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镗孔刀具的技术改进

时间: 2011-07-01 13:01 来源: 作者: 张宪 编译点击:
镗削加工通常被认为是适合在各种不同尺寸和形状工件上加工精密孔的理想加工方式。为了适应不断提高生产率的需要,镗孔的设计也在不断创新改进。近年来,镗孔刀具的技术改进主要体现在以下四个方面。

(1)采用数显读数屏的精密镗头

自数控(NC)技术问世以来,数字显示技术已在CNC和坐标测量机上大量应用。此外,数显千分尺、数显卡尺等数显也已得到广泛使用。但是,数显技术在精密镗刀上的应用却一直进展缓慢,其制约因素主要是镗孔加工中使用的冷却液和镗头的高速旋转。

过去,在加工中心上进行镗孔加工时必须非常小心,尽量避免四处飞溅的冷却液进入镗头数显装置的电子元件中。如今,采用内冷却设计的新型镗刀已能较好解决这一问题。由于冷却液可通过刀具内部的通道直接到达切削部位,从而实现了冷却液与镗头数显装置的完全隔离。此外,新型数控镗刀的外部进行了良好密封,可有效防止冷却液与数显装置中的电子元件接触。

在高速镗削加工中,镗头的高速旋转、离心力以及镗头本身的不平衡都可能引起较大振动,从而损坏灵敏的数显装置。新型镗头通过采用一种内置平衡机构,可以在高速镗削时减小或消除有害的振动。目前,带数显读数屏的精密镗头已能够用于转速达16000r/min的高速镗削加工。
新型镗头的数字显示屏可直接显示出镗刀滑块的位移量,而不必通过调刀螺杆的转动量来确定位移量。由于镗杆直接安装在镗刀滑块上,因此镗头的数显读数值可以真实反映出镗刀的位移量,而不会受到螺杆空程误差的影响。数显镗头的这一特点使其可以更快速、更精密地调整镗孔直径,并可实现对加工偏差或刀具磨损的误差补偿。

大多数镗刀都需要通过试切-测量(cut-and-measure)操作来确定其设定尺寸,即首先对一小部分被加工孔进行试切镗削,然后测量其加工孔径。通常,这就意味着需要将镗刀从机床上卸下来,再安装到一台上对镗刀尺寸进行微调修正,以获得正确的孔径尺寸。这种预调操作之所以必要,是因为直接在机床上对普通镗头的游标刻度盘进行读数和预调相当困难,但是,这种操作方式可能造成镗孔尺寸超差或损坏工件。

由于在机床上安装镗刀时难以预测其刀尖偏差,因此需要采用试切-测量操作来预调刀具。如果采用易于读数的新型数显镗刀,则可能实现直接在机床主轴上对刀具镗孔直径进行微调,其尺寸调整范围可达0.0001″(0.00254mm)。即使因为机床主轴的进刀限制,必须将镗刀从机床上卸下来进行孔径尺寸调整,新型数显镗刀的调刀过程也更快速、更精确。

(2)采用铝结构的镗刀体

铝的重量较轻,是制造刀体的常用材料。随着当今CNC机床的加工速度越来越高,许多机床的重量也越来越轻,减轻刀具的重量就显得至关重要。

大部分数控机床的换刀机械手对刀具的重量都有一定限制。采用铝结构的镗刀既可确保刀具重量不超过换刀机械手的限重标准,同时又能加工直径尺寸大于4″(约100mm)的孔(一般来说,加工孔径小于4″的镗刀,无论采用铝结构还是钢结构,其重量均不会超过换刀机械手的限重标准)。镗刀重量的减轻可以减小机床主轴的误差,从而提高镗孔精度。此外,镗刀的重量越轻,机床主轴本身的磨损和破坏也越小。

在数控机床上装卸大型、重型镗刀时,由于钢结构镗刀的重量往往超过了机床换刀机械手的限重标准,因此不得不采用手工装卸或利用高架起重臂进行吊装,既费时又费力。如果采用重量较轻的铝结构镗刀,这一问题则可迎刃而解。例如,美国堪萨斯州一家工厂原来所用的加工孔径14″(355.6mm)的钢结构镗刀重约40磅,需要使用起重臂才能安装到机床上,换用了一把同样规格的铝结构镗刀后,其重量还不到25磅,可利用换刀机械手自动装刀,从而大大提高了生产率。

铝结构镗刀在高速切削时的平衡性能上也更具优势。由于铝结构镗刀的非对称质量比传统的钢结构镗刀小得多,因此在用相同的制造工艺进行加工时,可以大大减少或消除刀具不平衡带来的问题。

铝结构镗刀的耐用性是人们始终关注的一个问题。不过,通过在刀具表面涂覆氧化铝硬涂层,这一问题可以得到圆满解决。采用一种特殊的酸性电解液氧化(acid-electrolyte oxidation)涂层工艺,可以将刀具表面的铝转化为氧化铝,氧化层深度可达0.008″(约0.02mm),其表面硬度可达56HRC。

铝结构镗刀的表面硬涂层可以有效防止因切屑磨擦和腐蚀对刀具的损害。由于精镗加工的切屑一般较为细碎,对刀体的撞击力也较小,切屑磨擦对刀具的影响有限。因此,经过表面涂层处理的铝结构镗刀在精镗加工中具有良好的耐磨损性,但在耐冲击性方面则可能不如钢结构镗刀。

刀体表面涂覆了氧化铝硬涂层的铝结构镗刀,在易形成长切屑或磨蚀性切屑的工件材料上粗镗加工大孔径(8.07″~40.1533″,205~1020mm)时也具有明显的优势(小孔径粗镗刀通常采用钢结构),流畅的排屑(可减小切屑对刀具的冲击和磨损)与刀具表面硬涂层相结合,可使刀具在粗镗加工此类材料时刀体不会过快磨损。

(3)具有粗、精镗功能的复合式镗刀

传统的镗孔加工通常需要经过从粗镗到精镗(有时精镗前还需进行半精镗)的多道工序才能完成,虽然这种多工序加工方式可保证加工的可靠性,但却相当耗费工时。

随着近净成形铸造(near-net-sharp castings)技术尤其是铝模铸造技术的出现,工件毛坯质量提高,加工余量减小,多工序加工的必要性也随之减少甚至消除。在许多情况下,孔的粗镗与精镗加工可以在同一台机床上完成,这样,对被加工孔的加工余量和偏心量的技术要求可以大幅度降低。为此,复合式镗刀的应用引起了人们的广泛关注。

复合式镗刀将粗镗与精镗两种切削刃集成于同一把镗刀上,通过一次走刀操作即可完成孔的全部镗削加工。首先由粗镗切削刃切除大部分加工余量,然后由精镗切削刃加工孔径至要求尺寸。粗镗刀片与精镗刀片之间工作寿命的差异可以通过在刀夹中安装不同牌号硬质合金刀片来加以调节。
精镗切削刀片装夹在一个可调刀夹上,刀夹位置可利用精密螺杆和传统的游标刻度进行调节。通过一次走刀操作,即可加工出公差为0.001″(0.0254mm)的精密孔径。虽然复合式加工必须根据加工需要设定进给率,但由于省略了粗镗或半精镗工序,因此可大幅度提高生产率。

(4)适合高速切削的自平衡镗刀

人们很早就已认识到镗刀的平衡性能对于镗削加工质量的重要性。在如今的高速切削条件下,镗刀的平衡问题显得比以往更为突出,即使是很小的刀具不平衡量都可能对被加工孔径的尺寸、表面光洁度、圆度以及刀具寿命造成很大影响。此外,刀具的不平衡还可能引起切削振颤。近年来,许多标准镗刀上都加装了平衡机构,这种机构通常由可移动的配重块组成,由于镗刀的不平衡状态主要是由加工孔径变化引起的,因此可以根据镗刀设定的加工孔径对刀具的配重进行调节。这种方法对于保持刀具平衡虽然有效,但却相当耗费工时。此外,这种平衡装置位于刀具外部,暴露于冷却液、切屑和油污中,很容易受到损坏。

内部安装有自平衡机构的新型镗刀则可较好解决这一问题。当装夹刀片的可调刀夹向某一方向移动以调节孔径时,镗头内一个与之机械连接的平衡配重块则同时向相反方向移动,以保持镗刀的平衡。该内置自平衡机构密封在镗头内,可与冷却液和切屑完全隔离。

这种自平衡镗刀可应用于现代CNC机床的高速加工,对于大多数加工任务,均可获得相当不错的刀具平衡效果。如果某项加工任务对于刀具平衡的技术要求特别高,也可将这种镗刀作为一个组件在高精密平衡机上进行平衡。对于桥式镗刀(不管是铝结构还是钢结构),通常都是利用平衡配重块进行手动平衡。

上述几项设计技术(带数显读数屏的精密镗头、铝结构镗刀体、复合式镗刀和自平衡镗刀)均有助于加工制造商大幅度地提高镗削加工生产率。虽然这些技术创新还不能称为“革命性”的技术发展,但已足以对镗削加工的技术进步产生重大影响。(end)

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