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  • [切割刀具]小身材大用途:3D打印机的硬质合金微型切割刀具

    文/ 发布于2018-09-10 浏览次数:399

      随着科学技术的不断发展,小型或者微型零件在航空、医疗、汽车、电子、信息技术及电信和模具等领域的应用越来越多,这种日益增长的需求要求人们重新思考如何用更小直径的刀具实现更高效率的加工。

      一、微型刀具的国内外发展状况

      近年来,民用和国防等领域对各种微小型化产品的需求不断增加,对微小装置的功能、结构复杂程度、可靠性的需求也越来越高。因此,研究开发经济上可行、能够加工三维几何形状和多样化材料,特征尺寸在微米级到毫米级的精密三维微小零件的微细加工技术具有重要意义。

      目前,微细切削已经成为克服MEMS技术局限性的重要技术,而微细铣削技术因具有高效率、高柔性、能加工复杂三维形状和多种材料的特点,已成为一个非常活跃的研究热点。

      磨削是一种传统的铣刀制造工艺,但对于直径仅为零点几毫米的微型刀具,要在磨削力的作用下,在不均匀层的刀具材料上磨削加工出锋利的切削刃口是一件十分困难的事情,这也成为微型刀具发展的一个技术瓶颈,为此,从理论和实验的角度出发,可以选择一种不产生切削力的加工方法(如激光加工、聚焦、离子束加工等)。

      埃英克公司(Emuge Corp)总裁Peter Matysick 认为:为了满足瑞士式加工,高速铣削、螺纹铣削及攻丝等的加工需要,对微细化加工开发微小型刀具的需求正在与日剧增。该公司最近推出的产品也清楚的表明,螺纹铣削工艺的应用正在增长,Matysick 指出:“现代机床技术的进步使螺纹铣削在多种应用领域(如医疗、航天航空、国防和计算机工业)成为一种重要的孔加工方法,现在的CNC机床或者是桌面型的小型机床,或者是装有精密主轴和可夹持这些微小刀具的刀柄的较大机床”。

      微型刀具中微型螺纹铣刀可用于通孔和盲孔的螺纹铣削,可获得极好的螺纹表面质量和尺寸精度。由于微细加工的微小尺度,加上生产效率与刀具投资高回报的双重要求,通常选用整体硬质合金作为刀具材料,而刀具的几何结构、涂层和基本材料是决定用于特定加工的正确刀具的三个要素。

      美国工业界正在不断发现微型刀具在医疗、电子、高速模具加工等领域的应用优势,尼亚甲拉刀具公司总裁说道:“微型刀具在日本以及欧洲已经得到了大量应用,而在美国,这种刀具的应用才刚刚开始流行,但其潜在优势正在持续增长,使用直径0.13mm以上硬质合金立铣刀的精密高速机床的数量正在不断增多。”虽然很多成果都是专利技术,但制造商对微铣削和微细加工越来越感兴趣,同时也推动着刀具供应商不断挖掘其发展潜力。

      除了小型精密医疗装置及零件以外,微细加工的典型应用还包括黄金珠宝等高端应用。

      肯纳公司,全球小型刀具的产品经理曾说道:“提到微细加工,我想到是显微镜下用比针还细的钻头或直径小到0.15mm的立铣刀和0.08mm的钻头加工计算机电路板,目前在微型零件加工领域,瑞士式加工、瑞士式自动车床、小型车床和组合机床的应用增长最快,在医用和牙科零件加工领域尤其如此”,肯纳公司2008年新推出的微小零件加工刀具以小型可换刀头硬质合金刀具和小型可转位刀具为主。

      二、微型刀具和高速切削的定义和说明

      微型刀具是一种相对的说法,通常是指直径<0.25in(6.35mm)的铣刀和钻头,这种小直径刀具对于复杂、精细的加工必不可少,且采用高速主轴时可获得最佳加工效果。

      高速切削目前尚无确切的定义和绝对的参数,参考定义是主轴转速>2500r/min时即可称为高速切削。

      传统的加工方法通常采用较大的刀具以较大的速度进行加工,一般来说,较大的刀具本身在设计上并不适合完成较复杂的加工,为了采用微型刀具进行加工,常规机床必须低速运转,且微型刀具脆性较大,易于折断。

      三、微型刀具应用于3D打印机中的薄膜切割

      据国内外资料报道,硬质合金微型刀具在印刷电路板的加工应用非常普遍,其需求量也与日剧增,另外,直径0.1mm的硬质合金立铣刀在国外已经商品化,在国内,直径0.2mm的立铣刀也已经商品化,直径50um的立铣刀也开始上市。但目前此类铣刀的制造仍需依赖于高性能的进口工具磨床。

      上海材料研究所研制出一种用于3D打印机的硬质合金微型切割刀,刀头直径1mm,所用的材料是超细硬质合金,其成型工艺采用的挤压成型,其刀头的加工通过进口磨床和数控机床进行磨削,最终制成具有高硬度、高强度的硬质合金微型切割刀,此切割刀可应用于层叠法成型技术的3D打印机中。

      薄膜分层实体制造法(Laminatd Object Manufacturing,LOM)又称层叠法成型,它以片材(如纸片、塑料薄膜或复合材料)为原材料,其成型原理是激光切割系统按照计算机提取的横截面轮廓线数据,将背面涂有热熔胶的纸,用硬质合金切割刀切割出工件的内外轮廓,切割完一层后,送料机构将新的一层纸叠加上去,利用热粘压装置将已切割层粘合在一起,然后再进行切割,这样一层层地切割,粘合,最终成为三维工件。

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