3D打印大型切削工具，轻量化优势为机加工行业带来变革

导读：在数控加工（CNC）行业中，对较大工件的加工需要用到较大、较重的切削工具。切削工具多是采用传统的粉末冶金方法制成，但在涉及到尺寸较大的、复杂结构的工件时，其生产成本也会相应增加。为了复杂大尺寸工件成型难的问题，制造商们将目光转向了增材制造。

2022年4月16日，南极熊获悉，国外制造商Star SU Neher公司采用3D打印技术生产出了轻质的、拥有多功能的大型工具件，并提高工具使用寿命和性能。

随着航空航天和汽车等终端市场对大型零件需求量增加，对大型切削工具的需求也越来越大。电动汽车尤其如此，它的定子外壳可能超过230毫米。但更大的切削工具意味着重量的增加，这可能导致一系列问题，包括主轴损坏、工具从主轴上掉下来和增加噪音。为了避免这些问题，制造商可能不得不投资于具有特殊设计的主轴接口的机床，这些担忧也导致航空航天业制定了限制切削工具重量的准则。

△StarSU Neher公司正在使用3D打印技术来减轻其中一些刀具的重量。照片由Star SU Neher公司提供

为了解决刀具重量增加带来的设备易损坏问题，Star SU Neher采用了另一种方法：3D打印切削刀具，不仅使大型铣刀符合重量要求，而且确保它们的性能和寿命超过更多的传统同类产品。

CNC行业内工具的生产

大多数3D打印工具都是单体设计（刀柄集成在刀体中以增加刚性），用于铰孔、圆插、铣削和面铣操作。Star SU公司的圆形工具销售经理Jamie Dunneback说，这些工具可以变得很大很复杂，有不同的形式，可以加工更大的特征。Neher集团的刀具设计师Christian Matheis说，增加蜂窝状的内部晶格结构可以使这些刀具的重量减轻30%，而不会影响到扭转强度。

虽然该公司3D打印了一些标准的工具体（如NEHMO长寿命系列，可以定制不同的边缘几何形状），但99%的3D打印工具是定制的。Matheis解释说："我们根据零件的需要来设计每一个工具。所有的3D打印都是在Neher在德国的工厂完成的，它使用DMG MORI Lasertec 30 Dual选择性激光熔化（SLM）系统来生产钛、铝、钢和不锈钢材质的工具件。“

△在选择性激光熔化（SLM）系统上3D打印刀具

刀具轻量化带来的效益

除了使切削工具符合航空航天工业的要求外，轻量化还能带来一系列的好处。首先，它们对机床来说变得更容易加工。Dunneback解释说：“它减少了预防性维护，特别是在主轴上。另外，较轻的切削工具不太可能从主轴上掉下来，这是一个很大的问题，特别是对于卧式加工中心。它们的噪音也更小，有助于用户满足OSHAA噪音要求，而且它们可以在更广泛的机床上运行。例如，带有HSK 63主轴接口的机床不能运行需要HSK 100接口的重型切削工具。然而，相同刀具的3D打印版本可能足够轻，适合HSK 63接口。”

△通过在工具体上增加内部网格结构，工具设计者可以在保持扭转强度的同时减轻多达30%的重量。

Matheis表示，对3D打印的NEHMO Long Life面铣刀具的测试也表明，与传统生产的刀具相比，刀具寿命提高了40%之多。这部分是因为3D打印允许制造商能够在切削工具上添加优化的冷却剂通道。传统上，切削工具中的冷却剂通道是钻孔的，这限制了它们的设计，因此也限制了它们的有效性。3D打印的工具可以加入通道，更有效地将冷却剂输送到切削刃上。Matheis说，改进后的冷却液流可以使金属去除率提高30%，它可以帮助用户实现最小量润滑（MQL）。

3D打印工具还具有更好的平衡性，这进一步延长了工具的使用寿命。据Matheis说，这部分是由于3D打印工艺的准确性和增加一个被动衰减器的可能性。

此外，3D打印使工具设计者能够增加有助于排屑的功能。Matheis说，内部冷却剂通道可以将切屑冲过工具并排出工作区。在工具设计中加入导屑器可以进一步帮助排屑。

△除了轻量化，3D打印使工具设计者能够添加优化的通道，直接控制冷却剂流向切削刃。该公司表示，这可以使刀具寿命提高40%，金属去除率提高30%，同时帮助用户实施最轻量的润滑

由于零件的一次性，3D打印很适合定制工具。据Matheis说，3D打印不一定比传统机械加工快（一个占据整个打印床的大型工具体需要大约24小时才能生产出来，而几个较小的工具体也可以在一个批次中打印出来），但它确实减少了所需的机器和工序。传统加工的刀具主体需要铣削和车削，而3D打印工具体的后处理通常仅限于将PCD尖端钎焊到工具体中，并对切削刃进行激光或侵蚀。

Dunneback说，3D打印工具的钎焊刀片与传统加工的切削工具一样，可以进行多次修复。而且，即使是在德国打印的工具，也可以在公司位于北美的工厂进行修复。他说："我们在密歇根州法明顿山有一个工厂，可以快速修复或改变刀具。“