利用3D打印技术制造切削刀具

德国切削刀具制造商玛帕(Mapal)公司发现,采用3D打印(亦称增材制造)技术来生产减材切削刀具,非常适用于拓展其QTD内冷却钻头产品线的尺寸规格。利用Concept Laser公司的激光熔融3D打印系统,玛帕公司可以生产尺寸规格比以前更小的QTD钻头,并能实现一些过去难以实现的钻头结构设计。

QTD系列内冷却钻头材质为淬硬钢,刀体上有用于安装可更换刀片的V型块。这种内冷却钻头具有良好的成屑性能和可靠的排屑性能,可用于钻削加工钢、不锈钢、铸铁和铝制工件。

此前,由于钻头内部的冷却液受输送通道和将冷却液分配到切削刀片两边Y形分岔的尺寸限制,QTD系列钻头的最小直径只能达到13mm。在冷却液孔径保持不变的情况下,进一步减小钻头直径会降低刀具稳定性,而在减小钻头直径的同时减小冷却孔径又会限制输送到切削刃处的冷却液流量,降低其工作效能。

自2013年5月以来,玛帕公司一直在研究如何应用3D打印技术(尤其是选择性激光熔融技术)来解决小规格内冷却钻头的生产难题,而这项研究的成果是开发出了用传统工艺无法生产的、直径尺寸更小的新型QTD钻头。

玛帕公司的研发部门采用两台德国Concept Laser公司的M1 LaserCusing增材制造系统来生产其冷却液输送通道经过优化设计的QTD钻头。该系统利用激光加热熔化系统中特定区域的金属粉末,并将工件逐层熔接在一起。通过激光熔融方式打印工件,可以构建出用传统机械加工无法实现的复杂几何形状(包括内部几何形状)。

3D打印的新型QTD钻头采用螺旋形内冷却结构,冷却液通道的走向与钻头的螺旋形刀槽相互平行,从而增加了钻芯的稳定性,提高了冷却效能。据该公司介绍,这种螺旋走向的冷却通道可使钻头的冷却液流量增加60%。

由于采用3D打印工艺,玛帕公司还可以改变冷却液通道的横截面设计,将过去钻削加工而成的圆形通道改为三角形通道(见图1左)。与圆形通道相比,三角形通道的冷却液通过流量可增加30%。与原来的钻头结构相比,螺旋走向与三角形截面的组合优化设计可使冷却液流速提高100%。

通过对钻头的优化设计,玛帕公司现在已能利用3D打印制造直径<13mm(最小可到8mm)的钻头刀体。这些小直径QTD钻头采用混合工艺生产,其中,刀柄仍用常规方式加工,而刀体则在LaserCusing激光熔融3D打印机上用1.2709钢打印制造。

刀体打印分两个阶段进行:首先打印带有冷却系统的钻芯,然后再打印材料密度更高(以增加其硬度)的外层刀体。在LaserCusing系统尺寸为250mm×250mm×250mm的打印空间内,一次可以批量打印出100-121个钻头刀体。

这种混合生产工艺使玛帕公司既能获得用传统加工方式制造刀柄的速度优势及材料效能,又能通过3D打印刀体获得无人值守生产和优化钻头设计等益处。对该公司来说,采用3D打印并不只是替代工艺,而是用于填补生产缺口,并实现用其他任何方式都无法实现的刀具设计。

用3D打印技术制造切削刀具的另一个实例是德国刀具制造商高迈特(Komet)公司在2016芝加哥国际制造技术展览会(IMTS 2016)上推出的Revolution系列铣刀该铣刀的非标刀体目前是在高迈特德国总部用Renishaw的选择性激光熔融金属3D打印设备制造的。通过一次打印,可以同时制造出为客户定制生产的多款不同刀体打印完成后,用EDM加工设备将刀体从底部的金属盘中切割下来,并将PCD切削刃钎焊到刀体上;铣刀的标准化刀柄则是通过传统的机械加工方式大批量制造的(可在客户所在地的高迈特工厂生产);最后再用激光钎焊工艺将刀体和刀柄焊接在一起.

铣刀的刀槽密度和螺旋角是影响其切削性能的重要因素,增加刀槽数量和增大螺旋角可以提高铣刀的进给速度和切削效率。采用金属3D打印工艺能制造出刀槽数更多、排列更密集的刀体,并使刀槽螺旋角从原来的4°-5°增大到20°,从而在铣削铝合金和碳纤维复合材料时实现更高的材料去除率。同时,还能解决用传统机加工方式制造非标刀体加工难度大、加工周期长的问题。

此外,3D打印刀体还可以增加铣刀内冷却孔的数量,并采用具有复杂螺旋结构的冷却液通道几何形状,提高冷却液流动到刀尖过程中的热传导能力,从而提高冷却效能和刀具寿命。3D打印技术的应用除了能提高铣刀性能和刀具寿命以外,还为其刀具设计带来了更大的自由度,使原来耗时费力的非标专用刀具定制业务变得更加快捷和便利。

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