微型刀具需要小心呵护

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    说来也怪，一把能够切削金属的刀具会是脆弱的，稍不留神往工作台上一放竟然折断了。但是，这个说法适合于在小零件(如医疗元件)上加工孔、槽等特征所使用的非常小的钻头和端铣刀。为了有效地加以使用，这些刀具在使用过程各自需要考虑周到，而“小心呵护”是首要的考虑。 
    Niagara Cutter (纽约州阿姆赫斯特)是提供一系列微型刀具的刀具公司之一，Niagara公司的工程经理Dennis Noland称，使用φ0.005英寸端铣刀时，“只要手触摸的方式不对，就会把它弄断。”   8 j0 c& R. }8 K" @2 P& G
    然而，训练有素的车间可以相当顺利地使用这些刀具，柔和的操作必须从切口以外持续到切口以内。言下之意，连轻微的碰撞也必须避免。例如，必须使用无接触式刀具测量并严格控制径向跳动和振动。   6 n! ? p" B" ]* |0 H0 B& T
    Noland称，“TIR(总指示器读数)变得非常关键。”主轴和刀夹中心必须达到严格的同心度。在其它场合下，TIR测量0.0005英寸似乎是多余的，可是在刀具本身直径只有0.020英寸的情况下，即使这样小的径向偏差也变得非常大了。最大容许径向跳动最多不过0.0002英寸，甚至可能只有它的一半。  " d5 f0 ]! K- L
    同心度要求如此苛刻，确实需要高质量的刀夹，但不一定需要专用刀夹。这些小直径刀具通常有1/8英寸的柄，因此可以使用标准刀夹。套筒夹头可能有效，热压配合也许更好。  + X0 R( v" X- l. I& W" |
    欲速不达 
    下一个考虑是速度。即使主轴在其它用途中转速相当快，比方说12,000 rpm，也会把小直径刀具限制在令人痛苦的最低切削速度。例如，0.020英寸的刀具可以装在这样的主轴上，但切削速度顶大不过63sfm(19m/min)。  $ a4 S4 A* ~9 q, a1 \$ W2 A
    Mike Tibbet 是Kyocera Tycom微型刀具制造公司的高级开发工程师。他说，小型铣刀和钻头达到高速度的一个方法是为了这些微小的刀具而采用一个附加高速主轴。附加主轴的转矩要求小，因此可以是气动的。为了加工比较硬的金属，也可以采用电动附加主轴。Tibbet一般推荐主轴速度80,000 rpm。  - Y$ s! k9 o+ j; v
    他说，主轴径向跳动以及机床总刚度和紧密度，都属于加工车间为其生产设备考虑微型刀具时应该着眼的特征之列。另一个需要考虑的重要方面是冷却液过滤以及加工车间一般能够保持的冷却液清洁程度。冷却液的细小微粒可以对微型工具产生较大的影响。 
    Tibbet还建议微型刀具的忠实用户使用变焦透镜照相机进行过程监视，因为微型工具在切削时不会发出听得见的声音，而且切削过程是肉眼看不到的，所以这些刀具对故障排查很成问题。一旦因失误引起刀具折断，相同的错误也许注定要不断地发生。但是如果使用一个放大倍数可观的照相机，就可以像采用标准规格的刀具似的，对加工过程进行观察。Tibbet称，“这种观念的意思是，只要放大到足够的程度，微型工具就不再是微型工具了。” 
    言过其实  ' f* P* f4 Y# T4 l4 e1 g
    如果说每个刀具属性都可以按比例缩小，那可真是言过其实。Niagara公司Noland谨慎地指出，涂层是增强现代化切削刀具性能的一个要素，但是通常无法应用于微型刀具。   " H" l$ E" Z5 D5 z5 ]1 Y
他说：“我们一般不给这些刀具附加涂层，除非用户专门提出要求。”  / \: v/ s2 x1 m7 o3 y( h6 t# W
    原因与几何尺寸有关，在标准规格的刀具上，PVD涂层的厚度是可以忽略的，但是当刀具直径只有 0.010英寸时，PVD涂层的厚度就太大了，它使刀刃变成了圆弧。弧形刀刃易于摩擦零件表面，因此在这样的比例下涂层很可能有碍于刀具的性能，而不是有帮助。 
    术语:钻深孔  " d% S% X: T( @/ A3 {
    Kyocera Tycom公司Mike Tibbet称，应用小直径刀具加工深孔的能力正在改进，在一个应用中，该公司开发了φ0.020英寸钻头，在钛合金上钻0.750英寸深的孔。  9 e* M# F) I- O! h! s
    该微型钻头的直径仅有0.002英寸  * C2 d% U) @& `0 t v
    他说，发热对这样的用途来说是一个挑战。在微加工中，发热致使切屑不断开的现象(大多数加工过程试图利用的一种效应)一般是无法实现的，因为切屑不够大。热量进入刀具而不是由切屑带走，而且切削工艺不得不顾及这一点。  ! h- Q7 C) g7 L) J0 ?" p
    微钻削加工的解决办法是久经考验的钻孔技巧——啄式钻孔，频繁地将钻头从孔中抽出并让它停顿1秒钟左右，也就是刚好加冷却液使钻头冷却下来。 
    术语:铣深槽  
    不是每个小直径刀具都用来加工小零件，有些用来加工较大零件的小特征，比如在模具上铣深槽，不然的话这些槽大概需要通过EDM加工。 
    刀具制造商OSG Tap & Die (伊利诺斯州格伦代尔高地)制造专门适合于这个用途的端铣刀。据工程经理David Kwon所说，协调刀具的刚度与排屑间隙的关系是这类刀具的首要难题，他说，特殊微细晶粒硬质合金是使这种刀具得以制造的部分原因。 
    这个OSG样件铣出了2mm宽、12mm深的槽  ! W" H7 Q+ f* D. o) C
    微小槽铣刀的长度/直径比在增加，刀具发生挠曲变形的危险也在增大。为此，Kwon建议在铣深槽时按顺序使用一组铣刀。例如，可以用三个不同长度的铣刀加工一个特别深的槽。比较短而不易弯曲的刀具可以进行切削力较大、速度较快的粗切，然后，只有最深的一段槽需要使用比较精细的切削参数，这样作对预防最长的刀具发生挠变是必要的。 $ u$ z" B3 z$ [

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我做过最小的是0。15的铣刀