導(dǎo)條刀具原理及實(shí)際應(yīng)用

■福建工程學(xué)院 （福建福州 350118） 葉陳新

1. 舍棄式導(dǎo)條刀具原理

傳統(tǒng)的鏜孔加工都是使用單刃鏜刀，單刃鏜刀鏜孔只能達(dá)到IT7級精度。在加工過程中，切削刃受到一定的徑向分力Fp的作用（見圖1），同時(shí)刀具的對向缺乏支撐，造成加工過程中刀具產(chǎn)生擾曲變形，加工后孔徑與刀具的實(shí)際直徑存在一定差異，差異大小又取決于擾曲大小，即變形量a，變形量a＝徑向分力大小+刀具長度+刀體直徑+刀體剛性，因此加工中常出現(xiàn)圓度、圓柱度及位置度超差等問題，就是俗稱的喇叭口、橢圓、大肚子及偏心等。實(shí)際應(yīng)用中多采用整體硬質(zhì)合金刀柄或刀柄內(nèi)設(shè)計(jì)阻尼防振機(jī)構(gòu)等方式來改善，但這些都只能盡量降低廢品率，無法實(shí)現(xiàn)真正的穩(wěn)定加工。

多刃鉸刀的加工能達(dá)到I T7級精度，其結(jié)構(gòu)是把切削刃的主后刀面磨成支撐刃帶，如圖2所示，切削刃在切削的同時(shí)起支撐作用，因此在切削過程中存在擠壓，影響表面粗糙度，無法實(shí)現(xiàn)高效加工。多個(gè)切削刃的擠壓切削，使加工易產(chǎn)生星形圓度，如圖3所示，造成刀具實(shí)際直徑與測量的孔徑產(chǎn)生差異，而且僅刀具前端的局部支撐，無法獲得良好的圓柱度，也無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的組合孔的高效加工。

特殊設(shè)計(jì)的導(dǎo)條式刀具可以很好地解決以上問題，加工后工件的孔徑公差可達(dá)H6，幾何公差如圓度、圓柱度可達(dá)2～3μm，表面粗糙度值Ra可達(dá)0.2～0.4μm。

可調(diào)式導(dǎo)條刀具的基本原理是為可調(diào)式刀片搭配至少兩根支撐導(dǎo)條，當(dāng)?shù)镀_始切削時(shí)即受到導(dǎo)條的支撐，抵消了刀具因切削力而產(chǎn)生的變形和振動，沒有變形和振動的加工就是穩(wěn)定的加工狀態(tài)。如圖4所示， 當(dāng)?shù)毒咔腥牍ぜr(shí)，徑向分力Fp即受到對向?qū)l的支撐力作用， 擾曲變形量a幾乎為0。

圖1 加工過程受力分析

圖2 多刃鉸刀

圖3 星形圓度

通過對刀具導(dǎo)條的數(shù)量、長度和位置的特殊設(shè)計(jì)，可以解決大長徑比深孔加工的圓度、圓柱度問題，還可以解決非完整孔加工斷續(xù)切削受力不均問題，也可以解決階梯孔或斷續(xù)孔加工的位置度問題，進(jìn)而達(dá)到高精度的加工要求。

可調(diào)式導(dǎo)條刀具的設(shè)計(jì)是將切削與支撐完全分開，切削刃完全用于切削，不再承擔(dān)支撐作用，支撐完全由導(dǎo)條來承擔(dān)。切削刃后角沒有支撐韌帶，刃口很鋒利，其切削刃的刃緣半徑＜3μm，切削抗力達(dá)到最小，切削時(shí)可以達(dá)到很高的線速度和進(jìn)給速度，且加工后孔表面無擠壓現(xiàn)象，不會產(chǎn)生黑斑、材料微量堆積等現(xiàn)象，可獲得很好的加工表面質(zhì)量。導(dǎo)條在加工中起支撐作用的同時(shí)，也對已切削表面起到再次微量滾光研磨的作用，進(jìn)一步提高加工表面質(zhì)量。所以可調(diào)式導(dǎo)條刀具在高速高效加工的同時(shí)又能獲得非常好的加工精度和表面質(zhì)量。

可調(diào)式導(dǎo)條刀具與設(shè)備主軸的聯(lián)接采用可調(diào)整的法蘭聯(lián)接，如圖5所示導(dǎo)條刀具與HSK刀柄的聯(lián)接，其他形式的主軸聯(lián)接方式也可以設(shè)計(jì)成調(diào)整法蘭的形式。聯(lián)接法蘭軸向上有4個(gè)鎖緊螺釘，其作用是調(diào)整刀具的偏擺，刀柄徑向上也設(shè)計(jì)4個(gè)調(diào)整螺釘，可以調(diào)整刀具的跳動，調(diào)整后刀具在主軸上的跳動和偏擺都必須≤2μm，以保證加工精度。

圖4 刀具切入工件

2. 導(dǎo)條刀具的應(yīng)用

現(xiàn)有鋁合金ADC12的摩托車發(fā)動機(jī)箱體上長徑比達(dá)到37的斷續(xù)孔φ7.9+0.105+0.09mm需要加工，如圖6所示。這樣的加工案例，通常優(yōu)先考慮采用如圖7～圖10所示的可調(diào)式導(dǎo)條刀具的工藝方案。

工序1：用φ7.6mm整體硬質(zhì)合金鉆頭鉆導(dǎo)引孔φ7.6mm（見圖7）。

工序2：用φ7.6mm整體硬質(zhì)合金鉆頭粗鉆孔至φ7.9mm（見圖8）。

工序3：可調(diào)式導(dǎo)條刀具精鏜導(dǎo)引孔φ7.9+0.105+0.09mm（見圖9）。

工序4：可調(diào)式導(dǎo)條刀具精鏜孔φ 7.9+0.105+0.09m m 到要求（見圖10）。

該加工方案需有如下外部加工條件配合：①使用乳化液的礦物油含量必須達(dá)到55%以上，以保證導(dǎo)條與加工孔徑表面的潤滑性。②乳化液的配比濃度需達(dá)到11%以上，導(dǎo)條的材料若是PCD刀具，切削液濃度可以略減。③切削液壓力需達(dá)到1～3MPa，視不同加工直徑而不同，以達(dá)到排屑目的。④設(shè)備的過濾精度需達(dá)到20～50μ m，視不同被加工材料而不同，如鋁合金要求20μ m的過濾精度，過濾精度過大，切屑將加快PCD切削刃的磨損并容易劃傷導(dǎo)條和已加工表面，影響加工表面質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)過大的切屑顆粒在導(dǎo)條和工件加工表面之間擠壓，可能造成卡刀，損壞刀具和工件。⑤切削液的pH值需達(dá)到 8.3～9.2。

具備以上外部加工條件就能達(dá)到穩(wěn)定的加工狀態(tài)，該方案的優(yōu)點(diǎn)有：①無論臥式設(shè)備還是立式設(shè)備均適用。②舍棄式刀片磨損后只需更換刀片，刀柄可重復(fù)使用。③因刀片可精密微調(diào)，首件即可獲得合格品。

圖5 導(dǎo)條刀具與HSK刀柄聯(lián)結(jié)

3. 導(dǎo)條刀具的獨(dú)特設(shè)計(jì)

迫于市場競爭壓力，廠家需要以最低的成本和最高效的方案解決加工瓶頸。如圖11、圖12所示，這把已在實(shí)際使用中的整體硬質(zhì)合金焊接PCD導(dǎo)條刀具，借鑒和吸收了上述可調(diào)式導(dǎo)條刀具的原理并且把上述方案中粗精加工的4把刀的工序集合在了一把刀上， 達(dá)到上述4把刀才能完成的加工要求。其利用導(dǎo)條刀具的原理融合實(shí)際加工狀況形成的獨(dú)特設(shè)計(jì)分析如下。

圖6 斷續(xù)孔結(jié)構(gòu)

圖7 工序1

圖8 工序2

圖9 工序3

圖10 工序4

圖11 PCD導(dǎo)條刀具結(jié)構(gòu)

圖12 PCD導(dǎo)條刀具

（1）支撐導(dǎo)條 這把刀具應(yīng)用導(dǎo)條刀具的導(dǎo)條支撐原理，在兩個(gè)切削刃的后部偏置75°的方向磨削出兩個(gè)相對的支撐導(dǎo)條，支撐導(dǎo)條除在加工中起支撐的作用外，還能在加工的同時(shí)研磨滾光加工面，再次提高工件的表面質(zhì)量。

背椎BECK TAPER是指軸向上導(dǎo)條最高點(diǎn)與導(dǎo)條后端低點(diǎn)高度差的比例。一般可調(diào)式導(dǎo)條刀具的導(dǎo)條BECK TAPER為 2∶10000。這把整體硬質(zhì)合金刀具導(dǎo)條的BECK TAPER為0.3∶10 000， 設(shè)計(jì)得比可調(diào)式導(dǎo)條刀具小很多，主要是因?yàn)榈毒咝枰庸さ目讖奖忍螅胰渴欠沁B續(xù)孔，孔與孔之間的距離很大，要保證這樣多段孔的同心度和圓柱度，需要在加工完前一個(gè)孔的同時(shí)，依靠這個(gè)孔定位并支撐刀具，再加工下一個(gè)孔，所以更好的支撐穩(wěn)定性要求這把刀具的BECK TAPER比可調(diào)式導(dǎo)條刀具的值小很多。導(dǎo)條的寬度為0.8～1.0mm， 如圖13所示。

（2）切削刃 由于細(xì)長孔加工最重要的是要考慮刀具的排屑性能，在需要保留足夠排屑空間的情況下，這把整體硬質(zhì)合金導(dǎo)條刀具不能像可調(diào)式導(dǎo)條刀具那樣可以設(shè)計(jì)足夠的導(dǎo)條支撐來保證加工的穩(wěn)定性，也不能像鉸刀那樣把切削刃后刀面磨成支撐刃帶，保證了支撐穩(wěn)定性而無法實(shí)現(xiàn)高速加工。要實(shí)現(xiàn)高速又穩(wěn)定的加工，既需要提高切削刃的鋒利性，把切削抗力降到最低，又要保證加工過程的穩(wěn)定性。所以切削刃必須像可調(diào)式導(dǎo)條刀具一樣的鋒利，以確保切削抗力最小。同時(shí)因?yàn)殂q刀要具備的支撐穩(wěn)定性，所以在副切削刃刃口與后角之間磨出一個(gè)5°后角，如圖14、圖15所示，其寬度為0.8～1.0mm， 稱之為第一后角 。正是由于有了第一后角，在起始切削時(shí)形成一個(gè)額外的穩(wěn)定支撐引導(dǎo)，進(jìn)而減少振動，在切入工件后又形成輔助支撐與導(dǎo)條共同作用，保持切削過程的穩(wěn)定，尤其在刀具細(xì)長比大及高速切削時(shí)，效果尤為顯著。不僅使加工出的工件孔徑尺寸變小，而且改善了工件表面的粗糙度，在起始切削時(shí)對切削刃的磨耗降低，進(jìn)而也大幅延長了切削刃的壽命，如圖16所示。

整體硬質(zhì)合金導(dǎo)條刀具切削刃的BECK TAPER和自身導(dǎo)條的BECK TAPER一樣為0.3∶10 000，在設(shè)計(jì)上比可調(diào)式導(dǎo)條刀具切削刃的BECK TAPER小很多，可調(diào)式導(dǎo)條刀具的刀片因單純切削的原因，BECK TAPER可以是10∶10 000或更大。

可調(diào)式導(dǎo)條刀具如圖1 7 所示，切削刃徑向尺寸的最高點(diǎn)與導(dǎo)條徑向尺寸最高點(diǎn)的高度差叫Overhang（刀尖徑向提前量）。

圖13 導(dǎo)條寬度

圖14 第一后角的幾何尺寸

圖15 磨后角

圖16 起始磨耗降低顯著提高刀具壽命

圖17 可調(diào)式導(dǎo)條刀具

可調(diào)式導(dǎo)條刀具的Overhang依加工工件的材質(zhì)不同，通常在5～12μm之間，如加工鋁合金材料的Overhang為5～8μm。這把整體硬質(zhì)合金導(dǎo)條刀具由于如前所述的導(dǎo)條支撐設(shè)計(jì)的局限性，為了獲得更好的支撐穩(wěn)定性，Overhang值為3～5μm。

同理，要實(shí)現(xiàn)正常切削，必須保證切削時(shí)切削刃優(yōu)于導(dǎo)條切入工件，所以軸向上刀尖位置（切削刃徑向最高點(diǎn)）與導(dǎo)條最高點(diǎn)也要有高度差（導(dǎo)條都設(shè)計(jì)有保護(hù)錐，需從導(dǎo)條非保護(hù)錐處的軸向最高點(diǎn)計(jì)算起），這個(gè)高度差叫ADVANCE（刀尖軸向提前量）。如圖18所示，這把刀具的ADVANCE是由主鉆削刃的后角10°產(chǎn)生的高度差，并以此保證刀具正常切削。

（3）刀具結(jié)構(gòu) 加工鋁合金材料，考慮斷屑、排屑性及切削速度及表面粗糙度等因素，刀體采用直槽形式。刀具設(shè)計(jì)為粗精結(jié)合一道工序完成，前段為整體硬質(zhì)合金鉆頭，先粗鉆孔D7.7mm，后端設(shè)計(jì)為焊接式PCD的結(jié)構(gòu)，利用PCD耐磨損、高進(jìn)給及高表面粗糙度的特點(diǎn)完成內(nèi)徑的精加工。留給后部的PCD精鏜單邊余量為0.1mm。精加工的加工余量太大，影響孔加工表面的粗糙度，尺寸公差及幾何公差。如圖19所示，刀具在粗鉆孔和精加工位置的聯(lián)接處須有斷屑槽的設(shè)計(jì)，利于斷屑和排屑。鉆尖設(shè)計(jì)為自定心鉆頭形式，硬質(zhì)合金鉆尖夾角為120°，焊接PCD主切削刃的夾角為90°。如圖20所示，鉆芯厚度為0.8mm，切削刃前置中心線0.04mm， 切削刃與導(dǎo)條之間的容屑槽角度105°，主鉆削刃第一后角6°，第一后刀面寬度為0.5mm，第二后角為10°。以上這些設(shè)計(jì)都是為能達(dá)到穩(wěn)定加工。

圖18 ADVANCE尺寸示意

圖19 斷屑槽設(shè)計(jì)

（4）刀具材料的選擇 硬質(zhì)合金根據(jù)不同的用途采用不同粒度的WC（碳化鎢），當(dāng)強(qiáng)調(diào)其耐磨性、抗壓和表面粗糙度時(shí)采用超細(xì)顆粒WC做原料，且鈷和鎳的含量越高韌性越好。本刀具即選用超細(xì)微粒碳化鎢的材質(zhì)，磨削后刃口表面質(zhì)量好，機(jī)體韌性好。

（5）實(shí)際加工 ①加工設(shè)備：BT40主軸立式CNC 機(jī)床。這里必須采用立式加工方式，因?yàn)槌L徑比的鉆頭因重力的作用在臥式機(jī)臺主軸上會產(chǎn)生彎曲變形，無法達(dá)到加工要求。②加工條件：切削液壓力1.5M P a，切削液濃度8%，刀具配備BT40液壓刀柄以保證刀具的回轉(zhuǎn)精度，可調(diào)式導(dǎo)條刀具使用如前所述的特殊設(shè)計(jì)法蘭調(diào)整方式把刀具回轉(zhuǎn)精度控制在2μm內(nèi)。③加工參數(shù)：主軸轉(zhuǎn)速n=6 000r/min，線速度vc=148.8m/min，進(jìn)給速度vf=3 000mm/min。④加工結(jié)果：孔徑尺寸D7.998m m，幾何公差，圓度3μm，圓柱度3μm，最大表面粗糙度值Ra＝0.4μm。

4. 性價(jià)比分析

圖20 鉆孔設(shè)計(jì)

（1）刀具價(jià)格 這把整體硬質(zhì)合金焊接PCD導(dǎo)條刀具的單價(jià)約為 2 800元/把，刀具壽命可達(dá)5萬個(gè)工件，刀具可重復(fù)修磨5～7次。若核算為單件成本僅為0.06元左右?？烧{(diào)式導(dǎo)條刀具還需要用到專用對刀儀，首筆投入就需要15～20萬元。每片非標(biāo)PCD刀片的價(jià)格約為1 000元/片，舍棄式刀片不可重磨，刀片的刃數(shù)至多為2刃，顯而易見，兩者成本的差距非常大。整體硬質(zhì)合金導(dǎo)條刀具對外部條件的配合要求也沒有可調(diào)式導(dǎo)條刀具這么高，長期使用也可以節(jié)省一大筆成本。

（2）加工效率 首先，可調(diào)式導(dǎo)條刀具方案因?yàn)橛?道工序需要加工，而焊接PCD導(dǎo)條刀具只有一道工序即完成，算上換刀及空行程的時(shí)間，兩種方式的效率高低差別很明顯。其次，可調(diào)式導(dǎo)條刀具推薦的加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速3 000～4 000r/min，進(jìn)給速度400～500mm/min。而焊接PCD整體硬質(zhì)合金導(dǎo)條刀具的加工參數(shù)為：轉(zhuǎn)速可達(dá)6 000r/min，進(jìn)給速度1 800mm/min，在效率優(yōu)先的當(dāng)下，焊接PCD整體硬質(zhì)合金導(dǎo)條刀具顯然比可調(diào)式導(dǎo)條刀具優(yōu)勝很多。

5. 結(jié)語

運(yùn)用導(dǎo)條刀具可以很好地解決長徑比大的孔加工難題，而且降低了加工成本，提高了生產(chǎn)效率。