复合刀具的发展与应用

HEATS

 一、复合刀具的类型、特点和适合范围 
    复合刀具是将两把或两把以上的同类或不同类的孔加工刀具组合成一体的专用刀具，它能在一次加工的过程中，完成钻孔、扩孔、铰孔、锪孔和镗孔等多工序不同的工艺复合，具有高效率、高精度、高可靠性的成形加工特点。复合刀具的结构形式有：整体式、装配式、可转位式、组合式；组合类型有：复合钻、复合铰、复合扩、复合镗、复合锪；钻锪、钻扩、钻倒角、扩镗、钻扩铰、扩铰、扩锪、钻镗、钻扩锪、钻铰铰、镗铰等。 
    复合刀具有以下特征：1)可同时或顺序加工几个表面，减少机动和辅助时间，提高生产率；2)可减少工件的安装次数或夹具的转位次数，以减小和降低定位误差；3)降低对机床的复杂性要求，减少机床台数，节约费用，降低制造成本；4)可保证加工表面间的相互位置精度，加工质量高。 
    复合刀具在组合机床、自动线和专用机床上应用相当广泛，较多地用以加工汽车发动机、摩托车、农用柴油机、箱体等机械零部件。
二、复合刀具的创新与发展 
    随着机械工业的迅速发展，机械加工难度愈来愈大，加工精度要求越来越高，在自动线上的复合刀具，既要满足生产节拍要求，又要具有可靠性和高寿命，要适应发展的需要，就要对传统的老式的复合刀具进行改革创新，就需要应用新技术、新材料来提高复合加工刀具的使用性能。
 新材料在复合刀具上的应用 
    传统的复合刀具一般采用的刀具材料为普通高速钢和硬质合金，而新型的复合刀具则采用钛基硬质合金(金属陶瓷)、高性能高速钢(含Co高速钢、粉末高速钢、含Al高速钢)、复合陶瓷、CBN、,PCD等新材料，对复合刀具实施不同材料的组合：高性能高速钢与硬质合金的组合、通用高速钢与钛基硬质合金的组合、高性能高速钢与CBN刀片组合、硬质合金与PCD刀片组合、硬质合金与陶瓷刀片的组合，可使复合刀具在同一转速状态下，实现钻孔、扩孔、铰孔、锪孔、镗孔不同工艺对可靠性的要求，如我厂曾为天津某企业设计制造了高性能高速钢材料的钻铰复合刀具，其价格为普通高速钢刀具的5倍，但其使用性能比普通高速钢刀具提高了10倍以上，虽然单个刀具成本提高了，但其性能价格比优势得到体现。
超精镜面磨削技术在复合刀具上的应用 
    复合刀具的刃口质量及前、后刀面的表面粗糙度是影响加工工件的精度、表面粗糙度、加工一致性的主要因素。降低刃口及前、后刀面的表面粗糙度，提高其刃口及前、后刀面的表面质量，以减少切屑与刀具刃面摩擦和粘接，可实现复合加工代替磨削加工。应用超精镜面磨削技术，可解决刃口产生微形锯齿形的难题，使复合刀具的刃口质量达镜面，被加工工件表面粗糙度可达Ra0.05~0.2µm，加工精度达IT5级。
高强度低温钎焊技术在复合刀具上的应用 
    刀片钎焊式复合加工刀具或带导向结构型复合刀具，用一般钎焊技术易产生刀片裂纹和导向部分退火，严重影响刀具寿命。由于硬质合金具有高冷硬性(74~87HRC)和高热硬性(可耐850~1400℃)，但导热性差，焊接性能不好的特点，加以刀片与刀体材料不同，在高温钎焊结合时，产生较大的应力，易产生刀片裂纹，一般高温钎焊又易造成带导向结构的复合刀具导向部分退火，硬度降低，从而降低了刀具寿命和加工精度。采用高强度低温钎焊技术，既保证了钎焊质量又有效减少了钎焊时所产生的内应力，为提高复合刀具的寿命创造了有利条件。
CAD在复合刀具上的应用 
    复合加工刀具将同类和不同类的两种或多种不同刀具组合为一体，实现一次加工成形。这不仅仅是普通刀具的组合，对复合刀具而言，在不同的切削状态下，既要求良好的排屑性能，又要保证加工工件精度，刀具要有最佳的空间截面形状组合。如果按常规去手画、手算，较繁琐且劳动量大，有的参数还需要试生产来确定，而采用CAD二次开发，建立三维模型，模拟加工，随时抽取刀具截面参数，以获得最佳设计方案，从而可解决复合刀具在钻孔、扩孔、锪孔、镗孔的不同切削状态下，刀具排屑以及不同形式结构间的干涉问题，如液压件螺纹连接油塞孔的加工，采用经CAD设计成的扩锪复合刀具。又如汽车上的拨叉孔的加工，采用经CAD设计选择两套方案：1)抛物线型钻头与带刃倾角铰刀组合加工；2)镗铰刀组合加工，均可达到加工件图样要求。
 三、设计制造应用中应注意的问题 
    设计制造应注意的问题 
    对复合刀具各直径公差、齿数、齿形、几何参数、结构尺寸的设计制造，应重点注意考虑其加工应用情况和特征。 
    负荷较大、又受孔径限制、刀具细长，此时要选用高强度的刀体材料。 
    复合刀具各部位刀具直径不同，其切削速度不一样，直径差别大时，直径大的刀具可选用好的刀具材料，如钻扩复合刀，钻部选高速钢，扩部选硬质合金刀片；或钻部选硬质合金刀片，扩部选CBN刀片，实施各种刀具材料的组合应用。 
    根据加工工件及加工条件设计复合刀具时，应考虑切削顺序或同时加工次序、刀具结构形式、刀具材料选用、排屑方式、导向装置类型等因素。
应用时应注意的问题
 选择适宜的切削用量 
    复合刀具多是在专机、自动线或是在通用机床上应用。对自动线、专机而言，机床转速及进给速度调整范围窄，要保证刀具使用效果达到要求，就需要选定好切削用量。如钻扩复合，进给量要受钻头限制，而切削速度受铰刀限制，要是按铰刀确定进给量则钻头承受不了，要是按钻头确定切削速度，则铰孔质量难以保证。同类复合刀具进给量应以直径最小的刀具选定，切削速度应以最大直径的刀具选定。不同类的复合刀具，一般以大、小直径的平均值，并考虑加工精度要求，综合选定切削用量。 
    CBN复合刀具适宜加工淬硬钢、铸铁、高温合金、钴基合金，不适宜加工铝合金及一般的软钢件，也不适宜低速加工，切削速度一般应不低于30m/min。 
    PCD复合刀具适宜加工铝合金、铜合金、锌合金及有色金属和非金属材料的精加工，不适宜加工黑色金属(钢、铸铁等)。