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鏜刀的發(fā)展趨勢(shì)

2024-01-15 12:00:00

鏜刀的發(fā)展趨勢(shì)

新型鏜刀可縮短工藝過(guò)程中的調(diào)刀時(shí)間，幫助用戶高速、小批量地生產(chǎn)產(chǎn)品，從而保證工廠和車間及時(shí)完成生產(chǎn)加工任務(wù)。此外，這種鏜刀自身可進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)、修正磨損、補(bǔ)償誤差或自動(dòng)成形。以KomTronic鏜刀為例，這一系列的侍服傳動(dòng)鏜刀由美國(guó)Komet公司生產(chǎn)提供。鏜削加工頭內(nèi)的滑板由侍服電機(jī)傳動(dòng)，它控制著脈沖，使鏜桿向較大的直徑方向移動(dòng)，或支持其向較小的直徑方向移動(dòng)。這一機(jī)構(gòu)提高了鏜床的加工精度，不需采用手工調(diào)節(jié)的方法調(diào)節(jié)螺絲。

Komet公司的工程師們也在鏜桿內(nèi)安裝了導(dǎo)軌，采用伺服電機(jī)來(lái)傳動(dòng)鏜刀片，可使一錐形刀桿軸向移動(dòng)，也可使鏜刀片向外擴(kuò)大到更大的直徑或向內(nèi)縮小到更小的直徑。這取決于鏜刀的設(shè)計(jì)，它可通過(guò)一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，自動(dòng)地對(duì)兩個(gè)平面進(jìn)行補(bǔ)償。鏜刀頭的行程范圍可以變化，比如MO42可以在-1.0～+1.5mm的行程范圍內(nèi)調(diào)節(jié)1mm，而U軸可偏離中心移動(dòng)高達(dá)±25mm，鏜削精度可達(dá)±10mm。

盡管這種自動(dòng)化系統(tǒng)的費(fèi)用較高，但其投資能夠很快得到回報(bào)，特別是在大批量生產(chǎn)過(guò)程中。比如在汽車工業(yè)中，MO42鏜刀頭可根據(jù)儀表測(cè)量值對(duì)連桿的每一次切削進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。再比如，一個(gè)U軸鏜削系統(tǒng)在鏜削時(shí)，可使一臺(tái)加工中心的加工能力在某種意義上像車床那樣，能夠切削凹面和進(jìn)行倒角，有效地增加了一個(gè)加工軸。同時(shí)，一臺(tái)加工中心可以鏜削一個(gè)在高速情況下難以在卡盤上裝夾的零件。因?yàn)榇藭r(shí)旋轉(zhuǎn)的只是鏜刀，而工件是不旋轉(zhuǎn)的，因此加工中心可以用這種刀具在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行加工生產(chǎn)，以達(dá)到所要求的表面光潔度。

智能刀具

Makino公司使用的是Smart系列智能刀具。Makino公司采用的方法不是利用電機(jī)進(jìn)行傳動(dòng)，而是采用切削液使其通過(guò)刀具，在流經(jīng)切削區(qū)潤(rùn)滑和冷卻前，迫使切削液起到另一個(gè)作用，那就是幫助清除切屑。一種稱作冷卻液可調(diào)鏜桿或CABB的雙重鑲刀片設(shè)計(jì)形式的鏜刀，其中包含一個(gè)內(nèi)部的尼龍氣囊。隨著壓力的增加，氣囊隨之膨脹，迫使含有鑲刀片刀架上的兩個(gè)刀片向外擴(kuò)張，因此使刀具的直徑擴(kuò)大。

然而，為了適應(yīng)氣囊的要求，鏜刀所需的局限直徑至少應(yīng)為51mm。為了使這一機(jī)構(gòu)能縮套在鏜刀上，其直徑應(yīng)小到25.4mm，為此，設(shè)計(jì)組開(kāi)發(fā)了一種“簡(jiǎn)易密封”裝置。Makino公司在兩個(gè)鑲刀片之間增加了一個(gè)夾心鋼片。這一中心件是固定的，隨著壓力的增加，里面的液體將推動(dòng)刀片向外分離。

雖然Makino公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)了精度達(dá)到0.51mm的鏜桿，但其設(shè)計(jì)的大部分CABB鏜刀精度卻能達(dá)到0.25mm左右。其原因是因?yàn)楫?dāng)?shù)毒叩木纫坏┐蟠蟪^(guò)這一數(shù)值時(shí)，對(duì)于大部分工作而言，精度就開(kāi)始過(guò)度下降。大部分的鑲刀片在需要更換前，其磨損只有0.127mm或更少。因此，仍然有余地使刀具擴(kuò)大至第二次、甚至擴(kuò)大至第三次使用。

對(duì)Duratec 2.5L發(fā)動(dòng)機(jī)缸體進(jìn)行精加工這一性能可以使其減少許多無(wú)效的生產(chǎn)時(shí)間，比如用于對(duì)偏移量的調(diào)節(jié)、更換刀具和通過(guò)鏜孔將刀具退出。這樣，就可以在進(jìn)刀過(guò)程中加工，并擴(kuò)大間隙一般在每一鏜孔的底部然后在退刀過(guò)程中進(jìn)行加工。CNC數(shù)控機(jī)床的軟件可以根據(jù)主軸背面獲得的壓力讀數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。為了達(dá)到很高精度，可采用氣壓表測(cè)量孔徑，并給閉環(huán)控制系統(tǒng)提供必要的反饋信息。

Makino公司制造了一種能夠在切削過(guò)程中使鑲刀片徑向內(nèi)、外移動(dòng)的另一類液壓鏜刀，可鏜削略呈橢圓形的孔徑，其直徑≥51mm。由于CNC數(shù)控機(jī)床的切削液壓力是可變的，其鑲刀片后面的葉片彈簧既可以使鑲刀片向外推動(dòng)延伸，也可以在松弛后將它向內(nèi)拉緊。其每側(cè)最大的移動(dòng)距離為0.127mm。在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中，這一較小的移動(dòng)量足以使孔徑成形，并糾正其圓柱度問(wèn)題。

模塊式組合鏜刀

模塊式鏜刀即是將鏜刀分為：基礎(chǔ)柄(Basic Holder)、延長(zhǎng)器(Extension)、減徑器(Reduction)、鏜桿、鏜頭(Boring Head)、刀片座(Insert Holder)、刀片(Insert)、倒角環(huán)等多個(gè)部分，然后根據(jù)具體的加工內(nèi)容（粗鏜、精鏜；孔的直徑、深度、形狀；工件材料等）進(jìn)行自由組合。這樣不但大大地減少了刀柄的數(shù)量，降低了成本，也可以迅速對(duì)應(yīng)各種加工要求，并延長(zhǎng)刀具整體的壽命。

模塊式鏜刀最先在歐洲市場(chǎng)，日本大昭和精機(jī)株式會(huì)社(BIG)與瑞士KAISER公司進(jìn)行技術(shù)合作，BIG-KAISER模塊式鏜刀在日本市場(chǎng)，并逐漸取代了一體式鏜刀的地位。

現(xiàn)代鏜刀之所以能夠提供高精度和較大靈活性的另一因素是模塊式組合鏜刀的制造商也像其他的制造商那樣，已經(jīng)投資了較好的生產(chǎn)加工工藝，以便充分發(fā)揮現(xiàn)代機(jī)床的加工能力。因此，模塊式組合鏜刀具有更高的精度。零件的組裝重復(fù)精度達(dá)到0.0127～0.0178mm是可以接受的。情況不再如此了。Ingersoll刀具公司的模塊式組合刀具一般的公差尺寸范圍為2～4mm。

Ingersoll公司的模塊式鏜刀可根據(jù)用戶的需要，直接將庫(kù)存的模塊元件組裝成鏜削系統(tǒng)。當(dāng)然，這并不是意味著單件的實(shí)心鏜桿將很快在任一時(shí)間退出歷史舞臺(tái)。Ingersoll公司也投資了一條實(shí)心鏜桿生產(chǎn)線，使用導(dǎo)向塊作為它們的起點(diǎn)，他們可能會(huì)應(yīng)用PCD鑲刀片加工有色金屬，或使用CBN鑲刀片加工鑄鐵。只需調(diào)節(jié)刀片的前、后角，就能夠使孔徑達(dá)到相應(yīng)的精度要求。

這類鏜桿不需要隨同鉆孔就可以自動(dòng)鏜孔。有時(shí)候，Ingersoll刀具公司根據(jù)所謂的可控刀桿來(lái)生產(chǎn)這類鏜桿，就可以對(duì)主軸和工件之間任何未經(jīng)校準(zhǔn)的地方進(jìn)行補(bǔ)償，因此效果非常不錯(cuò)。這些刀桿上裝有調(diào)節(jié)螺絲，可補(bǔ)償X軸和Y軸的傾斜角度，從而使操作人員可根據(jù)工件的相對(duì)位置來(lái)測(cè)量調(diào)節(jié)刀具。

這類刀具的其中一項(xiàng)用途就是鏜削加工汽車的閥座。生產(chǎn)一種特殊的刀具應(yīng)用于一種可控的刀桿上，也許就能夠使客戶不必對(duì)氣缸體或氣缸蓋進(jìn)行磨削加工，其經(jīng)濟(jì)效益是十分可觀的。

聯(lián)軸機(jī)構(gòu)提高鏜刀的穩(wěn)定性

鏜削加工技術(shù)的另一新發(fā)展導(dǎo)致采用更好的刀具夾持方式。例如為了能夠在車床上進(jìn)行鏜削加工，Sandvik Coromant公司開(kāi)發(fā)了一種稱作EasyFix易于夾持的套筒，這種套筒簡(jiǎn)化了刀具在中心線死點(diǎn)上的調(diào)節(jié)程序。當(dāng)安裝較小直徑的鏜桿時(shí)，這一功能可以幫助用戶節(jié)約很多時(shí)間，因?yàn)檩^小直徑的鏜桿較難控制，一般應(yīng)用于中心線偏差較小而危害極大的地方。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)刀具的應(yīng)用領(lǐng)域而言，Sandvik公司的工程師們將全部精力集中在刀具的穩(wěn)定性方面。在過(guò)去，人們將刀具夾持在只有直柄和幾個(gè)螺絲的端銑刀夾座上。使用Allen螺絲的普通夾持機(jī)構(gòu)和鏜刀夾座只能對(duì)直徑產(chǎn)生7%～10%的影響力。由于接觸量較少，因此不太穩(wěn)定，容易產(chǎn)生振動(dòng)，尤其切削速度普遍較高、而又處于長(zhǎng)期懸掛的情況下更是如此。因此，許多刀具制造商重新又回到了制圖板前，開(kāi)始開(kāi)發(fā)可提高穩(wěn)定性的聯(lián)軸機(jī)構(gòu)。

在Sandvik公司，工程師們使用該公司的Coromant Capto聯(lián)軸機(jī)構(gòu)，這種機(jī)構(gòu)是以多邊形系統(tǒng)為基礎(chǔ)的，可以使鏜桿的接觸面沿著其聯(lián)軸機(jī)構(gòu)的軸線部分均勻地分布在圓周上。夾座后的活動(dòng)螺絲以大約35.6N的軸向拉力，將該機(jī)構(gòu)的各零件一起拉向鎖緊錐體上。這樣，不但獲得了面對(duì)面的接觸，而且還保證了刀具四周的夾持力。聯(lián)軸夾持機(jī)構(gòu)可使切削力分布在整個(gè)多邊形的周圍，每一聯(lián)軸機(jī)構(gòu)的偏差為0.0051mm。

由于其接觸面大、軸向拉力高、光滑的淬火表面硬度達(dá)RC63，因此其所產(chǎn)生的穩(wěn)定性和剛性使模塊式組合刀具比實(shí)心刀桿具有更好的優(yōu)越性。各元件之間的連接點(diǎn)不但不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，而且還可以將鏜桿分成幾個(gè)部分，從而使其與更加合適、有利的頻率協(xié)調(diào)。采用這種概念的模塊式組合刀具，實(shí)際上其加工性能比實(shí)心鏜桿更加穩(wěn)定。

盡管采用更加穩(wěn)定的設(shè)計(jì)和更好的生產(chǎn)技術(shù)具有重要的意義，但不平衡性是該工藝所固有的缺點(diǎn)，在現(xiàn)今高主軸轉(zhuǎn)速的情況下已變成了一個(gè)尖銳的問(wèn)題。加工鏜刀一般是一種在主軸上偏心安裝的刀具。刀具的移動(dòng)方向垂直于旋轉(zhuǎn)軸，并由此而產(chǎn)生較大的不平衡性，從而對(duì)直徑進(jìn)行修正。由于在過(guò)去幾年中，主軸的速度在不斷提高，因此要保持公差精度和較好的表面光潔度就越來(lái)越困難了。

提高鏜刀的平衡性

鑒于此，幾十年來(lái)，鏜刀制造商們?cè)阽M刀頭上增加了平衡配重裝置。采用這種類型的第一代產(chǎn)品需要技術(shù)和時(shí)間。在調(diào)節(jié)直徑的同時(shí)，操作人員需要手工調(diào)節(jié)重量，技術(shù)人員需要在平衡機(jī)上測(cè)定刀具，調(diào)節(jié)配重裝置，直到刀具達(dá)到平衡為止。如果對(duì)刀具的調(diào)節(jié)需要盡可能擠出每一秒時(shí)間的話，采用這類方法所花的時(shí)間實(shí)在是太長(zhǎng)了。

為此，像BIG Kaiser精密刀具公司那樣的刀具制造商們開(kāi)發(fā)了可自動(dòng)補(bǔ)償平衡的鏜刀頭，用戶在鏜削直徑時(shí)可使鏜刀起到平衡的作用。當(dāng)鑲刀片移動(dòng)時(shí)，配重裝置也在相反的方向上不斷地移動(dòng)來(lái)補(bǔ)償平衡。因此，只需作一次調(diào)節(jié)。這種方法既可節(jié)約時(shí)間，又可降低產(chǎn)生誤差的機(jī)率。

Command公司還安裝了一種內(nèi)置機(jī)構(gòu)，在加工特殊的直徑時(shí)，可簡(jiǎn)化其Urma MicroMax鏜刀頭的平衡程序。其設(shè)計(jì)特點(diǎn)是可以讓操作人員精確地平衡鏜刀頭，而不需要將它們放在平衡機(jī)上測(cè)量。這種方法可以比普通的刀具采用更高的鏜削速度。在平衡狀態(tài)下的鏜削加工，還能提高正圓度和表面光潔度。在某些情況下，當(dāng)旋轉(zhuǎn)的速度高達(dá)20000r/min時(shí)，鏜刀頭就會(huì)充分發(fā)揮出這些優(yōu)越性。

在穩(wěn)定性方面的改善并不局限于鏜刀頭的創(chuàng)新。刀具制造商也在努力采取各種措施，以克服鏜刀的振動(dòng)問(wèn)題，例如在其內(nèi)部安裝一些防振機(jī)構(gòu)。安裝這些機(jī)構(gòu)以后，可延伸其實(shí)際長(zhǎng)度：使直徑縱橫的比例或懸臂長(zhǎng)度達(dá)到直徑的15倍。在某些情況下，如果能夠正確地使用協(xié)調(diào)原理和鑲刀片幾何形狀，Sandvik Coromant公司還可使鏜桿的長(zhǎng)度達(dá)到直徑的20倍。

雖然防振裝置會(huì)增加鏜桿的成本，但Sumitomo公司認(rèn)為其新型防振X鏜桿將能改變這一技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性能。這種鋼制的鏜桿包括一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械防振裝置，據(jù)報(bào)告稱該裝置可以很好地控制振動(dòng)，從而可產(chǎn)生很高的表面光潔度，在6倍直徑的情況下，可延長(zhǎng)刀具的使用壽命。

刀具系統(tǒng)具有更好的平衡性和更大的剛性，這一優(yōu)點(diǎn)使它能夠配置應(yīng)用一些鑲刀片技術(shù)，對(duì)于鏜削加工而言，意義重大。例如，Sandvik Coromant公司已經(jīng)在其精加工鏜刀系列上增加了帶有清掃裝置的鑲刀片。因?yàn)樵谇鍜哐b置幾何形狀上的刃面較長(zhǎng)，而且清掃裝置也加強(qiáng)了刀尖半徑，并使刀刃能保持較長(zhǎng)的切屑。清掃裝置的幾何形狀不僅提高了進(jìn)給速度，而且也提高了表面光潔度，實(shí)際上還省去了磨削工序。因?yàn)樗鼈冞€允許采用很鋒利的刀刃，要在孔徑上保持0.5‰的公差是很不尋常的。

當(dāng)然，在切削過(guò)程中的接觸面越大所產(chǎn)生的摩擦力就會(huì)越大。因此，Sandvik公司為其清掃器鑲刀片設(shè)計(jì)了特殊級(jí)別和特殊幾何形狀，從而使切削動(dòng)作盡可能地自由，以限制熱量的產(chǎn)生，并承受所可能產(chǎn)生的額外熱量。Sandvik公司還推薦使用通過(guò)刀具的切削液，以幫助冷卻切削區(qū)域，使其保持很好的公差尺寸。

為了提高粗加工的生產(chǎn)率，Sandvik公司引進(jìn)了三刃模塊式組合鏜桿CoroBore 820。該公司的工程師們?yōu)檫@一旋轉(zhuǎn)刀具開(kāi)發(fā)了一種模塊式結(jié)構(gòu)的導(dǎo)軌系統(tǒng)，代替普通的套筒式機(jī)構(gòu)，以使其能夠固定安裝到雙刃鏜桿上的兩個(gè)孔穴中。額外增加的孔穴可比雙切削頭形式的裝置的生產(chǎn)率提高50%。

現(xiàn)代鏜刀較好的平衡性和穩(wěn)定性，還具有另一重要的優(yōu)點(diǎn)，這就是它們可以使用有先進(jìn)材料制成的鑲刀片，例如CBN鑲刀片和帶有PCD刀尖或PCD刃面的鑲刀片。為了改善高轉(zhuǎn)速鏜刀的平衡有效性，Seco Carboloy公司曾經(jīng)做過(guò)許多試驗(yàn)，特別是對(duì)于像鋁材那樣的有色金屬。