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鏜刀的發展趨勢

2024-01-15 12:00:00

鏜刀的發展趨勢

新型鏜刀可縮短工藝過程中的調刀時間，幫助用戶高速、小批量地生產產品，從而保證工廠和車間及時完成生產加工任務。此外，這種鏜刀自身可進行自動調節、修正磨損、補償誤差或自動成形。以KomTronic鏜刀為例，這一系列的侍服傳動鏜刀由美國Komet公司生產提供。鏜削加工頭內的滑板由侍服電機傳動，它控制著脈沖，使鏜桿向較大的直徑方向移動，或支持其向較小的直徑方向移動。這一機構提高了鏜床的加工精度，不需采用手工調節的方法調節螺絲。

Komet公司的工程師們也在鏜桿內安裝了導軌，采用伺服電機來傳動鏜刀片，可使一錐形刀桿軸向移動，也可使鏜刀片向外擴大到更大的直徑或向內縮小到更小的直徑。這取決于鏜刀的設計，它可通過一個閉環系統，自動地對兩個平面進行補償。鏜刀頭的行程范圍可以變化，比如MO42可以在-1.0～+1.5mm的行程范圍內調節1mm，而U軸可偏離中心移動高達±25mm，鏜削精度可達±10mm。

盡管這種自動化系統的費用較高，但其投資能夠很快得到回報，特別是在大批量生產過程中。比如在汽車工業中，MO42鏜刀頭可根據儀表測量值對連桿的每一次切削進行自動調節。再比如，一個U軸鏜削系統在鏜削時，可使一臺加工中心的加工能力在某種意義上像車床那樣，能夠切削凹面和進行倒角，有效地增加了一個加工軸。同時，一臺加工中心可以鏜削一個在高速情況下難以在卡盤上裝夾的零件。因為此時旋轉的只是鏜刀，而工件是不旋轉的，因此加工中心可以用這種刀具在很短的時間內進行加工生產，以達到所要求的表面光潔度。

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電機進行傳動，而是采用切削液使其通過刀具，在流經切削區潤滑和冷卻前，迫使切削液起到另一個作用，那就是幫助清除切屑。一種稱作冷卻液可調鏜桿或CABB的雙重鑲刀片設計形式的鏜刀，其中包含一個內部的尼龍氣囊。隨著壓力的增加，氣囊隨之膨脹，迫使含有鑲刀片刀架上的兩個刀片向外擴張，因此使刀具的直徑擴大。

然而，為了適應氣囊的要求，鏜刀所需的局限直徑至少應為51mm。為了使這一機構能縮套在鏜刀上，其直徑應小到25.4mm，為此，設計組開發了一種“簡易密封”裝置。Makino公司在兩個鑲刀片之間增加了一個夾心鋼片。這一中心件是固定的，隨著壓力的增加，里面的液體將推動刀片向外分離。

雖然Makino公司設計和生產了精度達到0.51mm的鏜桿，但其設計的大部分CABB鏜刀精度卻能達到0.25mm左右。其原因是因為當刀具的精度一旦大大超過這一數值時，對于大部分工作而言，精度就開始過度下降。大部分的鑲刀片在需要更換前，其磨損只有0.127mm或更少。因此，仍然有余地使刀具擴大至第二次、甚至擴大至第三次使用。

對Duratec 2.5L發動機缸體進行精加工這一性能可以使其減少許多無效的生產時間，比如用于對偏移量的調節、更換刀具和通過鏜孔將刀具退出。這樣，就可以在進刀過程中加工，并擴大間隙一般在每一鏜孔的底部然后在退刀過程中進行加工。CNC數控機床的軟件可以根據主軸背面獲得的壓力讀數進行自動調節。為了達到很高精度，可采用氣壓表測量孔徑，并給閉環控制系統提供必要的反饋信息。

Makino公司制造了一種能夠在切削過程中使鑲刀片徑向內、外移動的另一類液壓鏜刀，可鏜削略呈橢圓形的孔徑，其直徑≥51mm。由于CNC數控機床的切削液壓力是可變的，其鑲刀片后面的葉片彈簧既可以使鑲刀片向外推動延伸，也可以在松弛后將它向內拉緊。其每側最大的移動距離為0.127mm。在發動機生產過程中，這一較小的移動量足以使孔徑成形，并糾正其圓柱度問題。

模塊式組合鏜刀

模塊式鏜刀即是將鏜刀分為：基礎柄(Basic Holder)、延長器(Extension)、減徑器(Reduction)、鏜桿、鏜頭(Boring Head)、刀片座(Insert Holder)、刀片(Insert)、倒角環等多個部分，然后根據具體的加工內容（粗鏜、精鏜；孔的直徑、深度、形狀；工件材料等）進行自由組合。這樣不但大大地減少了刀柄的數量，降低了成本，也可以迅速對應各種加工要求，并延長刀具整體的壽命。

模塊式鏜刀最先在歐洲市場，日本大昭和精機株式會社(BIG)與瑞士KAISER公司進行技術合作，BIG-KAISER模塊式鏜刀在日本市場，并逐漸取代了一體式鏜刀的地位。

現代鏜刀之所以能夠提供高精度和較大靈活性的另一因素是模塊式組合鏜刀的制造商也像其他的制造商那樣，已經投資了較好的生產加工工藝，以便充分發揮現代機床的加工能力。因此，模塊式組合鏜刀具有更高的精度。零件的組裝重復精度達到0.0127～0.0178mm是可以接受的。情況不再如此了。Ingersoll刀具公司的模塊式組合刀具一般的公差尺寸范圍為2～4mm。

Ingersoll公司的模塊式鏜刀可根據用戶的需要，直接將庫存的模塊元件組裝成鏜削系統。當然，這并不是意味著單件的實心鏜桿將很快在任一時間退出歷史舞臺。Ingersoll公司也投資了一條實心鏜桿生產線，使用導向塊作為它們的起點，他們可能會應用PCD鑲刀片加工有色金屬，或使用CBN鑲刀片加工鑄鐵。只需調節刀片的前、后角，就能夠使孔徑達到相應的精度要求。

這類鏜桿不需要隨同鉆孔就可以自動鏜孔。有時候，Ingersoll刀具公司根據所謂的可控刀桿來生產這類鏜桿，就可以對主軸和工件之間任何未經校準的地方進行補償，因此效果非常不錯。這些刀桿上裝有調節螺絲，可補償X軸和Y軸的傾斜角度，從而使操作人員可根據工件的相對位置來測量調節刀具。

這類刀具的其中一項用途就是鏜削加工汽車的閥座。生產一種特殊的刀具應用于一種可控的刀桿上，也許就能夠使客戶不必對氣缸體或氣缸蓋進行磨削加工，其經濟效益是十分可觀的。

聯軸機構提高鏜刀的穩定性

鏜削加工技術的另一新發展導致采用更好的刀具夾持方式。例如為了能夠在車床上進行鏜削加工，Sandvik Coromant公司開發了一種稱作EasyFix易于夾持的套筒，這種套筒簡化了刀具在中心線死點上的調節程序。當安裝較小直徑的鏜桿時，這一功能可以幫助用戶節約很多時間，因為較小直徑的鏜桿較難控制，一般應用于中心線偏差較小而危害極大的地方。

對于旋轉刀具的應用領域而言，Sandvik公司的工程師們將全部精力集中在刀具的穩定性方面。在過去，人們將刀具夾持在只有直柄和幾個螺絲的端銑刀夾座上。使用Allen螺絲的普通夾持機構和鏜刀夾座只能對直徑產生7%～10%的影響力。由于接觸量較少，因此不太穩定，容易產生振動，尤其切削速度普遍較高、而又處于長期懸掛的情況下更是如此。因此，許多刀具制造商重新又回到了制圖板前，開始開發可提高穩定性的聯軸機構。

在Sandvik公司，工程師們使用該公司的Coromant Capto聯軸機構，這種機構是以多邊形系統為基礎的，可以使鏜桿的接觸面沿著其聯軸機構的軸線部分均勻地分布在圓周上。夾座后的活動螺絲以大約35.6N的軸向拉力，將該機構的各零件一起拉向鎖緊錐體上。這樣，不但獲得了面對面的接觸，而且還保證了刀具四周的夾持力。聯軸夾持機構可使切削力分布在整個多邊形的周圍，每一聯軸機構的偏差為0.0051mm。

由于其接觸面大、軸向拉力高、光滑的淬火表面硬度達RC63，因此其所產生的穩定性和剛性使模塊式組合刀具比實心刀桿具有更好的優越性。各元件之間的連接點不但不會產生振動，而且還可以將鏜桿分成幾個部分，從而使其與更加合適、有利的頻率協調。采用這種概念的模塊式組合刀具，實際上其加工性能比實心鏜桿更加穩定。

盡管采用更加穩定的設計和更好的生產技術具有重要的意義，但不平衡性是該工藝所固有的缺點，在現今高主軸轉速的情況下已變成了一個尖銳的問題。加工鏜刀一般是一種在主軸上偏心安裝的刀具。刀具的移動方向垂直于旋轉軸，并由此而產生較大的不平衡性，從而對直徑進行修正。由于在過去幾年中，主軸的速度在不斷提高，因此要保持公差精度和較好的表面光潔度就越來越困難了。

提高鏜刀的平衡性

鑒于此，幾十年來，鏜刀制造商們在鏜刀頭上增加了平衡配重裝置。采用這種類型的第一代產品需要技術和時間。在調節直徑的同時，操作人員需要手工調節重量，技術人員需要在平衡機上測定刀具，調節配重裝置，直到刀具達到平衡為止。如果對刀具的調節需要盡可能擠出每一秒時間的話，采用這類方法所花的時間實在是太長了。

為此，像BIG Kaiser精密刀具公司那樣的刀具制造商們開發了可自動補償平衡的鏜刀頭，用戶在鏜削直徑時可使鏜刀起到平衡的作用。當鑲刀片移動時，配重裝置也在相反的方向上不斷地移動來補償平衡。因此，只需作一次調節。這種方法既可節約時間，又可降低產生誤差的機率。

Command公司還安裝了一種內置機構，在加工特殊的直徑時，可簡化其Urma MicroMax鏜刀頭的平衡程序。其設計特點是可以讓操作人員精確地平衡鏜刀頭，而不需要將它們放在平衡機上測量。這種方法可以比普通的刀具采用更高的鏜削速度。在平衡狀態下的鏜削加工，還能提高正圓度和表面光潔度。在某些情況下，當旋轉的速度高達20000r/min時，鏜刀頭就會充分發揮出這些優越性。

在穩定性方面的改善并不局限于鏜刀頭的創新。刀具制造商也在努力采取各種措施，以克服鏜刀的振動問題，例如在其內部安裝一些防振機構。安裝這些機構以后，可延伸其實際長度：使直徑縱橫的比例或懸臂長度達到直徑的15倍。在某些情況下，如果能夠正確地使用協調原理和鑲刀片幾何形狀，Sandvik Coromant公司還可使鏜桿的長度達到直徑的20倍。

雖然防振裝置會增加鏜桿的成本，但Sumitomo公司認為其新型防振X鏜桿將能改變這一技術的經濟性能。這種鋼制的鏜桿包括一個簡單的機械防振裝置，據報告稱該裝置可以很好地控制振動，從而可產生很高的表面光潔度，在6倍直徑的情況下，可延長刀具的使用壽命。

刀具系統具有更好的平衡性和更大的剛性，這一優點使它能夠配置應用一些鑲刀片技術，對于鏜削加工而言，意義重大。例如，Sandvik Coromant公司已經在其精加工鏜刀系列上增加了帶有清掃裝置的鑲刀片。因為在清掃裝置幾何形狀上的刃面較長，而且清掃裝置也加強了刀尖半徑，并使刀刃能保持較長的切屑。清掃裝置的幾何形狀不僅提高了進給速度，而且也提高了表面光潔度，實際上還省去了磨削工序。因為它們還允許采用很鋒利的刀刃，要在孔徑上保持0.5‰的公差是很不尋常的。

當然，在切削過程中的接觸面越大所產生的摩擦力就會越大。因此，Sandvik公司為其清掃器鑲刀片設計了特殊級別和特殊幾何形狀，從而使切削動作盡可能地自由，以限制熱量的產生，并承受所可能產生的額外熱量。Sandvik公司還推薦使用通過刀具的切削液，以幫助冷卻切削區域，使其保持很好的公差尺寸。

為了提高粗加工的生產率，Sandvik公司引進了三刃模塊式組合鏜桿CoroBore 820。該公司的工程師們為這一旋轉刀具開發了一種模塊式結構的導軌系統，代替普通的套筒式機構，以使其能夠固定安裝到雙刃鏜桿上的兩個孔穴中。額外增加的孔穴可比雙切削頭形式的裝置的生產率提高50%。

現代鏜刀較好的平衡性和穩定性，還具有另一重要的優點，這就是它們可以使用有先進材料制成的鑲刀片，例如CBN鑲刀片和帶有PCD刀尖或PCD刃面的鑲刀片。為了改善高轉速鏜刀的平衡有效性，Seco Carboloy公司曾經做過許多試驗，特別是對于像鋁材那樣的有色金屬。