高精度焊接式PCD刀具技術(shù)研究

隨著PCD、CBN等超硬材料刀具在汽車、摩托車、空調(diào)壓縮機(jī)、木材加工等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，對此類刀具的市場需求日益增加。目前國內(nèi)已有約20家企業(yè)從事超硬刀具的開發(fā)、加工與刃磨，但其中大部分廠家都局限于低端產(chǎn)品(如精度要求不高的刀片裝夾式超硬刀具等)的加工，導(dǎo)致此類產(chǎn)品市場競爭激烈。為降低生產(chǎn)成本，企業(yè)迫切希望實現(xiàn)此類刀具的國產(chǎn)化加工與刃磨。

　　1.高精度焊接式PCD刀具技術(shù)要求

　　高精度焊接式PCD刀具的技術(shù)要求較高。刀柄采用HSK接柄或安裝在HSK液壓夾頭中的直柄；PCD刀具長度小于150mm，直徑在50mm以內(nèi)，刀刃直徑公差為0.003mm，精度等級IT2～I(xiàn)T3，IT3精度的同軸度公差為0.003mm。

　　焊接式PCD刀具刃口與刀柄的同軸度誤差由磨削加工誤差和刀具安裝誤差綜合而成，要將其控制在0.003mm范圍內(nèi)相當(dāng)困難。為了保證0.003mm的刀具外徑公差，對加工機(jī)床和磨削工藝方法的加工精度也提出了很高要求。此外，為了實現(xiàn)高精度焊接式PCD刀具的準(zhǔn)確測量，要求測量儀器的綜合測量精度達(dá)到微米級，且作用于刀具刃口的測量力應(yīng)控制在150mN以內(nèi)。

　　2.高精度PCD刀具磨床

　　現(xiàn)以遠(yuǎn)山機(jī)械股份有限公司生產(chǎn)的FC-500D型PCD&CBN刀具磨床為例，簡要介紹高精度PCD刀具磨床的結(jié)構(gòu)特點與加工性能。

　　(1)機(jī)床特點

　　FC-500D型PCD&CBN刀具磨床的砂輪行程為500mm，可滿足長度為150mm刀具的磨削行程要求。利用機(jī)床的旋轉(zhuǎn)工作臺及其轉(zhuǎn)角顯示功能，可實現(xiàn)刀具刃口1：1000～1：1500的倒錐磨削要求。砂輪座和工作臺導(dǎo)軌均采用瑞士SchneeBerger高精度滾柱線性導(dǎo)軌。工作臺進(jìn)給方式為氣壓柔性進(jìn)給，手柄每格進(jìn)給量為1μm(顯示器顯示)。刃磨時砂輪與刀具的接觸壓力可調(diào)。磨頭高度位置可調(diào)，可磨削大直徑PCD鋸片銑刀。磨床上配置了高精度攝像系統(tǒng)(CCD)，可通過屏幕清晰顯示刀具刃磨加工情況(放大倍率15～120倍)，同時可通過顯示器屏幕檢測刀具刃口圓弧(可測最小圓弧R0.05mm)。

　　(2)分度工作頭

　　為實現(xiàn)高精度PCD刀具的精密刃磨，磨床上設(shè)計了可微調(diào)角度的分度工作頭。該工作頭采用SK40主軸內(nèi)孔和蝸輪蝸桿副傳動的主軸微調(diào)機(jī)構(gòu)。當(dāng)蝸桿與蝸輪脫開時，主軸可實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)動。24等分的分度盤與主軸可空套或聯(lián)鎖。固定在夾具體上的插銷可插入分度盤缺口內(nèi)，使分度盤與主軸在圓周上定位固定(此時分度盤與主軸處于聯(lián)鎖狀態(tài))。24等分分度盤適用于加工2、3、4、6、8等分的刀具，如需加工5、7等分的刀具，則需改用20等分或28等分的分度盤。

　　(3)變徑套

　　由于分度工作頭采用SK40主軸內(nèi)孔，因此加工HSK柄部的刀具時，必須利用變徑套才能將刀具固定在工作頭主軸內(nèi)孔中(加工直柄刀具時，也可先將刀具裝在HSK柄的液壓直柄夾具中，然后通過變徑套裝入工作頭主軸內(nèi)孔中)。由于主軸內(nèi)孔和變徑套均存在同軸度誤差，因此為滿足刀具加工的同軸度要求(0?003mm)，采用了國外開發(fā)的可調(diào)中心變徑套新技術(shù)。該變徑套結(jié)構(gòu)由兩部分組成，左邊為SK40部分，可安裝到分度工作頭主軸內(nèi)孔中；右邊為HSK部分，可與刀具的HSK柄部聯(lián)接。左、右兩部分之間采用軸、孔定位聯(lián)接，由四個內(nèi)六角螺釘固定。軸與孔之間為間隙配合，配合間隙即為中心調(diào)整范圍。軸上有四個小平面。左、右兩部分軸線的同軸度偏差由正對小平面的內(nèi)六角緊定螺釘調(diào)整，軸線的平行度由緊定螺釘調(diào)整。變徑套調(diào)整好后，應(yīng)在SK40柄部和與之配合的分度工作頭SK40內(nèi)孔的圓周上作出標(biāo)記，以確定變徑套安裝位置，避免重新安裝變徑套時重復(fù)調(diào)整同軸度。

　　(4)刀具在線測量裝置

　　筆者與有關(guān)單位合作研制的高精度PCD刀具在線測量裝置安裝在機(jī)床工作臺的側(cè)面并可隨工作臺一起移動，它與安裝在工作臺上分度工作頭中的刀具相對位置保持不變。測量裝置的立柱可上、下移動，將測量頭部件調(diào)整至與刀具中心等高。立柱還可作180°回轉(zhuǎn)，當(dāng)測量裝置不工作時，可使測量頭部件遠(yuǎn)離刀具。立柱的頂部裝有十字拖板，測量不同長度刀具時，縱向小拖板可沿刀具軸線方向移動(行程可達(dá)150mm)；橫向小拖板可沿刀具徑向移動(行程可達(dá)50mm)。測量不同直徑刀具時，測量頭部件的徑向位置可調(diào)。測量臂安裝在十字拖板上，測量頭部件安裝在測量臂上。測量刀具直徑時，測量頭部件的軸線必須與刀具軸線垂直，否則測量結(jié)果將大于刀具實際直徑，為此，在測量頭部件上方安裝了可沿垂直軸線回轉(zhuǎn)的微調(diào)裝置，以保證測量頭軸線與刀具軸線垂直。

　　測量頭部件由支架、弓形臂、固定測量頭、光柵尺和移動測量頭組成。固定測量頭安裝在弓形臂上，移動測量頭安裝在光柵尺上，光柵尺可在支架上移動。固定測量頭和移動測量頭采用行程為3～5mm的測量光柵，光柵尺的測量行程則為50mm，光柵測量精度均為1μm。

　　該測量裝置可測量PCD刀具的直徑和圓跳動，測量力小于150mN。測量時，首先移動光柵尺使移動測量頭與固定測量頭接觸并置零，然后打開移動測量頭(以不接觸刀具為準(zhǔn))；轉(zhuǎn)動分度工作頭使刀具刃口略低于水平面，調(diào)整軸向小拖板使被測刃口部位處于兩個測量頭之間，鎖緊軸向小拖板；調(diào)整徑向小拖板使固定測量頭與刀具接觸約1mm(可通過顯示器觀察)；移動光柵尺使移動測量頭與刀具接觸，鎖緊徑向小拖板，調(diào)整微調(diào)機(jī)構(gòu)直至顯示器顯示的直徑尺寸最小(即測量頭軸線與刀具軸線垂直)；緩慢轉(zhuǎn)動刀具，使刀刃與固定測量頭接觸，當(dāng)測量頭觸測到刀具容屑槽時，測量裝置記錄到的最大值即為刀具直徑尺寸，此時顯示器顯示出刀具直徑值和固定測量頭的最大讀數(shù)值。然后將刀具轉(zhuǎn)過180°，按相同方法再測量一次(此時可退出移動測量頭)，固定測量頭又可測得一個最大值，兩次測量值之差即為刀具刃口圓跳動量。測量刀具刃口圓跳動時，整個測量系統(tǒng)在兩次測量過程中不應(yīng)發(fā)生位移或振動，否則將影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。如測量系統(tǒng)剛度不夠，測量值波動較大，也可采用另一方法測量圓跳動，即將測量頭固定在磁性表座上，磁性表座安裝在機(jī)床床身上，分別測量刀具的兩個刃口，也可測出刀具的圓跳動量。

　　3.PCD刀具的精密刃磨工藝

　　國外有關(guān)研究文獻(xiàn)指出，高精度PCD刀具的刃磨加工不能采用先磨外圓再磨后角的傳統(tǒng)刃磨方法，因為這種刃磨方法易導(dǎo)致刀具刃口崩刃，且加工同軸度難以保證。對于小直徑PCD刀具，其刀桿中心孔在加工PCD刀片的刀片槽時已被破壞，因此也無法采用傳統(tǒng)方法刃磨外圓。為保證PCD刀具外圓和同軸度的加工精度，必須采用單邊修整法進(jìn)行刃磨加工�，F(xiàn)以挺桿孔刀具78-33C-205026的加工為例，說明高精度PCD刀具磨床刃磨工藝步驟。將待加工刀具裝入變徑套，然后裝入可微調(diào)角度的分度工作頭中。注意：刀柄、變徑套和分度工作頭內(nèi)孔必須擦拭干凈，否則難以保證安裝同軸度。

　　(2)調(diào)整安裝同軸度

　　將千分表置于刀具的調(diào)整環(huán)A和B上，調(diào)整緊定螺釘，使刀具軸線與工作頭主軸軸線平行；調(diào)整緊定螺釘，使刀具軸線與工作頭主軸軸線重合。調(diào)整后的安裝同軸度誤差應(yīng)小于1μm。

　　(3)調(diào)整刀具刃口位置

　　轉(zhuǎn)動刀具使刃口處于水平面上(比水平面略低)，調(diào)整好砂輪后角，在刀具兩個刀刃的后角處磨出刃口。用測量裝置的兩個測量頭與刀具后面接觸，然后緩慢移動刀具，使刀具刃口與測量頭接觸，當(dāng)顯示的測量數(shù)據(jù)為最大值時，刀具位置前角為0°。將分度工作頭插銷插入等分盤缺口內(nèi)，并使等分盤與工作頭主軸聯(lián)鎖。

　　(4)刃磨端面后角

　　脫開測量裝置，將回轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)過90°，將砂輪調(diào)整到端面后角，刃磨端面兩個刃口；然后將刀具從變徑套中拆下，用光學(xué)對刀儀測量刃口的等高性和180°頂角，并通過回轉(zhuǎn)工作臺進(jìn)行調(diào)整，直至達(dá)到加工要求；然后測量HSK基準(zhǔn)面到刃口的距離，通過刃磨達(dá)到112±0.03mm的尺寸要求(如果是階梯刀具，則按照圖紙磨削出階梯長度和階梯角)。

　　(5)刃磨刀具圓周刃口

　　將回轉(zhuǎn)工作臺按順時針方向轉(zhuǎn)過90.086°，經(jīng)調(diào)整后磨出的刀具有1.5×10-3的倒錐；將砂輪角度調(diào)整為刀具圓周后角，分別刃磨出兩個刃口的后角。

　　按前述測量方法測出刀具直徑D和圓跳動δ，并判別兩個刃口的半徑大小。設(shè)刀具的大邊半徑為R2，小邊半徑為R1，則有D=R1+R2,δ=R2-R1；R2＝(D＋δ)/2，R1＝(D-δ)/2。設(shè)刀具公稱半徑為R0，則大邊修磨余量為R2-R0，小邊修磨余量為R1-R0。根據(jù)測量計算結(jié)果，對兩個刃口邊刃磨邊測量，直至刀具的直徑尺寸和同軸度均符合加工要求為止。

　　4.PCD刀具的刃口處理

　　新刀具在切削加工中的磨損過程可分為三個階段：初始磨損階段、尺寸穩(wěn)定階段和急劇磨損階段。在PCD刀具的刃磨加工中，刃口處理對于提高刀具使用壽命十分重要。以加工發(fā)動機(jī)氣門孔用PCD刀具為例，進(jìn)口刀具的正常使用壽命為3萬件，但未經(jīng)刃口處理的自制刀具僅加工300件后零件尺寸即偏小超差，其主要原因是刀具初始磨損階段的磨損量超過了刀具公差，當(dāng)?shù)毒吣�損進(jìn)入尺寸穩(wěn)定階段時，加工零件尺寸已超差，雖然刀具刃口狀況良好，但不得不報廢。刃口處理的目的就是刃磨時預(yù)留初始磨損量，當(dāng)?shù)毒吣�損進(jìn)入尺寸穩(wěn)定階段時其加工尺寸正好處于公差范圍內(nèi)，以延長刀具使用壽命。

　　刀具刃口處理的具體方法可根據(jù)加工情況而定，可采用手工方法鈍化刀具刃口，去掉毛刺和鋒口；也可在原有后角上再刃磨出1°的第一后角，后角棱邊寬度0.08～0.10mm。刃口處理時應(yīng)將磨床的砂輪更換為粒度更細(xì)的超精級砂輪，如PCD刀具加工鋁合金時的第二后角為11°，則刃口單邊預(yù)留量應(yīng)為14～18μm。

　　5.PCD刀具的動平衡

　　超硬刀具通常用于高速切削，切削速度可達(dá)普通切削的5～10倍，因此制作新刀具時必須經(jīng)過動平衡。刀具應(yīng)安裝在刀輔具上一起作動平衡。根據(jù)ISO1940/4的要求，刀具允許的動平衡量U(gmm)為：U=9549GW/n，式中G為動平衡等級，對于刀具，G=2.5；W為刀具加上刀輔具的重量(kg)；n為刀具加工時的轉(zhuǎn)速(r/min)。如檢測表明動平衡超差，可在刀具或刀輔具上鉆孔以去掉不平衡量，具體操作可在刀具動平衡機(jī)上進(jìn)行。

　　6.加工環(huán)境要求

　　高精度PCD刀具的刃磨加工對加工環(huán)境提出了較高要求。安裝機(jī)床時，應(yīng)設(shè)置避震溝，以減小外界震動對機(jī)床加工精度的影響。加工車間內(nèi)應(yīng)有恒溫設(shè)備，以保持20～25℃的加工環(huán)境溫度(與高精度PCD刀具的使用環(huán)境溫度一致)，以減小刀具尺寸的溫度誤差。在裝夾刀具時，應(yīng)使用專用工具將刀具與變徑套、變徑套與工作頭之間的接觸面仔細(xì)擦拭干凈，否則夾雜其間的灰塵(雖然粒度僅幾個微米)可能導(dǎo)致刀具同軸度超差。此外，灰塵和高濕度易使測量裝置發(fā)生故障，因此測量裝置未使用時應(yīng)包上布袋防塵，布袋內(nèi)放上干燥劑防潮。

　　由于高精度PCD刀具刃磨機(jī)床采用手工操作，因此操作者的加工技術(shù)及經(jīng)驗是保證加工精度的關(guān)鍵因素，對操作者的技術(shù)培訓(xùn)也是高精度PCD刀具刃磨加工技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。