利用3D打印技術可以制造切削刀具(中國刀具商務網)

德國切削刀具制造商瑪帕(Mapal)公司發現,采用3D打印(亦稱增材制造)技術來生產減材切削刀具,非常適用于拓展其QTD內冷卻鉆頭產品線的尺寸規格。利用Concept Laser公司的激光熔融3D打印系統,瑪帕公司可以生產尺寸規格比以前更小的QTD鉆頭,并能實現一些過去難以實現的鉆頭結構設計 德國切削刀具制造商瑪帕(Mapal)公司發現,采用3D打印(亦稱增材制造)技術來生產減材切削刀具,非常適用于拓展其QTD內冷卻鉆頭產品線的尺寸規格。利用Concept Laser公司的激光熔融3D打印系統,瑪帕公司可以生產尺寸規格比以前更小的QTD鉆頭,并能實現一些過去難以實現的鉆頭結構設計。

  QTD系列內冷卻鉆頭材質為淬硬鋼,刀體上有用于安裝可更換刀片的V型塊。這種內冷卻鉆頭具有良好的成屑性能和可靠的排屑性能,可用于鉆削加工鋼、不銹鋼、鑄鐵和鋁制工件。

  此前,由于鉆頭內部的冷卻液受輸送通道和將冷卻液分配到切削刀片兩邊Y形分岔的尺寸限制,QTD系列鉆頭的最小直徑只能達到13mm。在冷卻液孔徑保持不變的情況下,進一步減小鉆頭直徑會降低刀具穩定性,而在減小鉆頭直徑的同時減小冷卻孔徑又會限制輸送到切削刃處的冷卻液流量,降低其工作效能。

  自2013年5月以來,瑪帕公司一直在研究如何應用3D打印技術(尤其是選擇性激光熔融技術)來解決小規格內冷卻鉆頭的生產難題,而這項研究的成果是開發出了用傳統工藝無法生產的、直徑尺寸更小的新型QTD鉆頭。

  瑪帕公司的研發部門采用兩臺德國Concept Laser公司的M1 LaserCusing增材制造系統來生產其冷卻液輸送通道經過優化設計的QTD鉆頭。該系統利用激光加熱熔化系統中特定區域的金屬粉末,并將工件逐層熔接在一起。通過激光熔融方式打印工件,可以構建出用傳統機械加工無法實現的復雜幾何形狀(包括內部幾何形狀)。

  3D打印的新型QTD鉆頭采用螺旋形內冷卻結構,冷卻液通道的走向與鉆頭的螺旋形刀槽相互平行,從而增加了鉆芯的穩定性,提高了冷卻效能。據該公司介紹,這種螺旋走向的冷卻通道可使鉆頭的冷卻液流量增加60%。

  由于采用3D打印工藝,瑪帕公司還可以改變冷卻液通道的橫截面設計,將過去鉆削加工而成的圓形通道改為三角形通道(見圖1左)。與圓形通道相比,三角形通道的冷卻液通過流量可增加30%。與原來的鉆頭結構相比,螺旋走向與三角形截面的組合優化設計可使冷卻液流速提高100%。

  通過對鉆頭的優化設計,瑪帕公司現在已能利用3D打印制造直徑<13mm(最小可到8mm)的鉆頭刀體。這些小直徑QTD鉆頭采用混合工藝生產,其中,刀柄仍用常規方式加工,而刀體則在LaserCusing激光熔融3D打印機上用1.2709鋼打印制造。

  刀體打印分兩個階段進行:首先打印帶有冷卻系統的鉆芯,然后再打印材料密度更高(以增加其硬度)的外層刀體。在LaserCusing系統尺寸為250mm×250mm×250mm的打印空間內,一次可以批量打印出100-121個鉆頭刀體。

  這種混合生產工藝使瑪帕公司既能獲得用傳統加工方式制造刀柄的速度優勢及材料效能,又能通過3D打印刀體獲得無人值守生產和優化鉆頭設計等益處。對該公司來說,采用3D打印并不只是替代工藝,而是用于填補生產缺口,并實現用其他任何方式都無法實現的刀具設計。

  用3D打印技術制造切削刀具的另一個實例是德國刀具制造商高邁特(Komet)公司在2016芝加哥國際制造技術展覽會(IMTS 2016)上推出的Revolution系列銑刀該銑刀的非標刀體目前是在高邁特德國總部用Renishaw的選擇性激光熔融金屬3D打印設備制造的。通過一次打印,可以同時制造出為客戶定制生產的多款不同刀體打印完成后,用EDM加工設備將刀體從底部的金屬盤中切割下來,并將PCD切削刃釬焊到刀體上;銑刀的標準化刀柄則是通過傳統的機械加工方式大批量制造的(可在客戶所在地的高邁特工廠生產);最后再用激光釬焊工藝將刀體和刀柄焊接在一起.

  銑刀的刀槽密度和螺旋角是影響其切削性能的重要因素,增加刀槽數量和增大螺旋角可以提高銑刀的進給速度和切削效率。采用金屬3D打印工藝能制造出刀槽數更多、排列更密集的刀體,并使刀槽螺旋角從原來的4°-5°增大到20°,從而在銑削鋁合金和碳纖維復合材料時實現更高的材料去除率。同時,還能解決用傳統機加工方式制造非標刀體加工難度大、加工周期長的問題。

  此外,3D打印刀體還可以增加銑刀內冷卻孔的數量,并采用具有復雜螺旋結構的冷卻液通道幾何形狀,提高冷卻液流動到刀尖過程中的熱傳導能力,從而提高冷卻效能和刀具壽命。3D打印技術的應用除了能提高銑刀性能和刀具壽命以外,還為其刀具設計帶來了更大的自由度,使原來耗時費力的非標專用刀具定制業務變得更加快捷和便利。


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