新型镗刀有效提高镗削的加工质量

现在的新型镗刀可缩短工艺过程中的调刀时间，帮助用户高速、小批量地生产产品，从而保证工厂和车间及时完成生产加工任务。此外，这种镗刀自身可进行自动调节、修正磨损、补偿误差或自动成形。以KomTronic镗刀为例，这一系列的侍服传动镗刀由美国Komet公司生产提供。镗削加工头内的滑板由侍服电机传动，它控制着脉冲，使镗杆向较大的直径方向移动，或支持其向较小的直径方向移动。这一机构提高了镗床的加工精度，不需采用手工调节的方法调节螺丝。

Komet公司的工程师们也在镗杆内安装了导轨，采用侍服电机来传动镗刀片，可使一锥形刀杆轴向移动，也可使镗刀片向外扩大到更大的直径或向内缩小到更小的直径。这取决于镗刀的设计，它可通过一个闭环系统，自动地对两个平面进行补偿。镗刀头的行程范围可以变化，比如MO42可以在-1.0～+1.5mm的行程范围内调节1mm，而U轴可偏离中心移动高达±25mm，镗削精度可达±10mm。

尽管这种自动化系统的费用较高，但其投资能够很快得到回报，特别是在大批量生产过程中。比如在汽车工业中，MO42镗刀头可根据仪表测量值对连杆的每一次切削进行自动调节。再比如，一个U轴镗削系统在镗削时，可使一台加工中心的加工能力在某种意义上像车床那样，能够切削凹面和进行倒角，有效地增加了一个加工轴。同时，一台加工中心可以镗削一个在高速情况下难以在卡盘上装夹的零件。因为此时旋转的只是镗刀，而工件是不旋转的，因此加工中心可以用这种刀具在很短的时间内进行加工生产，以达到所要求的表面光洁度。

智能刀具

Makino公司使用的是Smart系列智能刀具。Makino公司采用的方法不是利用电机进行传动，而是采用切削液使其通过刀具，在流经切削区润滑和冷却前，迫使切削液起到另一个作用，那就是帮助清除切屑。一种称作冷却液可调镗杆或CABB的双重镶刀片设计形式的镗刀，其中包含一个内部的尼龙气囊。随着压力的增加，气囊随之膨胀，迫使含有镶刀片刀架上的两个刀片向外扩张，因此使刀具的直径扩大。

然而，为了适应气囊的要求，镗刀所需的局限直径至少应为51mm。为了使这一机构能缩套在镗刀上，其直径应小到25.4mm，为此，设计组开发了一种“简易密封”装置。Makino公司在两个镶刀片之间增加了一个夹心钢片。这一中心件是固定的，随着压力的增加，里面的液体将推动刀片向外分离。

虽然Makino公司设计和生产了精度达到0.51mm的镗杆(见图1)，但其设计的大部分CABB镗刀精度却能达到0.25mm左右。其原因是因为当刀具的精度一旦大大超过这一数值时，对于大部分工作而言，精度就开始过度下降。大部分的镶刀片在需要更换前，其磨损只有0.127 mm或更少。因此，仍然有余地使刀具扩大至第二次、甚至扩大至第三次使用。

图1 福特公司的Eaton Saginaw工厂采用有Makino公司提供的水冷式镗杆，
正在对Duratec 2.5L发动机缸体进行精加工

这一性能可以使其减少许多无效的生产时间，比如用于对偏移量的调节、更换刀具和通过镗孔将刀具退出。这样，就可以在进刀过程中加工，并扩大间隙——一般在每一镗孔的底部——然后在退刀过程中进行加工。CNC数控机床的软件可以根据主轴背面获得的压力读数进行自动调节。为了达到很高的精度，可采用气压表测量孔径，并给闭环控制系统提供必要的反馈信息。

Makino公司制造了一种能够在切削过程中使镶刀片径向内、外移动的另一类液压镗刀，可镗削略呈椭圆形的孔径，其直径≥51mm。由于CNC数控机床的切削液压力是可变的，其镶刀片后面的叶片弹簧既可以使镶刀片向外推动延伸，也可以在松弛后将它向内拉紧。其每侧最大的移动距离为0.127mm。在发动机生产过程中，这一较小的移动量足以使孔径成形，并纠正其圆柱度问题。

模块式组合镗刀

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）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。

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。

现代镗刀之所以能够提供高精度和较大灵活性的另一因素是模块式组合镗刀的制造商也像其他的制造商那样，已经投资了较好的生产加工工艺，以便充分发挥现代机床的加工能力。因此，现在的模块式组合镗刀具有更高的精度。据Ingersoll刀具公司的镗削加工生产线经理介绍，10年前，零件的组装重复精度达到0.0127～0.0178mm是可以接受的。但现在的情况不再如此了。他指出，Ingersoll刀具公司的模块式组合刀具一般的公差尺寸范围为2～4mm(见图2)。

图2 Ingersoll公司的模块式镗刀，它可根据用户的需要，直接将库存的模块元件组装成镗削系统

当然，这并不是意味着单件的实心镗杆将很快在任一时间退出历史舞台。Ingersoll公司也投资了一条实心镗杆生产线，使用导向块作为它们的起点，他们可能会应用PCD镶刀片加工有色金属，或使用CBN镶刀片加工铸铁。只需调节刀片的前、后角，就能够使孔径达到相应的精度要求。

这类镗杆不需要随同钻孔就可以自动镗孔。有时候，Ingersoll刀具公司根据所谓的可控刀杆来生产这类镗杆，就可以对主轴和工件之间任何未经校准的地方进行补偿，因此效果非常不错。这些刀杆上装有调节螺丝，可补偿X轴和Y轴的倾斜角度，从而使操作人员可根据工件的相对位置来测量调节刀具。

这类刀具的其中一项用途就是镗削加工汽车的阀座。生产一种特殊的刀具应用于一种可控的刀杆上，也许就能够使客户不必对气缸体或气缸盖进行磨削加工，其经济效益是十分可观的。

联轴机构提高镗刀的稳定性

镗削加工技术的另一新发展导致采用更好的刀具夹持方式。例如为了能够在车床上进行镗削加工，Sandvik Coromant公司开发了一种称作EasyFix易于夹持的套筒，这种套筒简化了刀具在中心线死点上的调节程序。当安装较小直径的镗杆时，这一功能可以帮助用户节约很多时间，因为较小直径的镗杆较难控制，一般应用于中心线偏差较小而危害极大的地方。

对于旋转的应用领域而言，Sandvik公司的工程师们将全部精力集中在刀具的稳定性方面。在过去，人们将刀具夹持在只有直柄和几个螺丝的端铣刀夹座上。使用Allen螺丝的普通夹持机构和镗刀夹座只能对直径产生7%～10%的影响力。由于接触量较少，因此不太稳定，容易产生振动，尤其在今天切削速度普遍较高、而又处于长期悬挂的情况下更是如此。因此，许多刀具制造商重新又回到了制图板前，开始开发可提高稳定性的联轴机构。

在Sandvik公司，工程师们使用该公司的Coromant Capto联轴机构，这种机构是以多边形系统为基础的，可以使镗杆的接触面沿着其联轴机构的轴线部分均匀地分布在圆周上。夹座后的活动螺丝以大约35.6N的轴向拉力，将该机构的各零件一起拉向锁紧锥体上。这样，不但获得了面对面的接触，而且还保证了刀具四周的夹持力。联轴夹持机构可使切削力分布在整个多边形的周围，每一联轴机构的偏差为0.0051mm。

由于其接触面大、轴向拉力高、光滑的淬火表面硬度达RC63，因此其所产生的稳定性和刚性使模块式组合刀具比实心刀杆具有更好的优越性。各元件之间的连接点不但不会产生振动，而且还可以将镗杆分成几个部分，从而使其与更加合适、有利的频率协调。采用这种概念的模块式组合刀具，实际上其加工性能比实心镗杆更加稳定。

尽管采用更加稳定的设计和更好的生产技术具有重要的意义，但不平衡性是该工艺所固有的缺点，在现今高主轴转速的情况下已变成了一个尖锐的问题。加工镗刀一般是一种在主轴上偏心安装的刀具。刀具的移动方向垂直于旋转轴，并由此而产生较大的不平衡性，从而对直径进行修正。由于在过去几年中，主轴的速度在不断提高，因此要保持公差精度和较好的表面光洁度就越来越困难了。

提高镗刀的平衡性

鉴于此，几十年来，镗刀制造商们在镗刀头上增加了平衡配重装置。采用这种类型的第一代产品需要技术和时间。在调节直径的同时，操作人员需要手工调节重量，技术人员需要在平衡机上测定刀具，调节配重装置，直到刀具达到平衡为止。然而在现在，凡是在较小批量生产的车间中，如果对刀具的调节需要尽可能挤出每一秒时间的话，采用这类方法所花的时间实在是太长了。

为此，像BIG Kaiser精密刀具公司那样的刀具制造商们开发了可自动补偿平衡的镗刀头(见图3)，用户在镗削直径时可使镗刀起到平衡的作用。当镶刀片移动时，配重装置也在相反的方向上不断地移动来补偿平衡。因此，只需作一次调节。这种方法既可节约时间，又可降低产生误差的机率。

图3 由BIG Kaiser精密刀具公司提供的这种新型镗刀头带有铝体和自动平衡机构

Command公司还安装了一种内置机构，在加工特殊的直径时，可简化其Urma MicroMax镗刀头的平衡程序。其设计特点是可以让操作人员精确地平衡镗刀头，而不需要将它们放在平衡机上测量。这种方法可以比普通的刀具采用更高的镗削速度。在平衡状态下的镗削加工，还能提高正圆度和表面光洁度。在某些情况下，当旋转的速度高达20000r/min时，镗刀头就会充分发挥出这些优越性。

在稳定性方面的改善并不局限于镗刀头的创新。刀具制造商也在努力采取各种措施，以克服镗刀的振动问题，例如在其内部安装一些防振机构。安装这些机构以后，可延伸其实际长度：使直径纵横的比例或悬臂长度达到直径的15倍。在某些情况下，如果能够正确地使用协调原理和镶刀片几何形状，Sandvik Coromant公司还可使镗杆的长度达到直径的20倍。

虽然防振装置会增加镗杆的成本，但Sumitomo公司认为其新型防振X-镗杆将能改变这一技术的经济性能。这种钢制的镗杆包括一个简单的机械防振装置，据报告称该装置可以很好地控制振动，从而可产生很高的表面光洁度，在6倍直径的情况下，可延长刀具的使用寿命。

刀具系统具有更好的平衡性和更大的刚性，这一优点使它能够配置应用一些镶刀片技术，对于镗削加工而言，意义重大。例如，Sandvik Coromant公司已经在其精加工镗刀系列上增加了带有清扫装置的镶刀片。因为在清扫装置几何形状上的刃面较长，而且清扫装置也加强了刀尖半径，并使刀刃能保持较长的切屑。清扫装置的几何形状不仅提高了进给速度，而且也提高了表面光洁度，实际上还省去了磨削工序。因为它们还允许采用很锋利的刀刃，要在孔径上保持0.5‰的公差是很不寻常的。

当然，在切削过程中的接触面越大所产生的摩擦力就会越大。因此，Sandvik公司为其清扫器镶刀片设计了特殊级别和特殊几何形状，从而使切削动作尽可能地自由，以限制热量的产生，并承受所可能产生的额外热量。Sandvik公司还推荐使用通过刀具的切削液，以帮助冷却切削区域，使其保持很好的公差尺寸。

为了提高粗加工的生产率，Sandvik公司引进了三刃模块式组合镗杆——CoroBore 820。该公司的工程师们为这一旋转刀具开发了一种模块式结构的导轨系统，代替普通的套筒式机构，以使其能够固定安装到双刃镗杆上的两个孔穴中。额外增加的孔穴可比双切削头形式的装置的生产率提高50%。

现代镗刀较好的平衡性和稳定性，还具有另一重要的优点，这就是它们可以使用有先进材料制成的镶刀片，例如CBN镶刀片和带有PCD刀尖或PCD刃面的镶刀片。为了改善高转速镗刀的平衡有效性，Seco Carboloy公司曾经做过许多试验，特别是对于像铝材那样的有色金属。

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