加工中心上的镗孔加工的刀具技术

机械公敌

. 绪言 　　所谓镗孔加工(Boring)就是指将工件上原有的孔进行扩大或精化。它的特征是修正下孔的偏心、获得精确的孔的位置，取得高精度的圆度、圆柱度和表面光洁度。所以，镗孔加工作为一种高精度加工法往往被使用在最后的工序上。例如，各种机器的轴承孔以及各种发动机的箱体、箱盖的加工等。 　　和其它机械加工相比，镗孔加工是属一种较难的加工。它只靠调节一枚刀片(或刀片座)要加工出象H7、H6这样的微米级的孔。随着加工中心(Machining center)的普及，现在的镗孔加工只需要进行编程、按扭操作等。正因为这样，就需要有更简单、更方便、更精密的刀具来保证产品的质量。这里主要从工具技术的角度来分析加工中心的镗孔加工。 2. 加工中心的镗孔加工的特点 ' g+ P9 P* n7 R 2.1工具转动 5 v+ M2 R8 M# @( f) p `: y 　　和车床加工不同，加工中心加工时由于工具转动，便不可能在加工中及时掌握刀尖的情况来调节进刀量等。也不可能象数控车床那样可以只调节数控按扭就可以改变加工直径。这便成了完全自动化加工的一个很大的障碍。也正因为加工中心不具有自动加工直径调节机能(附有U轴机能的除外)，就要求镗刀必须具有微调机构或自动补偿机能，特别是在精镗时根据公差要求有时必须在微米级调节。 9 L2 H5 Z: \+ Y# t $ w5 @- I- R4 m! J0 @8 g　　另外，加工中心镗孔时由于切屑的流出方向在不断地改变，所以刀尖、工件的冷却以及切屑的排出都要比车床加工时难的多。特别是用纵型加工中心进行钢的盲孔粗镗加工时，至今这个问题还没得到完全解决。 + @; ~% Q; e8 S0 H 2.2颤振(Chatter) & Y/ [- d! k- D. \& ~+ U　　镗孔加工时最常出现的、也是最令人头疼问题是颤振。在加工中心上发生颤振的原因主要有以下几点 6 ?( U& q* T- d. K6 ~7 z, F 　　①工具系统的刚性(Rigidity)：包括刀柄、镗杆、镗头以及中间连接部分的刚性。因为是悬臂加工(Stub Boring)所以特别是小孔、深孔及硬质工件的加工时，工具系统的刚性尤为重要。 * H7 X3 z0 ?" S2 N , R; }2 U( [7 \) P T　　②工具系统的动平衡(Balance)：相对于工具系统的转动轴心，工具自身如有一不平衡质量，在转动时因不平衡的离心力的作用而导致颤振的发生。特别是在高速加工时工具的动平衡性所产生影响很大。 6 [! W- Y: R1 ~' j" W& b + q. I' Y( D. V0 L: ^% k! Q　　③工件自身或工件的固定刚性(Clamping Rigidity)：象一些较小、较薄的部件由于其自身的刚性不足，或由于工件形状等原因无法使用合理的治具进行充分的固定。 $ v, J% ? h) A6 H" y7 D' n 6 y8 K0 Q$ a3 E　　④刀片的刀尖形状(Geometry of Edge)：刀片的前角、逃角、刀尖半径、断屑槽形状的不同所产生的切削抗力也不同。 　　⑤切削条件(Cutting Condition)：包括切削速度、进给、进刀量以及给油方式及种类等。 ) S1 c8 P: f5 O+ ~ 　　⑥机器的主轴系统(Spindle)等：机器主轴自身的刚性、轴承及齿轮的性能以及主轴和刀柄之间的连接刚性。 3. 镗刀的选择基准 ) r2 O L' J" q! Q& z* n 　　根据加工内容的不同镗刀的选择基准也不一样，一般来说，应注意系统本身的刚性、动平衡性、柔性、信赖性、操作方便性及寿命和成本。 0 B: T" }1 J u7 D 3-1.　一体式(Solid)镗刀与模块式(Modular)镗刀 : _0 R* l. o) a$ p' b/ i/ g& v　　古老的一体式镗刀主要用在量产品的生产线或专用机上，但实际上机器的规格有多种多样:NT、MT、BT、　　IV 、CV 、DV等等。即使规格一样，大小也有不同。如BT有15、30、40、45、50、60等等。 即使规格、大小都一样，有可能拉钉形状、螺纹不一样，或者法兰面形状不一样。这些都使得一体式镗刀在对应上遇到很大的困难。特别是近些年来，市场结构、市场需要日新月异，产品周期日益缩短，这就要求加工机械以及加工工具具有更充分的柔性(Suppleness)。所以一体式镗刀大多数已从工场中消失。 8 y' b4 \7 X/ }4 V & R0 \" Y- D1 S2 ~* E; `9 ]/ o　　模块式镗刀即是将镗刀分为：基础柄(Basic Holder)、延长器(Extension)、减径器(Reduction)、镗杆）、镗头(Boring Head)、刀片座(Insert Holder)、刀片(Insert)、（倒角环）等多个部分，然后根据具体的加工内容（粗镗、精镗；孔的直径、深度、形状；工件材料等等）进行自由组合。这样不但大大地减少了刀柄的数量，降低了成本，也可以迅速对应各种加工要求，并延长刀具整体的寿命。 $ V. S% C7 A/ z' T) l' ~ X / `+ `* a/ d) O' J2 K　　模块式镗刀最先出现在欧洲市场，大约20年前日本大昭和精机株式会社(BIG)与瑞士KAISER公司进行技术合作，BIG-KAISER模块式镗刀首次出现在日本市场，并逐渐取代了一体式镗刀的地位。如今日本的机械加工工场里80%以上都是使用的 BIG-KAISER模块式镗刀。 　　下表是一体式镗刀与模块式镗刀的综合比较。 　　由此显而可见，模块式镗刀具有一体式镗刀无法比拟的优势。当然，这也需要模块式镗刀具有高连接精度和高连接刚性，以及高重复精度和高度的信赖性。 3-2.　各种各样的模块式镗刀 + `( G$ b4 l: Q+ P　　现在市场上存在着各种各样的模块式镗刀系统，它们的连接方式各有区别。 3 R# B3 V$ c9 {- O1 }, c　　①BIG-KAISER方式 9 s; ?. L( C$ u2 F　　它只要靠一颗锥度为15°的锥形螺丝来连接，固定时也只需要一支六角小扳手，操作非常方便。 4 S+ `1 U9 q! o5 S ) z9 F$ y+ j6 f% ?　　由于螺孔与被连接体的锥孔间有一定的偏心，当旋紧螺丝时依靠锥面的作用，将旋紧力的绝大部分转化为轴向的拉力，使被连接的两部分贴紧，而保持径向位置不变。 5 u: }3 \- {4 `+ V. z2 e　　固定螺丝用高剪断强度材料制成，可承受较大的扭矩，并且粗镗时设有加强拴。 　　②侧固式 5 Z$ F' M$ ]& b6 f　　显而已见，这种连接方式仅仅是达到固定的目的。它的旋紧力的绝大部分都向着径向。不但连接体的端面不能密接，径向位置也会发生变化。 + h! N6 x2 P; e1 E! U8 q% Z. t 　　③旋入式 5 P0 ]+ n9 p# u( _5 b2 B # V) J, [6 X% E8 g& q　　虽然端面得到连接，但刀尖在圆周上的相位会发生变化。 : b( ]8 `7 v- }* f! S " P! F6 Q! A u7 o( r) q' g　　④后部拉紧式 　　端面的连接和跳动都较好，但操作性很差。 　　⑤其它方式 8 V4 k( i |$ a# ?" x　　侧面90°两点固定方式；侧面180°两点倾斜固定方式；ABS方式等等。 　总而言之，模块式镗刀系统具有很大的优势，但并不是说只要是模块式就好。必须从连接刚性、精度、操作性、价格等多方面来衡量。