淺析鏜孔刀具的技術(shù)改進

通常鏜削加工被認為是適合在各種不同尺寸和形狀工件上加工精密孔的理想加工方式。為了適應(yīng)不斷提高生產(chǎn)率的需要，鏜孔刀具的設(shè)計也在不斷創(chuàng)新改進。近年來，鏜孔刀具的技術(shù)改進主要體現(xiàn)在以下四個方面。

　　(1)采用數(shù)顯讀數(shù)屏的精密鏜頭

　　自數(shù)控(NC)技術(shù)問世以來，數(shù)字顯示技術(shù)已在CNC機床和坐標測量機上大量應(yīng)用。此外，數(shù)顯千分尺、數(shù)顯卡尺等數(shù)顯量具也已得到廣泛使用。但是，數(shù)顯技術(shù)在精密鏜刀上的應(yīng)用卻一直進展緩慢，其制約因素主要是鏜孔加工中使用的冷卻液和鏜頭的高速旋轉(zhuǎn)。

　　過去，在加工中心上進行鏜孔加工時必須非常小心，盡量避免四處飛濺的冷卻液進入鏜頭數(shù)顯裝置的電子元件中。如今，采用內(nèi)冷卻設(shè)計的新型鏜刀已能較好解決這一問題。由于冷卻液可通過刀具內(nèi)部的通道直接到達切削部位，從而實現(xiàn)了冷卻液與鏜頭數(shù)顯裝置的完全隔離。此外，新型數(shù)控鏜刀的外部進行了良好密封，可有效防止冷卻液與數(shù)顯裝置中的電子元件接觸。

　　在高速鏜削加工中，鏜頭的高速旋轉(zhuǎn)、離心力以及鏜頭本身的不平衡都可能引起較大振動，從而損壞靈敏的數(shù)顯裝置。新型鏜頭通過采用一種內(nèi)置平衡機構(gòu)，可以在高速鏜削時減小或消除有害的振動。目前，帶數(shù)顯讀數(shù)屏的精密鏜頭已能夠用于轉(zhuǎn)速達16000r/min的高速鏜削加工。新型鏜頭的數(shù)字顯示屏可直接顯示出鏜刀滑塊的位移量，而不必通過調(diào)刀螺桿的轉(zhuǎn)動量來確定位移量。由于鏜桿直接安裝在鏜刀滑塊上，因此鏜頭的數(shù)顯讀數(shù)值可以真實反映出鏜刀的位移量，而不會受到螺桿空程誤差的影響。數(shù)顯鏜頭的這一特點使其可以更快速、更精密地調(diào)整鏜孔直徑，并可實現(xiàn)對加工偏差或刀具磨損的誤差補償。

　　大多數(shù)鏜刀都需要通過試切-測量(cut-and-measure)操作來確定其設(shè)定尺寸，即首先對一小部分被加工孔進行試切鏜削，然后測量其加工孔徑。通常，這就意味著需要將鏜刀從機床上卸下來，再安裝到一臺對刀儀上對鏜刀尺寸進行微調(diào)修正，以獲得正確的孔徑尺寸。這種預(yù)調(diào)操作之所以必要，是因為直接在機床上對普通鏜頭的游標刻度盤進行讀數(shù)和預(yù)調(diào)相當困難，但是，這種操作方式可能造成鏜孔尺寸超差或損壞工件。

　　由于在機床上安裝鏜刀時難以預(yù)測其刀尖偏差，因此需要采用試切-測量操作來預(yù)調(diào)刀具。如果采用易于讀數(shù)的新型數(shù)顯鏜刀，則可能實現(xiàn)直接在機床主軸上對刀具鏜孔直徑進行微調(diào)，其尺寸調(diào)整范圍可達0.0001″(0.00254mm)。即使因為機床主軸的進刀限制，必須將鏜刀從機床上卸下來進行孔徑尺寸調(diào)整，新型數(shù)顯鏜刀的調(diào)刀過程也更快速、更精確。

　　(2)采用鋁結(jié)構(gòu)的鏜刀體

　　鋁的重量較輕，是制造刀體的常用材料。隨著當今CNC機床的加工速度越來越高，許多機床的重量也越來越輕，減輕刀具的重量就顯得至關(guān)重要。

　　大部分數(shù)控機床的換刀機械手對刀具的重量都有一定限制。采用鋁結(jié)構(gòu)的鏜刀既可確保刀具重量不超過換刀機械手的限重標準，同時又能加工直徑尺寸大于4″(約100mm)的孔(一般來說，加工孔徑小于4″的鏜刀，無論采用鋁結(jié)構(gòu)還是鋼結(jié)構(gòu)，其重量均不會超過換刀機械手的限重標準).鏜刀重量的減輕可以減小機床主軸的誤差，從而提高鏜孔精度。此外，鏜刀的重量越輕，機床主軸本身的磨損和破壞也越小。

　　在數(shù)控機床上裝卸大型、重型鏜刀時，由于鋼結(jié)構(gòu)鏜刀的重量往往超過了機床換刀機械手的限重標準，因此不得不采用手工裝卸或利用高架起重臂進行吊裝，既費時又費力。如果采用重量較輕的鋁結(jié)構(gòu)鏜刀，這一問題則可迎刃而解。例如，美國堪薩斯州一家工廠原來所用的加工孔徑14″(355.6mm)的鋼結(jié)構(gòu)鏜刀重約40磅，需要使用起重臂才能安裝到機床上，換用了一把同樣規(guī)格的鋁結(jié)構(gòu)鏜刀后，其重量還不到25磅，可利用換刀機械手自動裝刀，從而大大提高了生產(chǎn)率。

　　鋁結(jié)構(gòu)鏜刀在高速切削時的平衡性能上也更具優(yōu)勢。由于鋁結(jié)構(gòu)鏜刀的非對稱質(zhì)量比傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)鏜刀小得多，因此在用相同的制造工藝進行加工時，可以大大減少或消除刀具不平衡帶來的問題。

　　鋁結(jié)構(gòu)鏜刀的耐用性是人們始終關(guān)注的一個問題。不過，通過在刀具表面涂覆氧化鋁硬涂層，這一問題可以得到圓滿解決。采用一種特殊的酸性電解液氧化(acid-electrolyte oxidation)涂層工藝，可以將刀具表面的鋁轉(zhuǎn)化為氧化鋁，氧化層深度可達0.008″(約0.02mm)，其表面硬度可達56HRC。

　　鋁結(jié)構(gòu)鏜刀的表面硬涂層可以有效防止因切屑磨擦和腐蝕對刀具的損害。由于精鏜加工的切屑一般較為細碎，對刀體的撞擊力也較小，切屑磨擦對刀具的影響有限。因此，經(jīng)過表面涂層處理的鋁結(jié)構(gòu)鏜刀在精鏜加工中具有良好的耐磨損性，但在耐沖擊性方面則可能不如鋼結(jié)構(gòu)鏜刀。

　　刀體表面涂覆了氧化鋁硬涂層的鋁結(jié)構(gòu)鏜刀，在易形成長切屑或磨蝕性切屑的工件材料上粗鏜加工大孔徑(8.07″～40.1533″，205～1020mm)時也具有明顯的優(yōu)勢(小孔徑粗鏜刀通常采用鋼結(jié)構(gòu))，流暢的排屑(可減小切屑對刀具的沖擊和磨損)與刀具表面硬涂層相結(jié)合，可使刀具在粗鏜加工此類材料時刀體不會過快磨損。

　　(3)具有粗、精鏜功能的復(fù)合式鏜刀

　　傳統(tǒng)的鏜孔加工通常需要經(jīng)過從粗鏜到精鏜(有時精鏜前還需進行半精鏜)的多道工序才能完成，雖然這種多工序加工方式可保證加工的可靠性，但卻相當耗費工時。

　　隨著近凈成形鑄造(near-net-sharp castings)技術(shù)尤其是鋁模鑄造技術(shù)的出現(xiàn)，工件毛坯質(zhì)量提高，加工余量減小，多工序加工的必要性也隨之減少甚至消除。在許多情況下，孔的粗鏜與精鏜加工可以在同一臺機床上完成，這樣，對被加工孔的加工余量和偏心量的技術(shù)要求可以大幅度降低。為此，復(fù)合式鏜刀的應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注。

　　復(fù)合式鏜刀將粗鏜與精鏜兩種切削刃集成于同一把鏜刀上，通過一次走刀操作即可完成孔的全部鏜削加工。首先由粗鏜切削刃切除大部分加工余量，然后由精鏜切削刃加工孔徑至要求尺寸。粗鏜刀片與精鏜刀片之間工作壽命的差異可以通過在刀夾中安裝不同牌號硬質(zhì)合金刀片來加以調(diào)節(jié)。精鏜切削刀片裝夾在一個可調(diào)刀夾上，刀夾位置可利用精密螺桿和傳統(tǒng)的游標刻度進行調(diào)節(jié)。通過一次走刀操作，即可加工出公差為0.001″(0.0254mm)的精密孔徑。雖然復(fù)合式加工必須根據(jù)加工需要設(shè)定進給率，但由于省略了粗鏜或半精鏜工序，因此可大幅度提高生產(chǎn)率。

　　(4)適合高速切削的自平衡鏜刀

　　人們很早就已認識到鏜刀的平衡性能對于鏜削加工質(zhì)量的重要性。在如今的高速切削條件下，鏜刀的平衡問題顯得比以往更為突出，即使是很小的刀具不平衡量都可能對被加工孔徑的尺寸、表面光潔度、圓度以及刀具壽命造成很大影響。此外，刀具的不平衡還可能引起切削振顫。近年來，許多標準鏜刀上都加裝了平衡機構(gòu)，這種機構(gòu)通常由可移動的配重塊組成，由于鏜刀的不平衡狀態(tài)主要是由加工孔徑變化引起的，因此可以根據(jù)鏜刀設(shè)定的加工孔徑對刀具的配重進行調(diào)節(jié)。這種方法對于保持刀具平衡雖然有效，但卻相當耗費工時。此外，這種平衡裝置位于刀具外部，暴露于冷卻液、切屑和油污中，很容易受到損壞。

　　內(nèi)部安裝有自平衡機構(gòu)的新型鏜刀則可較好解決這一問題。當裝夾刀片的可調(diào)刀夾向某一方向移動以調(diào)節(jié)孔徑時，鏜頭內(nèi)一個與之機械連接的平衡配重塊則同時向相反方向移動，以保持鏜刀的平衡。該內(nèi)置自平衡機構(gòu)密封在鏜頭內(nèi)，可與冷卻液和切屑完全隔離。

　　這種自平衡鏜刀可應(yīng)用于現(xiàn)代CNC機床的高速加工，對于大多數(shù)加工任務(wù)，均可獲得相當不錯的刀具平衡效果。如果某項加工任務(wù)對于刀具平衡的技術(shù)要求特別高，也可將這種鏜刀作為一個組件在高精密平衡機上進行平衡。對于橋式鏜刀(不管是鋁結(jié)構(gòu)還是鋼結(jié)構(gòu))，通常都是利用平衡配重塊進行手動平衡。

　　上述幾項設(shè)計技術(shù)(帶數(shù)顯讀數(shù)屏的精密鏜頭、鋁結(jié)構(gòu)鏜刀體、復(fù)合式鏜刀和自平衡鏜刀)均有助于加工制造商大幅度地提高鏜削加工生產(chǎn)率。雖然這些技術(shù)創(chuàng)新還不能稱為“革命性”的技術(shù)發(fā)展，但已足以對鏜削加工的技術(shù)進步產(chǎn)生重大影響。