面向用户需求的高效精密铰削刀具
| 铰削是一种二次精加工，其作用是满足对孔的尺寸、形状精度和表面光洁度更为严格的加工要求。目前应用的铰削刀具既有已使用了数百年的传统手用铰刀，也有能够快速、高效加工高精密孔的先进铰削系统。以下介绍三种可以满足不同终端用户加工需求的铰削系统：第一种铰刀被设计用于在CNC数控机床上实现快速加工转换；第二种铰刀主要适用于对切削速度要求较高的加工场合；第三种则是集钻孔和铰孔功能于一体的复合铰刀。 1. Valenite公司的MODCO BHR铰刀 汽车零部件制造商面临着控制成本和“即时供货（just-in-time-supply）”的压力，为此他们必须将加工时间缩减至最短。实现这一目标的方法之一就是采用可从加工上一个零件快速转换到加工下一个零件的先进加工设备，这就导致了传统的生产流水线被加工单元（machining cells）所取代。在许多情况下，这些加工单元中的CNC数控机床必须配置新型的刀具系统。 为了替代传统生产线普遍使用的伺服－可调式铰刀，Valenite公司（Valenite LLC，位于美国密切根州Madison Heights）开发了一种适合在CNC数控机床和生产线上进行高效、高精度铰削加工的新型铰削系统。这种名为MODCO的焊头式铰刀（Brazed Head Reamer, BHR）的特点是互换性好，焊有多个硬质合金刀齿的铰削头可以快速更换。这种快换连接机构具有足够高的刚性和安装重复性，更换铰削头后不需作任何调整，即可铰削加工出符合ISO H7级精度的精密孔。此外，多切削刃结构使切削力分布均匀，从而使铰刀能以较高的切削参数进行大批量高效加工。例如，在铰削加工中碳钢和高碳钢工件时，一般可采用切削速度50～100m/min，进给率0.40~0.50mm/r；加工表面粗糙度可达Ra0.3～0.8μm。 最近，Valenite公司正以打包定制的方式，为汽车工业的装备制造商（OEMs）及其主要供货商使用的主流制造程序提供加工刀具。MODCO BHR铰刀就是根据特定的加工材料、加工机床和生产批量而专门配置的。该铰削系统设计有5种不同的刀柄尺寸，与之匹配的铰削头可用于铰削加工直径尺寸φ9.75～32.50mm的盲孔或通孔。直径尺寸φ15.49mm以下的孔采用四齿铰削头加工，φ15.50mm以上的孔则采用六齿铰削头加工。刀齿材料共有两种牌号，一种是未涂层的超细颗粒硬质合金牌号VP-1R20，适合铰削铝和其它非铁族金属以及钛合金等；另一种是PVD TiN涂层的超细颗粒硬质合金牌号VP-5R15，用于加工钢和不锈钢、铸铁以及所有的镍/钴/铁基超级合金。 Valenite公司负责加工解决方案的产品经理鲍勃.科勒曼指出，铰刀是一种精加工刀具，而不是用于去除金属材料的初级加工刀具。他说，“典型的孔加工操作通常为钻孔→镗孔→铰孔，如果钻削的孔质量较高，也可直接进行铰削加工，但铰孔不可能切除大量工件材料，它毕竟是一种精加工”。用BHR铰刀铰孔时，每边的最大材料切除余量为0.25mm。由于该铰刀具有自导向功能，因此Valenite公司推荐与可调式和浮动型刀具夹头配合使用。科勒曼说，“通常铰刀将沿着工件上已加工好的底孔进刀，操作者要做的只是将铰刀作少许径向移动，以确定孔的中心位置。” 科勒曼还指出，在切削加工采用新型材料的汽车零件时，采用加工单元生产方式有助于提高生产效率。而在生产流水线上切削加工易导致刀具快速磨损的高强度、高磨蚀性材料时，由于更换刀具时需要频繁停止和重新起动整条流水线，因此会大大降低生产效率。加工单元生产方式允许使用可快速更换的备用刀具系统，易于实现对难加工材料（如蠕墨铸铁，CGI）汽车零件的批量铰削加工。 2. Iscar公司的Bayo T-Ream铰刀 Iscar公司（Iscar Metals Inc.，位于美国德克萨斯州Arlington）的Bayo T-Ream铰削系统是专为高速铰削加工开发的一种高效、精密铰刀。该刀具的最大特点是采用了基于快换卡口原理的可互换式整体硬质合金多齿铰削头。Bayo T-Ream铰刀的孔径加工范围为φ9.5～32mm，铰孔精度可达ISO H7级，加工低合金钢和铸钢材料时的典型切削参数为：切削速度80～120mm/m，进给率0.7～1.1mm/r。该铰削系统是针对以切削速度为首要考虑因素的大批量加工场合而设计的。据Iscar公司宣称，Bayo T-Ream铰刀允许的吃刀率可比普通铰刀提高30倍以上。 切削功能与定位功能的分离使Bayo T-Ream铰刀的加工精度显著提高，并实现了高速铰削。铰刀的每一个槽刃都包含了一个切削区和一个导向区。切削区位于槽刃起始部位的倒棱处，加工时切屑在此形成。导向区是一个圆柱形的凸带，它在加工过程中支撑和引导铰刀通过被铰孔。导向部与被铰孔的间隙很小，可对工件表面起到挤光作用。圆柱形导向部的作用还可使铰刀的倒锥度减小，铰刀后部的直径尺寸仅比前部的直径尺寸小0.01～0.02mm。 Bayo T-Ream铰刀的高加工精度和高切削速度使其对加工系统的刚性提出了比使用传统铰刀时更为严格的要求。Iscar公司负责孔加工和整体硬质合金圆形刀具的国内产品经理克雷格.塞格林说，“Bayo T-Ream铰刀具有不错的刚性，当它安装在SRKIN收缩夹头或ShortIN夹头中时，其悬伸长度仅为1.25″（32mm），因此不会发生偏斜。如果采用浮动夹头，则必须对被铰孔的入口处进行预处理，使其与铰刀上的倒棱角度完全匹配。大多数铰刀总是沿着阻力最小的路径进入被铰孔，但是一旦铰刀圆柱形导向部的直径部分进入孔中，铰刀就会沿着直线进刀。与用镗刀镗孔一样，如果被铰孔存在偏心或锥度，Bayo T-Ream铰刀可将其校直。” Iscar公司推荐，使用Bayo T-Ream铰刀加工铸铁和钢件时，为了获得最佳铰削效果，预铰孔的直径应比需要加工出的孔径小0.2～0.3mm；而在加工较软的工件材料（如铝）时，预铰孔的直径应比需要加工出的孔径小0.3～0.4mm。此外，铰孔加工应与此前的钻孔加工在相同的工件夹持状态下进行，如果铰孔加工的工件夹持状态与钻孔加工时有所变化，则应加大铰孔允差。 Iscar公司指出，Bayo T-Ream铰刀能够使被铰孔的直径最多增大8mm，因此它可单独应用于高精密孔的精加工。 加工盲孔与通孔的T-Ream铰刀在槽型结构上有所不同。用于加工盲孔的铰刀采用直槽结构，因为直槽可为被冷却液冲出盲孔的切屑提供顺畅的排屑通道；而在加工通孔时，设计为左旋螺旋槽的铰刀可将切屑向前推，防止切屑沿着刀槽流动，并可保护孔的表面质量。此外，与直槽相比，螺旋槽不容易引起振动，因此更适合加工断续孔和不规则的孔。T-Ream铰刀的另一个可起到减振作用的设计特点是刀槽的非对称分布。铰削头外圆周的各刀槽采用不等间距分布可有效防止会降低被铰孔精度（圆度和圆柱度）的共振的形成。不过，为了便于精确测量铰刀的实际切削直径，其中有两个刀槽采用了180°相互对称分布。 Iscar公司指出，为了在高速铰削时仍能保持良好的加工精度，就需要将机床主轴、刀具夹头、刀柄和铰削头之间的径向跳动控制到最小程度。如果不能保证控制径跳的效果，则推荐采用较大的铰孔允差。如果加工机床的刚性不足以满足高速铰削的要求，则应考虑采用传统的铰削工艺。 Bayo T-Ream铰刀适用的切削速度和进给率均远远高于传统的铰刀。Iscar公司的产品经理Segerlin列举了一个铰削钢件的加工实例：他用Bayo T-Ream铰刀加工粘性材料12L44钢件时采用的加工参数为：主轴转速1500rpm，切削速度36ipm（900mm/min），每齿切屑厚度0.004″（0.1mm），铰孔深度0.750″（19mm）。加工出的孔在孔口、孔中和孔底处的直径均为0.6308″（16mm），无锥度误差，圆度误差小于0.000020″（0.5μm），表面粗糙度为Ra4μin。Segerlin说，在某些加工条件下，采用Bayo T-Ream铰削可获得与精密镗削相同的加工效果，且加工速度比镗削更快。 3. Cogsdill刀具公司的Shefcut铰－镗复合刀具 由Cogsdill Tool Products公司（位于美国南卡罗莱纳州Camden）开发并已上市的Shefcut精密铰－镗刀具系统具有精密铰削和精密镗削的双重功能，这种复合型刀具的结构特点是在刀具外圆周上分布有多个导向刀垫，刀垫上安装一个可调的单切削刃刀片。 Cogsdill公司的公共通讯经理弗雷德.奥格本介绍说，刀片安装时带有很小的倒锥角，使其切削功能“几乎类似于单点切削式刀具，虽然是采用刀片切削方式，但实际上是用刀片的前刀尖进行切削”。该刀具被设计用于对直线度和圆度要求较高（可达ISO H6级）的精密孔加工。在典型的车间机床设备上加工时，孔的公差（包括直线度和圆度）一般可控制在0.0002″（5μm）以内，加工表面粗糙度可达Ra4μin（加工某些材料时可达到更高光洁度）。 与刀体相互独立的切削刀片可在有限范围内微调，并可根据被加工的特定孔径尺寸进行预调。奥格本说，“Shefcut刀具实质上并不是一种可调式铰刀，虽然它确实具有微调功能，但这只是一种精调型（fine-tuning-type）调刀。”刀片的可调范围只有万分之几英寸，其作用是对孔径尺寸进行精调和对刀片磨损进行补偿。 与切削刀片相互独立的导向刀垫是不可调的，它被磨制成正好比加工某一特定孔径的刀片尺寸小十分之几英寸。刀垫可以专门定制，以适合各种特定的加工任务（如加工多直径孔、短孔或超长孔、断续切削、导向加工等）。 Shefcut刀具的夹持方式和切削参数的选择取决于所选定的加工类型（铰孔或镗孔）。当用于精密铰孔加工时，刀具可以在预加工的底孔中定位，此时采用的表面切削速度通常较低，夹持刀具的主轴夹头一般采用浮动夹头或精密夹头。为了增大Shefcut刀具的加工柔性，位于切削头后的刀体尺寸立即“缩小”。 奥格本说，“因此，刀具将找正被铰孔直至各导向刀垫与孔壁完全接合，在该点进行铰削即可加工出精确而笔直的孔，操作者几乎无须对刀具进行干预。”他列举了一个在倾斜床身车床上用Shefcut铰刀（夹持在Cogsdill浮动夹头上）精密铰削铝制气缸孔的加工实例。该刀具能够消除车床本身的校准误差对铰孔的影响，经铰削后的缸孔无须再进行后续珩磨加工。加工采用的切削速度为150sfm，进给量为0.007ipr，达到的铰孔精度为：尺寸公差0.0002″（5μm），表面粗糙度Ra5μin。 当采用刚性夹持方式时，Shefcut刀具能在加工中（如精镗铸件孔）实现对孔径尺寸的精确定位。Shefcut刀具用于镗削加工时，通常采用较高的主轴转速，因此对加工系统的刚性要求较高（包括主轴与刀具的精密联接），此时可选用HSK夹头或可调夹头。奥格本说，“在镗孔加工时不能采用浮动夹头，因为实际上对孔的精镗加工需要满足特定的孔径尺寸要求。”他列举了一个精镗滑阀孔（材质为灰铸铁）的加工实例，孔的直径尺寸为0.6245″，刀具转速为1500rpm，进给量为0.005ipr，加工表面粗糙度达到Ra32μin。 导向刀垫与切削刀片之间的位置尺寸关系是影响Shefcut刀具加工性能的主要因素。其中的关键尺寸是导向刀垫直径与最小切削直径之间的尺寸差，该差值被称为“安全区域”，因为要避免刀具在加工中被损坏，就必须始终保持该尺寸差。 虽然也可以用千分尺来测量和调整刀具的切削直径，但Cogsdill公司还是推荐使用一种专用调刀夹具（对于批量加工尤其必要）。用该夹具调刀时，将刀具置于可调顶尖之间，然后用两个测头分别进行测量。以导向刀垫的直径作为参考点，一个测头用于测量刀具的切削直径，另一个测头用于测量刀片的倒锥度。 前调节螺钉用于设定刀片的切削直径。通过调节螺钉移动刀片直至刀片高出导向刀垫的尺寸差等于“安全区域”值（即刀片直径比刀垫直径大0.008～0.013mm左右）。后调节螺钉用于设定刀具的倒锥度。通过调节螺钉移动刀片后部使其与刀垫平齐（即小于刀垫直径约0.013～0.020mm）。 Cogsdill公司可根据用户的特定加工需求定制Shefcut刀具的规格尺寸。该公司同时也提供铰削加工常用孔径尺寸的系列刀具，虽然其中的每一把刀具只能用于加工某一特定孔径尺寸。所谓的“标准”刀具是以半成品的形式备货的，在向用户交货之前才根据订单要求磨制出导向刀垫，并按照特定的孔径尺寸安装和预调刀片。 |
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