组成。这就简化了生产过程,从而降低了生产成本。与电镀生产的刀具不同,陶瓷刀具可以被修整,最终用户可以对其进行成形和磨锐加工。多年来卡普奈尔斯致力于可修整的,也就是结合陶瓷工艺的刀具,以及为之配备的高精度金刚石修整刀具的开发,客户群持续增长日益庞大。这项技术的优势十分显著。使用无需修整的电镀CBN-刀具进行展成磨削,根据工件的几何形状和要求,加工5000-20000个工件之后必须送回生产厂家进行重镀。而采用陶瓷刀具的话,取决于工件,在加工20-100 个工件之后就必须进行修整了。但是磨削刀具不需要送回生产厂家,使用适合的金刚石修整刀具在机床内部即可完成修整(图1)。

  这等于一次面对两个挑战:机床变得更加复杂,生产过程也总会由于修整工序而一再被中断。尽管如此,这种加工方法依然很有价值。虽然与无需修整的刀具相比,可修整的陶瓷刀具磨损得更快,但是可以利用为之配备的金刚石修整刀具对其反复进行重新磨锐。修整刀具视应用情况而定,可以完成数百次的修整磨锐任务。这种工艺还有另外一个优点,尽管磨损高,却能保持稳定的高质量。这是一个悖论吗?在卡普奈尔斯集团从事加工工艺开发和刀具产品管理的硕士工程师乌尔里希羽博解开了这个谜团:“无需修整的刀具在使用过程中会逐渐产生齿廓形状偏差,刀具的切削能力也将逐步变下降。人们想要越高加工精度,就必须越早更换刀具。在可修整的磨削加工中,陶瓷磨削刀具的齿廓可以用金刚石修整刀具反复进行重塑成形,从而使得陶瓷刀具能够一直被重新磨锐。与此同时,传感器监控修整过程。因此可以保证在修整刀具的整个使用寿命中,磨削加工的工件有着非常稳定的质量。”

  另外,时间因素也值得进一步关注。对于大部分工件来说,人们在使用陶瓷刀具的时候,可以采用较快的进给速度和较大的进给量,这样就弥补了一部分用于修整的辅助时间。尽管如此,用于修整的辅助时间依然无法忽略。然而,修整时间是可以尽量缩短的。在这方面,卡普奈尔斯根据不同的磨削工艺研发出了一系列金刚石修整刀具,这些刀具当然也可以在其他品牌的机床上投入使用。

  它们可划分为成形修整滚轮、灵活成形修整滚轮和修整齿轮。

  修整磨削蜗杆

  使用磨削蜗杆进行传统的展成磨削加工,可以连续加工带有自然扭曲的工件,从而在紧迫的规定时间内完成大批量生产。

  但是,展成磨削也可以用于加工带有针对性扭曲设计的工件。这就是人们所说的拓扑展成磨削。不管刀具的齿形多复杂,在任何情况下都应该尽可能的保持较短的修整时间。图2展示了各种产品类型。

  尤其值得一提的是家族中的最新、也是最快的成员:多槽全齿廓修整滚轮,它是修整工具家族中的“短跑健将”。与惯用的金刚石成形修整滚轮相比,根据槽数的不同,最多可缩短三分之二的修整时间。这种刀具是针对工件特定的,也就是说是专门为定义了尺寸规格的工件而设计的。滚轮的涂层采用逆向电镀工艺制造。另外一种省时的刀具,是带有一体化齿顶修整器的金刚石修整滚轮,可以同时修整陶瓷蜗杆砂轮的工件齿面齿廓和齿顶形状。假如可以放弃单独修整磨削刀具外径的灵活性,这就节省了一道工序。图像说明了选择适用的刀具,将会对灵活性的变化产生怎样的影响。拓扑修整提供最高的自由度,采用拓扑修整,修整刀具和陶瓷刀具之间近乎于点状接触,因此可以将其塑造成任何想要得到的形状。此类刀具最典型的应用就是样品制造。

  修整滚轮的品质特征

  卡普的修整滚轮既可以使用人工合成的金刚石也可以使用天然的金刚石进行制作。齿顶圆角半径较小的修整滚轮,通过一种可持续使用的高耐磨的CVD-金刚石片强化滚轮边缘。齿廓精度可达2μm,模数可小于1.0毫米。借助于展成磨削模拟软件,可以计算刀具几何并确保数据无误。这样以来,磨齿加工中的典型参数,如齿廓修形、齿根形状以及扭曲量,都可以得到精确调整。修整滚轮可根据磨损情况,进行重新磨削或完全重镀。

  修整磨削砂轮

  磨削砂轮的修整,需要采用所谓的金刚石灵活成形修整滚轮(图3)。

  这种刀具的几何形状基本上由一个高精度的半径组成,而不像展成磨削加工中的修整滚轮有复杂的层次。相应的,此类刀具的选择范围也比较小。主要可划分为两种类型:单半径修整轮和双半径修整轮(图4)。

  后者由于稳定性高的原因,被应用于高精度的成形磨削加工。这就抵消了修整刀具在与待修整的磨削砂轮接触时产生变形的风险,特别是在半径很小的情况下。金刚石灵活成形修整滚轮的半径范围是0.1至3毫米,适用于外径范围80-230毫米的刀具。

  金刚石灵活成形修整滚轮的品质特征

  和其他修整滚轮一样,使用金刚石灵活成形修整滚轮进行修整的齿廓,也能实现2μm的精度(图5a 5b)。

  用两种不同类型的切削镀层来进行区别划分。其中一种采用嵌入CVD(化学气相沉积)的处理方法强化齿廓。视磨损情况而定,CVD可在保证齿廓质量不变的情况下,进行五至六次重新磨削。

  另一种代替嵌入CVD的方法是播撒天然金刚石颗粒。然而,播撒金刚石颗粒的灵活成形修整滚轮只能在个别情况下进行重新磨削。

  修整珩磨环

  为了完善产品系列,卡普奈尔斯也针对珩磨成齿提供金刚石修整齿轮。由于加工工艺限制的原因,修整齿轮使用人工合成的金刚石进行镀层。根据应用情况的不同,齿廓精度可保持在2μm范围内。模数可小于1毫米。

  展望未来

  无需修整CBN刀具仍然有绝对充分的理由赢得市场效益。在某些规定的磨削加工中,必须非常频繁得重新磨锐陶瓷刀具。这在最坏的情况下,会耗费很多时间,使修整工序显得没有吸引力。或许客户更偏爱简单的操作程序,从而倾向于选择无需修整的刀具。但是,可修整的刀具才是发展的趋势。在这个高度专业化的市场上,卡普奈尔斯集团将自己定位为机床、刀具以及加工工艺的供应商。羽博说:“无论客户拿来一个什么样的零件,我们都能为它提供量身定制的磨齿方法。卡普奈尔斯作为系统供应商,客户能够从我们这里获得一站式服务,而不必为一款产品费心寻找多个供应商。”

标签: 金刚滚轮

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