加工中心镗孔的刀具技术的应用

HEATS

　　刀具是机械制造中用于切削加工的工具，又称切削工具。孔加工刀具，包括钻头、扩孔钻、镗刀、铰刀和内表面拉刀等。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)要加工出像H7、H6这样的微米级的孔。随着加工中心的普及，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。这里主要从刀具技术的角度来分析加工中心的镗孔加工。

" \$ j8 ` M! U% h1 `! T# m

　　一、加工中心上镗孔加工的特点

! G6 t; a4 B! G/ j' \- a

　　1.刀具转动

" N2 x$ V h5 A1 h N Z8 u0 m* n

　　和车床加工不同，加工中心加工时由于刀具转动，便不可能在加工中及时掌握刀尖的情况来调节进刀量等。也不可能像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。也正因为这样所以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。

! W; @) ?( z, I! _: N; A( s$ `! }

　　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。

+ E* ^2 ]/ z2 B7 Q4 T* }/ B

　　2.刀具的颠振

/ c5 p) `; T3 ~+ I) D' i8 P; x) N 8 n* v+ N0 h( ?% S6 R+ Y5 ?0 L

　　镗孔加工时最常出现的、也是最令人头疼问题是颠振。在加工中心上发生颠振的原因主要有以下几点

' k7 s( i& _" Q2 x 8 W+ m3 a; {- ]3 s8 _. L3 [7 S$ R

　　1)工具系统的刚性：包括刀柄、镗杆、以及中间连接部分的刚性。因为是悬臂加工所以特别是小孔、深孔及硬质工件的加工时，工具系统的刚性尤为重要。

　　2)刀具系统的动平衡：相对于刀具系统的转动轴心，刀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颠振的发生。特别是在高速加工时刀具的动平衡性所产生影响很大。

; |* J+ }4 G8 v2 n7 {3 U2 [

　　3)工件自身或工件的固定刚性：像一些较小、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夹具进行充分的固定。

! w' N( e' L6 B; j& w1 z( W& g# [

　　4)刀片的刀尖形状：刀片的前角、刀尖半径、断屑槽形状的不同所产生的切削抗力也不同。

) s# C" N0 ]5 ~8 H1 K. q9 ]

　　5)切削条件：包括切削速度、进给量、进刀量以及给切削油方式及种类等。

: l# a+ X$ v. H ?; K , b1 H+ |. N- k. D

　　6)机器的主轴系统：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.刀具的装夹

( A [- \+ C, I$ X; F5 t/ e$ N/ W

　　在镗削孔时，最重要的是在加工中心上正确装夹刀具。在小孔镗削中，刀具的中心高是导致刀具失效的重要因素。如果刀具安装低于中心高，将影响刀具的加工性能。主要表现在：

7 S( L/ H: |# m3 B# M , v" W( h; X+ w' D; X

　　1)切削刃相对于工件的主后角减小，导致刀具的后刀面与工件接触，使刀片与工件之间发生摩擦，当刀片旋转时，这种摩擦进一步会使刀尖发生偏离，导致刀具更深地切入工件。切削刃的几何参数对切削效率的高低和加工质量的好坏有很大影响。增大前角，可减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前面的摩擦阻力，从而减小切削力和切削热。但增大前角，同时会降低切削刃的强度，减小刀头的散热体积。

9 @" M& u& L8 F6 g( f, d

　　2)当刀具后角减小时，刀片相对于工件的前角也增大，从而引起刀具刮削工件，引起刀具振动并损坏刀具。这种情况在镗削小孔时更为严重。

. ?% m5 n. L3 L

　　为此建议刀具安装应略高于中心高(但应尽可能接近中心高)。这样可使刀具相对于工件的法向后角增大，切削条件得到改善，如果加工时产生振动，刀尖会向下和向中心偏斜，从而接近理想的中心高。刀具也可轻微地退出，减小削伤工件的可能性。此外，刀具前角也将减小，这样可稳定工作压力。如果前角减小到0°，就会产生太大的工作压力，导致刀具失效。所以在镗孔时，应选取正前角的镗刀，在镗1mm的小孔时，镗杆的直径只有0.75mm左右，使刀具承受的切削力减小。

7 ~( L4 k) `5 r3 f9 }. @, i

　　4.切屑的排出

. K. I7 {8 q; G1 K2 P8 H

　　在镗削孔时，切屑的有效排出至关重要。加工时，由于刀具在孔内，切削液很难到达切削刃，造成切屑排出困难，影响刀具寿命。为解决这一难题，一些刀具制造商开发出一种沿切削刃带冷却槽的刀片，使切削液直接流向切削刃，防止切屑堵塞和刀具损坏。

* |' V4 B1 i; R* Y/ } # ?% p* M ]8 Q/ @: b

　　二、刀具的选择基准

9 q. p' G" R0 t _* ] ) ]: u: J+ K) `4 D% g; }

　　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。

2 \' W* m& X( x3 X; K1 t& J

　　1.一体式镗刀

/ r% x% F7 d: c0 h" ]0 Z

　　古老的一体式镗刀主要用在批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。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刀具具有更充分的柔性。所以一体式镗刀大多数已从工厂中消失。

3 g5 @4 e. p- t- G & f" G7 H. h9 T9 U/ [

　　2.模块式镗刀

. m. \7 R- F0 E0 Y8 o ) N u5 _0 G' O2 r9 D

　　模块式镗刀即是将镗刀分为：基础柄、延长器、减径器、镗头、刀片座、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。

　　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。诸如：

　　BIG-KAISER方式：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；

　　侧固式：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；

7 i6 k9 Y4 f1 @

　　旋入式：虽然端面得到连接，但刀尖在圆周上的相位会发生变化；

: h6 m9 K2 o k" V+ ]7 @

　　后部拉紧式：端面的连接和跳动都较好，但操作性很差

　　当然市场上所具有类型远远不止以上几种，用户可根据需要选择所需类型的镗刀。

q; x8 @6 U6 f6 S# o 6 v! H3 H' C: K" ]$ X# K' q

　　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。

　　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

- s9 C1 ~8 X; x8 G4 A; f

　　三、实例分析

8 f1 G L1 ?0 M0 y. M4 V8 D& ~2 H& o

　　毛坯尺寸：100×80×30(mm)材料为45#钢，刀具是模块式镗刀硬质合金材料。

　　(1)加工工艺：钻预置孔—扩孔—粗镗—精镗

% r1 ^4 K0 A# m2 @2 G 5 L% I: {" w$ j) D) ^( E( \5 L6 m

　　(2)刀具：

2 H: [8 \$ Q: @1 S: G' J: E1 |

　　1、φ19.8钻头

5 w+ `- m0 S( Q& n# r 0 U4 }# i% G/ k7 K; u' }" s

　　2、φ24.8钻头

9 r& `9 o8 X: a5 O. H9 N$ [

　　3、φ20镗刀

　　4、φ25镗刀

Y8 B# Z& \; Z' Z3 T6 n

　　(3)程序：

% C) o ^, O s* b: J5 ~ : g) w7 P. I8 K& N' h& |

　　O0001

D e* }7 B O* }

　　G54G90M03S600T1G0X0Y0(钻φ20的预置孔)

' N# R4 d6 d E# O/ N

　　G43H01G0Z20

　　G81X30Y25Z-35R5F80

; X, C9 G9 S, J0 ~& |8 A

　　G91G28Z0

7 Q' i( ~# u+ ? 0 z; r e! P" E

　　M06T2(钻φ25的预置孔)

8 b' G- _, ~# m

　　G43H02G0Z20

　　G81X20Y20Z-35R5F80

0 H- F$ Y" U4 X. o

　　G91G28Z0

/ W/ Z; Y o: L/ l8 j1 Y. Z2 j2 Y i

　　M06T3(粗镗φ20的孔)

　　G41H03G0Z20

6 N& r; |( P j# ^ % {4 w* M. B7 Y0 o9 F! s

　　G85X30Y25Z-35R5F80

　　G91G28Z0

3 {3 V1 ^ v( y6 _7 M- x0 W

　　M06T4(粗镗φ25的孔)

: q2 ^( P0 E3 f; y0 n $ s* o. `' |$ c" [$ @, ]2 O( s# k

　　G43H04G0Z20

$ u6 m* b$ F( H. B* N8 |- r

　　G85X20Y20Z-35R5

1 F% a5 K/ A% p* Q/ z

　　G91G28Z0

　　Y0

- t$ j, `* t8 d: H; {$ A4 ^ 7 G+ o0 N( \) Z9 M+ J

　　M30

5 X$ h0 O4 m9 q" l! ^; ^# P

　　(4)测量尺寸：根据测量的结果按照孔的精度要求通过镗刀的减径器来调节刀片刀尖的位置,再进行精加工，最终能符合公差的精度要求。

: ~' @) g o( @3 ?$ v

　　从上面的例子中我们可以看出工件的材料、加工孔的直径、深度决定着用什么式样和什么材料的镗刀，不同的镗刀对应着不同的材料要求，最终目的是能镗出高质量高精度的成品件。

! E/ Q1 I4 | N6 G. E" \6 K

　　由于在高温、高压、高速下，和在腐蚀性流体介质中工作的零件，其应用的难加工材料越来越多，镗孔加工的自动化水平和对加工精度的要求越来越高。为了适应这种情况，镗孔刀具的发展方向将是发展和应用新的刀具材料，以便能更好地解决刀具材料硬度与强度间的矛盾；进一步发展可转位刀具的结构；提高刀具的制造精度，减小产品质量的差别，并使刀具的使用实现最佳化。

) H8 n2 y9 T% p3 @; `3 f/ Y1 Z