淺析車床類通用刀具的應(yīng)用系統(tǒng)工程與可調(diào)刀具技術(shù)與工具系統(tǒng)的發(fā)展動向

甘肅火電工程公司 范亞炯，甘肅蘭州通用機械廠 丁亦

我國已成為世界加工廠，但并未完全摒棄加工模式的外延發(fā)展之路。機加工行業(yè)資源利用強度仍不高，不同程度地存在人力、物力資源浪費嚴重的現(xiàn)象。刀具改革的呼聲與日具高，所以應(yīng)面對我國通用刀具的使用現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析、研究其存在的應(yīng)用工程上的系列問題與便于實際運用的可調(diào)刀具技術(shù)與工具系統(tǒng)的發(fā)展動向，才能有效指導(dǎo)我國機加工復(fù)雜局面良好運作。

1.當(dāng)前通用刀具的使用與市場狀況

1.1.使用狀況與問題

我國機加工行業(yè)的大多數(shù)中小企業(yè)，仍廣泛使用的車床類通用刀具，包括焊接刀具（統(tǒng)計資料表明約占總數(shù)的三分之二強）、機夾刀具都是不可調(diào)刀具。而適用于大批量生產(chǎn)的通用、標準化的可轉(zhuǎn)位不重磨刀具，甚至數(shù)控車床、加工中心使用的刀具，除所采用的可轉(zhuǎn)位刀具結(jié)構(gòu)的比率和刀體制造精度、強度較高外與普通車床所使用的刀具區(qū)別不大。由于刀具結(jié)構(gòu)尚是上個世紀傳統(tǒng)刀具的老標準，刀頭和刀柄的結(jié)構(gòu)與技術(shù)未有效集成、使用性能單一，不符合現(xiàn)代生產(chǎn)快節(jié)奏的需要。機加工行業(yè)對刀具可調(diào)、可調(diào)換與可重磨的集約化需求十分迫切，但加工條件復(fù)雜、品種變化多樣、工序集中并盡量復(fù)合化的刀具應(yīng)用工程的系列問題得不到具體的技術(shù)指導(dǎo)、廠家的相關(guān)服務(wù)工作基本脫節(jié)或不到位。

1.2.可調(diào)刀具的技術(shù)內(nèi)涵

所謂刀具幾何參數(shù)可調(diào)、刀片可調(diào)換與可重磨的集約化需求，實際是刀頭、刀桿及其接口功能與刀頭原配件和刀片接口技術(shù)的有效集成，能滿足刀具切削部分在三維坐標系內(nèi)作有限延續(xù)與變化，能滿足高效可靠切削的具體要求，因而不僅要求刀片與刀槽結(jié)合強度高，而且要求刀片有能隨刀頭繞其刀桿中心線作有限往返運動的可靠功能。因為調(diào)整刀刃主偏角且κ γ＜90°時，刀片上下夾持面可能發(fā)生橫向傾斜；在刀片調(diào)換與重磨后，刀片夾持后刀面斜角也可能變化，所以又要求刀片壓板有可靠的能雙向同時夾緊的隨機性能，因而要求與其尾部接觸的擋板前端結(jié)合面有相關(guān)的配合功能；同時要求刀片刃口在背吃刀矢量方向和主運動方向有一定的往返功能，即能調(diào)換、調(diào)整因內(nèi)接圓直徑、厚度變化，在一定范圍內(nèi)，刃口幾何參數(shù)相近的可轉(zhuǎn)位刀片的需要；由于刀片需根據(jù)切削合力與主切削力的夾角（19°－65°）1的規(guī)律伸出刀臺一定尺寸，與刀墊、刀臺共同形成可調(diào)整主偏角的變截面組合梁，所以能滿足調(diào)整前、后角操作的可操作性與調(diào)整主偏角后的強度要求，同時刀臺下底周邊曲線也要和調(diào)整與重磨的簡便性相適應(yīng)，以致左右切削是不發(fā)生干涉?？傊?，反映刀具硬件技術(shù)的刀頭與刀桿結(jié)構(gòu)要突破不可調(diào)刀具范疇，有所創(chuàng)新并集成服務(wù)于刀片幾何參數(shù)可調(diào)并調(diào)換的軟功能，符合現(xiàn)代刀具 “三高一?！钡男枰?。

實踐證明：車床類刀具刀頭與刀桿一體不利切削部分刃口前后、角的調(diào)整，技術(shù)含量較低，刀頭尾部與夾持部分離，并借鑒Coromant Capto及HSK等工具系統(tǒng)的先進技術(shù)，刀頭尾部前段為短圓錐套，后端為與其固連的圓柱套。前端短圓錐套可被固聯(lián)的后端圓柱套尾部螺紋上的細牙扣緊螺帽拉緊，則使刀頭后側(cè)面與方形夾持套前端面緊密配合，并使其前端與圓錐孔與后端與圓柱孔以小過盈配合，既起到良好的雙向定位作用，又使配合強度與可靠性進一步加強。且在車床刀架加持力與切削合力的作用下，在彈性極限內(nèi)可形成一定的光滑非圓表面接觸的結(jié)合形式（型面結(jié)合），以保證刀頭有繞刀桿中心線有限往返旋轉(zhuǎn)，且在加持受力后有較高穩(wěn)定性、可靠性和切削的高精度。只要刀頭與刀桿可調(diào)技術(shù)接口合理、刀具刃口前角ro、后角αo、主偏角κ r的初始角度和調(diào)整幅度選取得當(dāng)，后刀面的不重磨或適量重磨不僅能提高和擴大刀具的工藝加工性能和效益，也能減少因主偏角κ r和法后角αn而不同的可轉(zhuǎn)位刀具的類型和刀片的品種，能為刀具的有效運用與提高效率提供廣闊的前景1＂。因而，刀具可調(diào)、可調(diào)換與可重磨的集約化問題實際指由刀柄、夾頭和切削部分所組成的，整合一定加工條件并優(yōu)化的工具體系（包括同類與不同類刀片、定位銷、壓板、調(diào)整、夾持元件及相應(yīng)的刀桿與加持套等構(gòu)件）。如圖所示：

這里不僅要求刀具系統(tǒng)能在高速下進行切削加工，滿足包括系統(tǒng)定位、夾持精度及刀具重復(fù)定位精度在內(nèi)的較高的系統(tǒng)精度及剛度條件，還要求切削部分相近幾何參數(shù)的可調(diào)與刀片可轉(zhuǎn)位與可重磨的操作簡便與可靠性。因而，絕不是刀具切削部分“一刃四角”的調(diào)整所能解決的簡單問題。但問題的研究與解決大部中小企業(yè)從財力與人力資源上都力不從心，可能也是事實。

1.3.不可調(diào)刀具技術(shù)結(jié)構(gòu)的不足與轉(zhuǎn)位功能的欠缺

由于不可調(diào)刀具是切削部分與刀頭固連，刀頭與刀桿固連的結(jié)構(gòu)，致使其切削幾何參數(shù)系統(tǒng)龐大、經(jīng)驗性強，系統(tǒng)集成并實現(xiàn)不同工藝系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享的難度較大，從而使提高加工柔性與效益只有重磨技藝的趨向，但導(dǎo)致大部分中小機加工企業(yè)對焊接刀具系統(tǒng)幾何參數(shù)的選擇普遍優(yōu)化水平不高、浪費嚴重與環(huán)境污染的嚴重問題，以及可轉(zhuǎn)位刀具適應(yīng)性較差的局面?？赊D(zhuǎn)位刀片及其刀具結(jié)構(gòu)與使用技術(shù)充其量是在大批量生產(chǎn)條件下的，刃口幾何參數(shù)重復(fù)與刀片的調(diào)換技術(shù)、不能滿足大多數(shù)中小企業(yè)多品種、小批量生產(chǎn)可調(diào)的集約化性能，其根本原因也在于其結(jié)構(gòu)不能與刀片可調(diào)、可轉(zhuǎn)位與重磨功能的相匹配。

據(jù)調(diào)查：現(xiàn)部分中型機加工企業(yè)擁有的各類機床可上百臺，但群鉆的運用較少、銀白屑重切削不多，重磨刀具刃口參數(shù)大多為平刃、刃口不到棱、刀尖無過渡刃的現(xiàn)象較普遍。數(shù)控機床和加工中心上的高檔刀具主要依賴進口產(chǎn)品，但高速切削用量與工藝的復(fù)合化程度卻不高，所使用的焊接刀具也占1／3左右。對于提高進給速度并采用修光刃進行的大進給加工 “Wiper”技術(shù)（即用一個短的直線或短的大半徑圓弧來聯(lián)結(jié)刀尖圓角和副切削刃，從而降低已加工表面的粗糙度的技術(shù)）不熟悉甚至不知曉等，都說明了通用不可調(diào)刀具加工技術(shù)結(jié)構(gòu)的不足以及可轉(zhuǎn)位刀具功能欠缺的系統(tǒng)缺陷。

2.可調(diào)式刀具技術(shù)與工具系統(tǒng)問題

將上述車床類通用刀具的應(yīng)用系統(tǒng)工程問題提到議事日程，并結(jié)合現(xiàn)代切削刀具的各種先進技術(shù)，開發(fā)先進的可調(diào)式刀具技術(shù)與工具系統(tǒng)不失為一種加快刀具科學(xué)發(fā)展的模式。 在一些大型機械廠，先進的能用于各種機械加工的Coromant Capto及HSK工具系統(tǒng)在精加工部門不見運用，似乎說明加工中心的刀具選配僅以滿足加工點的需求為目的，不考慮刀具的實用性即可調(diào)性和可代用性，系統(tǒng)性不強、適應(yīng)性不高再先進的刀具也難以普遍推廣。

2.1.刀具系統(tǒng)參數(shù)及系統(tǒng)剛度的調(diào)整優(yōu)化的必要性

2.1.1.刀具系統(tǒng)幾何參數(shù)與系統(tǒng)剛度的調(diào)整及單一工藝性能的局限

我國先進的機加工企業(yè)，通過進一步提高切削參數(shù)來提高生產(chǎn)率的潛力可能已十分有限，應(yīng)重視進一步提高優(yōu)化動態(tài)刀具幾何參數(shù)，盡可能提高減少輔助工時的工藝措施與辦法的科技含量。因而，為提高加工工件表面光潔度、減緩刀具磨損、并提高刀具使用壽命、選擇適宜的切削力，刀具參數(shù)及系統(tǒng)剛度的調(diào)整優(yōu)化還是很有必要。因而，大批量流水線上的專用刀具也應(yīng)突破傳統(tǒng)刀具單一工藝性能的局限，把多道工步組合到一道工序里，并結(jié)合專用機床開發(fā)新的加工方法，提高加工效率和精度，才能起到集約化經(jīng)營的效應(yīng)，所以用較少種類的刀具，滿足較多種類工件的加工要求，建立包括刀頭、刀夾、刀桿和刀座等先進技術(shù)單元在內(nèi)的工具系統(tǒng)應(yīng)是數(shù)控加工的行之有效的措施之一和市場的迫切需求，在這方面 “車床類可調(diào)式刀具簡式工具系統(tǒng)”（發(fā)明專利：申請?zhí)?2008100175710）的應(yīng)用，初步給我們提供了有效的范例。

2.1.2.工具新材料的進一步研發(fā)與重切削

重切削、斷續(xù)切削、大進給切削的 “三高一?！保ǜ呔取⒏咝?、高可靠性與專用化 ）問題急需進一步完善解決，但不應(yīng)單一追求工具新材料的進一步研發(fā)和生產(chǎn)。例如：重型車削加工與普通加工相比，切削深度大、切削速度低、進給速度慢。加之切削過程中工件平衡差，加工余量分布不均勻，機床某些部件不平衡等因素引起的振動，使調(diào)整加工動態(tài)不平衡的過程要消耗較多的機動和輔助工時。因而，要提高生產(chǎn)率或機器設(shè)備的利用率，就應(yīng)從增大切削層厚度和進刀量入手，重點考慮切削用量和刀具的選擇，改善刀具結(jié)構(gòu)和幾何形狀，并將刀具材質(zhì)的強度特點（選用YW類刀具或細晶粒、超細晶粒合金刀具如643等。）考慮進去，才能取得提高切削用量，顯著降低機動時間的效應(yīng)。

由于對刀具的剛性要求較高，結(jié)構(gòu)笨重，裝卸困難的整體刀具，被拆卸靈活，動剛度滿足加工的機夾可調(diào)刀具替代就在所必然。所以，根據(jù)重切削的內(nèi)在規(guī)律，將相關(guān)的不可調(diào)刀具體系進行分解，并將其結(jié)構(gòu)單元，通過對應(yīng)的接口實現(xiàn)相近幾何參數(shù)可調(diào)功能的并聯(lián)，進行綠色切削與干式切削才是提高現(xiàn)代刀具重切削技術(shù)含量與操作性能的一條有效途徑。過度重視可轉(zhuǎn)位刀具技術(shù)適合大批量單一化生產(chǎn)的先進性，不挖掘現(xiàn)有刀具材料的潛力與刀具性能的綜合性，只能導(dǎo)致資源消耗高、環(huán)境壓力大的嚴重后果。因而，“可調(diào)式銀白屑重切削刀具”的節(jié)約資源與環(huán)境友好的屬性值得深入研究與推廣。

對重切削問題，應(yīng)設(shè)計與制訂 “切削圖形”的靈活性與多樣性、刀具幾何角度的合理性與可調(diào)性與系統(tǒng)剛度的可靠性，以保證刃口相近幾何參數(shù)隨加工條件進行調(diào)整，并充分體現(xiàn)切削過程的內(nèi)在規(guī)律，使單一切削區(qū)功能的提高（如切削效率、精度、刀具壽命），擴大到整個自動化生產(chǎn)過程的效率提高，是一個不能不面對的問題。所遇到的第一個問題也是在刀具幾何參數(shù)相近的范圍內(nèi)，開發(fā)先進可調(diào)刀具便于實際運用的工具系統(tǒng)，可能是適應(yīng)重切削集約化需求的一條有效途徑。

3.可調(diào)刀具技術(shù)的服務(wù)問題

“刀具幾何參數(shù)可調(diào)不重磨歸類分析”一文，根據(jù)車床類可調(diào)刀具的特點，對其切削同類與不同類材料的幾何參數(shù)進行了系統(tǒng)的歸類分析，并對可調(diào)路徑給出了簡捷優(yōu)化的說明，證實了實現(xiàn)不同工藝過程之間的切削數(shù)據(jù)共享是可能和必要的，因而，結(jié)合具體的加工條件與工藝標準，對刀具的轉(zhuǎn)位、不重磨、調(diào)換、可調(diào)性能一體化與隨機組合并提供解決方案的服務(wù)效率就高、由于能為用戶開發(fā)新刀具、新工藝作全面服務(wù)，所以也是這種工具系統(tǒng)的的利潤空間和技術(shù)優(yōu)勢。

4.結(jié)論

中國工具行業(yè)的整體綜合實力與發(fā)達國家相比差距大是事實，但國情不同、狀況不同也是事實。以國外工業(yè)發(fā)達國家發(fā)展工具行業(yè)的模式，發(fā)展我國的工具行業(yè)肯定不適應(yīng)。所以，車床類刀具必尋求新的發(fā)展發(fā)展途徑，結(jié)合能用于各種機械加工的Coromant Capto及HSK等工具系統(tǒng)的先進技術(shù)，面向我國制造業(yè)的主要工業(yè)部門，也面向機加工行業(yè)的大量中小企業(yè)，加大對刀具應(yīng)用系統(tǒng)工程系列問題的的研究，開發(fā)可調(diào)式通用刀具與工具系統(tǒng)技術(shù)，將是走集約化、綠色化的科學(xué)發(fā)展之路，提高刀具技術(shù)、加工技藝科技含量與效益，并符合市場需求的有效選擇。