刀具磨削行业掀起激光技术的新热潮

切削刀具制造商 Shape-Master Tool 公司在加工传统切削刀具材料及复杂几何形状方面表现优异，但需要在此基础上实现突破。由于切削刀具材料在不断发展并给加工提出了更高的要求，磨床制造商必须进行升级，否则可能在竞争中失败。

40 年前，这家位于伊利诺斯州、柯克兰的公司开始经营磨削刀具业务，主要涉及天然钻石材料。然而，现代切削刀具的材料包罗万象，包括硬质合金到人造单晶钻石(MCD)、多晶钻石(PCD)、化学气相沉积钻石(CVD)、立方氮化硼(CBN)及陶瓷等。同样，Shape-Master 公司生产的刀具种类已由可转位PCD、PCBN刀片扩展到了各种类型的刀具及回转刀具。

为应对先进切削刀具材料的特殊挑战，Shape-Master 购进了两台北美最先进的激光刀具加工机器。

激光技术不但增强了 Shape-Master 的生产力，使其能力克各种难以处理的材料，而且也让公司能够与大型刀具定制供应商相抗衡。凭借激光技术的生产灵活性，Shape-Master 在保障质量及供货期的前提下，能以较高的成本效益处理从 50 件的小量个性化加工，到数千件每年经常性计划的各种尺寸刀具。

仅在几个月的培训和实践学习之后，Shape-Master 就开始利用激光机扩展了产品范围及业务范围，包括回转刀具。目前，工厂的业务有相当一部分源自回转类刀具，同时工厂在计划继续拓宽产品种类。

此外，Shape-Master 还有能力收回先前外包业务。这点特别重要，因为 Shape-Master 的宗旨和目标是尽可能将业务保持在公司内部。

Shape-Master 的“EWAG LASER LINE ULTRA”激光机购自联合磨削集团。机器采用最先进的超短脉冲激光技术，只需一次装夹即可加工各种具有复杂几何形状的高品质切削刀具其。

这些机器拥有 EWAG Laser Touch Machining® 激光加工专利技术，可处理所有最新商用精密磨削刀具材料，包括硬质合金、CBN、PCD、CVD 和 MCD 等。机器不会产生热效应区，因此刀具的表面加工质量极其优异，且寿命更长。

Laser Touch Machining® 激光机采用一种切向激光束加工工艺，通过在 10 皮秒的极短脉冲内使用激光束外沿塑造刀具表面，从而生成切削刀具的边缘和几何形状。这些超短激光脉冲会直接蒸发材料，而不产生明显的热量。在重复扫描工艺中，激光扫描单元与机器的八个数控轴同步运动，从而产生刀具的几何形状。

Shape-Master 的员工不到 30 名，在激光加工机器和数控磨床的帮助下，每月产出数千件刀具。公司主要生产立方氮化硼刀具，也有相当一部分是钻石刀具。公司运用自动化技术，使生产保持在每日 1.5 班次标准以上。

Shape-Master 的两台 LASER LINE ULTRA 激光磨床均装备了自动化技术。其中一台集成了 6 轴 FANUC 机器人、二合一的 HSK 63 型刀架和托盘。所有装备均可在无光线环境下不间断地进行回转刀具的全自动生产。该机器还可使可转位钻石切削刀片的大批量生产实现自动化。

Shape-Master 的另一台 LASER LINE ULTRA 激光磨床的料垛系统可调整托盘的高度，使承载能力翻倍。当加工较短或较低的工件时，8 个托盘向上运动，配合料垛系统，每个托盘可承载多达 300 件工件。EWAG LASER LINE ULTRA 激光磨床的灵活、自动化的特点，正是 Shape-Master 决定采用的主要因素。

“我们一直在使用 EWAG 的磨削机器”，Shape-Master Tool 公司的应用经理 Dan Chambers 如是说。“我们首先引入了 EWAG 的手动机器，随后在 90 年代添加了 EWAMATIC LINE 数控磨床，并且沿用至今”。

Chambers 表示，Shape-Master 花了一些时间，现在已熟练掌握 LASER LINE ULTRA 激光磨床的操作和功能。设备供应商提供在 EWAG 瑞士总部为期一周，以及在工厂内部为期一周的培训。但他补充说，培训是一个持续的过程。

“联合磨削集团非常重视培训并向其设备提供技术支持”，Chamber 说。“他们的客户服务和支持非常全面和及时。他们随时愿意协助处理任何问题并回答任何疑问。如果没有他们的支持，我的加工厂恐怕无法取得现有成绩。”

他补充说，EWAG 公司基于他们的数控磨床套件开发了相应的软件，用户通过软件即可轻松进行 LASER LINE ULTRA 激光机的编程。然而，由于配有多种轴及激光头，LASER LINE ULTRA 更像加工中心，而非数控磨床。

在 Shape-Master 工厂，LASER LINE ULTRA激光扫描头的步进率一般是每分钟几千毫米，当穿过一把刀具时，切削步距增量可小到 0.2 微米。根据几何形状的复杂程度和工件的大小，激光加工的循环周期从约 1 分钟到 1 小时不等。切削刃口和边缘附近的加工占用了大部分的加工时间。

“激光可加工处理几何形状、抛光、刃口处理，而这些都很难或甚至不可能通过数控磨床实现”，Chambers 解释说。“例如加工切削刃口时，传统磨削将产生 5 到 10 微米范围的尖锐边缘。相比之下，激光加工产生的边缘范围仅为 1.5 到 5 微米。能够达到这样的刃口精度，对我们来说是一个显著的优势。”

只需一个简单的操作，激光束即可使切削刃口变得圆滑以提高强度，而这相当于数控磨削加上刃口后处理的效果。LASER LINE ULTRA 还可加工倒棱以及其他 3D 边缘形状。

客户可用 Shape-Master 刀具来加工各种材料的部件，材料包括铸铁、贫化铀、铝合金到工业用复合材料等，涵盖汽车、航空航天、能源及其他领域。

据 Chambers 称，Shape-Master 还为宇宙空间探索行业生产刀具，并为美国防御系统提供部件。他还指出，公司的很多航空航天客户都使用复合以及新奇的材料。Chambers 相信这类材料会不断进入汽车行业，因为同航空航天领域一样，汽车行业同样有轻量化和节能需求。因此，工厂为航空航天领域客户所生产的先进刀具也会很快运用于汽车领域。

“我们拥有高质量的产品和服务以及优秀的员工，我们的回头客帮助我们口碑相传”，Chambers 说。“我们在技术、检验设备及精整设备上投入了巨资，可满足客户的所有需求，能够提供比竞争对手更好的产品。这是我们的客户所期待的，也是 EWAG 机器带给我们的好处”。