专用刀具在中、大批量生产的应用

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在中、大批量生产中，常常可以通过工序集中来提高机床的生产效率。工序的集中，除了采用多轴加工外，采用装有多个切削刀刃的专用刀具（复合刀具）则是提高机床生产率的另一个重要途径。由于复合刀具往往可以替代好多把常规刀具，并且往往是在工件的一次装夹下和刀具的一次工作行程中完成多道工序的加工，因此可以减少换刀次数，消除工件或刀具的重复定位误差，从而可显著减少辅助时间、提高加工精度和减少测量过程。此外，专用刀具还可以用来解决常规刀具难于进行的一些加工任务。由于这些优点，这类刀具不仅在组合机床和自动线上得到广泛应用，而且近年来也愈来愈多地应用于高速加工中心。长期以来的生产实践表明，在中、大批量生产中采用专用刀具对工件的多个相关功能表面进行综合加工，或对难于接近的功能表面进行加工是实现加工合理化的有效手段。
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图1（上）图2（下）

孔加工专用刀具的结构分类

在中、大批量生产中，专用刀具除少量是属于专用铣刀外，绝大部分是用于孔加工的专用刀具。在生产中，有很多加工任务不仅要通过专用刀具来制造精密孔，而且往往需要借助于这类刀具来加工与精密孔相关的功能表面，如加工配合孔的凸台端面、止口和环槽等。有些工件，特别是箱体件，有不少这类功能表面的加工往往要通过刀具的径向走刀来实现（图1）。

在加工时，并要确保配合孔相对于某一基准面或另一个配合孔的位置精度（垂直度、同轴度）。从这里可以看出，专用刀具在孔和相关功能表面的综合加工中无疑是起着十分关键的作用。

从刀具结构上，专用刀具可分为刀具固定式和刀具移动式两大类（表1）。

这种复合刀具可分为整体式、装配式和机夹式三种。这些复合刀具的结构相对比较简单。整体式复合刀具由两个或更多相同或不同类型的刀具组成，如复合钻、复合扩孔钻、复合铰刀和复合镗铰刀等。这类复合刀具的制造和刃磨十分不便，这样的缺点可以通过采用装配式复合刀具而得到改善（图2）。但是装配式复合刀具由于增加了机械连接部位，刀具的刚性会受到一定程度的影响。机夹式复合刀具的优点是，当刀具磨损后，只需将可转位刀片相应转过一个角度或更换刀片，复合刀具又可重新使用。
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图3

刀具移动式专用刀具

这种刀具一般称作受控致动刀具，从驱动方式上又可分为机械受控刀具和电子受控刀具，前者主要是采用推（拉）杆、撞靠、离心力、冷却润滑液等驱动方式来使刀具实现横向、斜向或轴向进给运动。后者则采用装在刀体中的伺服电动机来驱动这些进给运动。

1机械受控刀具

推（拉）杆致动刀具

这种刀具通过机床主轴中的推（拉）杆（由装在主轴箱末端的油缸或伺服电动机推动）既可经齿条—齿条、齿条—齿轮—齿条和斜块驱动刀体中的滑动刀架实现横向（或斜向）走刀（图3a），经齿条—齿轮—扇形齿轮实现刀具的圆周进给（图3b），也可借助推杆上的螺旋槽来驱动偏心安装（相对主轴中心线）的刀杆进行回转，使刀杆上的刀具在从起始位置转动到终点位置的过程中实现径向进给（图3c），或经另一个与刀盘偏心连接的传动杆来推动刀盘实现圆周进给（图3d）。这类推（拉）杆致动的专用刀具，可适应很广的加工任务，用来加工凸台端面、止口、内外环槽、锥面和球面等功能表面。

在高速加工时，对于推（拉）杆驱动滑动刀架的致动刀具，即使装有配重滑板，也难于达到相应的动平衡品质，并且在高转速范围内，作用在拉杆上的力对于主轴轴承也是难于承受的。而对于采用偏心工作的致动刀具，由于回转刀杆上切削刀刃从起始位置到终点位置的位置变化不会影响到刀具重心的改变，因此，这种偏心工作的专用刀具可用来进行高速加工。

采用伺服电动机驱动推（拉）杆的致动刀具，通过伺服电动机与CNC控制系统的连接，可以由CNC控制系统直接控制切削刀刃的进给运动。
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图4　　　　　图5

由于加工中心在主轴中不能设置推（拉）杆，所以在加工中心上主要是通过撞靠、离心力、冷却润滑液和伺服电动机等驱动方式来推动刀具移动。

撞靠式致动刀具

这种刀具（图4）的工作原理是：机床主轴向前移动，当刀体上的刀具到达预定加工部位时，一个用轴承支承在刀体上的环形套就顶靠在工件的端面或夹具的止靠面上，使刀体不再向前移动，而主轴仍继续向前移动，此时通过传动元件（如齿条—齿轮—齿条或斜滑块，或传动杆等）将机床的轴向进给运动转换为刀具的轴向、斜向或圆周进给运动。

撞靠式致动刀具与推（拉）杆致动刀具一样，在生产中是应用频率较高的专用刀具。

离心力致动刀具

这是一种很有创意的专用刀具，这种刀具是巧妙地利用了在高速加工时产生的离心力来推动刀具的移动或进给运动。

图5所示是利用离心力致动的加工气门阀座和导管孔的专用刀具。这种刀具在加工时，刀具先是以1000r/min的转速锪削阀座工作锥面，锪削完后，刀具后退约0.2mm，接着刀具转速提高到5000r/min，此时刀体油腔中的活塞由于离心力的作用而径向外移，挤压油腔中的油去推动中心油腔中的活塞，从而推动铰刀对导管孔进行加工。在内部油路中设有节流阀，以便使铰刀保持恒定的进给速度。当导管孔加工完毕后，专用刀具的转速又降至1000r/min，铰刀在弹簧力的作用下自动退回到起始位置。

采用上述专用刀具，气门阀座与导管孔的同轴度可达＜10μm。

冷却润滑液致动的刀具

这种刀具是利用机床冷却润滑液（约106Pa的压力）通过活塞来推动刀具的移动或转位。在生产中，这类致动刀具应用不多。
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图6　　　　　　　　图7

2电子受控刀具

这种刀具是在刀柄或刀体内装有伺服电动机进行工作的专用刀具，这种刀具通过非接触式（感应）的能量（电流）和数据传输，将刀体中的伺服电动机与机床的CNC控制系统连接起来，由机床CNC系统直接控制刀具的进给运动。微电子技术和刀具技术的结合，不仅为专用刀具的开发开拓了新的途径，并且更为刀具的智能化提供了可能。这就使这类电子受控刀具（图6）不仅能够实现常规刀具通常不能完成、需由机床或由设在机床主轴中的附加装置来完成的一些功能，并且还能实现NC技术所具有的一些功能，从而为这种刀具的多方面应用创造了条件。

由于集成NC轴，使这类电子受控刀具成为加工中心的一个附加的和可更换的U轴。

这类电子受控刀具，既可用来实现车端面、切槽、扩孔和铰孔等工序，又可与Z轴进行直线插补和圆弧插补而用来进行轮廓加工（斜面、圆弧、球面等）。

这类电子受控刀具，当装上相应的传感器（测量加工的实际直径和切削力）就可对刀具的磨损进行补偿或对刀具的耐用度进行监控。

目前，这种电子受控刀具已应用于对缸盖的气门阀座和导管孔的综合加工（如德国Makino和Grob公司在加工缸盖的设备上已应用了这种刀具）。

利用NC插补的复合刀具

这种复合刀具在加工中心上可以通过X轴和Y轴的圆弧插补实现刀具的圆周进给运动，利用X-，Y-，和Z轴的插补可实现刀具的螺旋进给运动。利用刀具的圆周进给就可以将切槽、倒角和镗孔工序集中在一把刀具上，而利用螺旋进给运动就可以将钻孔和铣螺纹集中在一把钻铣螺纹刀具上。

预粗镗（去除铸造飞边）、粗镗、精镗、倒角和圆周铣削孔中的环槽。采用这种复合刀具与采用单个刀具进行加工相比，这种刀具显著减少了辅助时间，从而大大缩短了加工时间。

目前，像加工连杆大头孔、链节铰链孔的复合刀具，也都利用机床轴的圆弧插补实现孔的倒角加工。

专用刀具应用实例

加工缸盖气门阀座和导管孔用的专用刀具

图7所示的是一把采用车削阀座工作锥面和铰削导管孔的专用刀具（应用于组合机床），刀体上装有平衡滑板，以平衡车削刀架进给运动时所产生的不平衡力。

阀座工作锥面的加工，通常有锪削和车削两种工艺。采用锪削工艺时，由于阀座是淬硬材料（HRC50～58），刀刃的磨损较快，这种刀刃磨损的轮廓会复制在工作锥面上，这会影响到阀座工作时的密封性。在这里所示的专用刀具由于采用车削工艺加工阀座工作锥面从而可避免锪削时出现的缺陷。

专用刀具加工开始时，固定安装在刀体上的三个切削刀刃首先锪阀座端面（刀刃Ⅱ）和倒棱（刀刃Ⅲ和Ⅳ）。接着整个刀具后退0.2mm，使刀刃Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ脱离已加工表面，使装在倾斜滑板上的车刀处于待加工位置，此时通过外层推杆使滑板实现进给，对阀座工作锥面进行精车。精车完后，主轴转速变为按铰削设定的转速，内推杆推动铰刀对导管孔进行铰削加工，当铰削结束后，内、外推杆退回并使刀刃回到起始位置。
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图8　　　　　　图9

加工变速箱体的专用刀具

为加工变速箱体内的三个端面Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，这里采用了一把由液压推杆致动的专用刀具（图8）。加工时，推杆向前移动通过螺旋槽迫使偏心安置的回转刀架旋转，使刀架上的车端面刀具（2）、（3）和（4）从它的起始位置（位于端面的最大直径处）向内车削，加工出三个端面，加工的基本时间仅19秒，端面的平面度达6μm。

加工螺纹孔的复合刀具

目前，可采用一把钻铣螺纹复合刀具（通过NC机床的螺旋插补）加工螺纹孔（图9）， 在刀具的一次工作行程中完成钻螺纹底孔、倒角和铣螺纹。如采用这种刀具加工缸盖上深度为14.1mm的M6螺孔，在主轴转速20000r/min，进给量为700mm/min的情况下，一个螺孔的加工时间仅需1.2秒，这种刀具在同一螺距的情况可用于加工不同直径的螺孔。

结语：大量切削加工表明，刀具对生产工艺流程的优化起着关键作用。在中、大批量生产中，采用专用刀具（复合刀具）进行综合加工则是实现生产合理化的重要手段。

复合刀具和受控刀具的开发与许多因素有关，除刀具材料、涂层和刀具几何形状外，机床技术也起着重要作用。近年来，利用CNC加工中心的插补功能、高速加工时所产生的离心力和微电子技术的成果所开发出来的富有创造性的各种复合刀具和受控刀具大大扩展了这类刀具的品种和使用范围，并为高速加工中心进入中、大批量生产领域提供了技术支持。特别是微电子技术对受控刀具的开发，尤其是对刀具的智能化将起着关键性作用。 + M& }* @( J/ s% |, T9 c

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受益匪浅啊