復合刀具系統(tǒng)提高了生產(chǎn)效率和加工精度

(德)M atthias W inter

復合刀具系統(tǒng)提高了生產(chǎn)效率和加工精度

Combination system s enhance productivity and component precision

(德)M atthias W inter

機械工程師的藝術(shù)品：將相關(guān)的生產(chǎn)工步組合在一起，可以縮短總體加工時間和降低生產(chǎn)成本。經(jīng)過實驗，使用組合刀具可實現(xiàn)這一目標。

刀具專家是負責完善加工工藝的，他們別具慧眼，可以識別，并找出特定工件的各種加工方法。不同直徑、倒角，甚至平面加工，常?？梢岳靡话训毒咭淮瓮瓿扇考庸と蝿铡Ｊ褂眠@類組合刀具時，多種加工工步會產(chǎn)生大量的切屑。要實現(xiàn)既定目標和順利排屑需要在切屑成形與引導方面具有豐富經(jīng)驗的專家。一把刀具上集成了多種切削刃,還意味著在加工過程中存在寬范圍的切削力,面這種切削力常常會造成刀具系統(tǒng)的變形。Mapal采支承刀具的導向塊，以防止產(chǎn)生變形，已經(jīng)證明，其成功地消除了這種變形作用力。若正確使用，就可以實現(xiàn)可靠加工，組合刀具減少了換刀時間，因而縮短了非切削時間。

粗、精加工的組合

圖2 高精度兩面加工用的成對組合刀具

圖1 帶有導向塊技術(shù)的輕量化組合刀具

只用一把刀，就可以實現(xiàn)粗、精加工的組合。這可以在精加工階段獲得最小的和穩(wěn)定的加工公差。粗、精加工的組合可以創(chuàng)造最佳的表面質(zhì)量、同心度和圓柱度。這種方法還有助于延長刀具壽命。一般情況下，粗加工和精加工會使用不同的切削系統(tǒng)，具有精密接口的可換刀頭為這種刀具的組合提供了可能。Mapal的FHS刀夾系統(tǒng)帶有一個高精度錐體和接合面，其交換精度小于3微米并具有很高的徑向剛度。這種系統(tǒng)能將不同類型的刀具組合在一起，例如可轉(zhuǎn)位刀片和焊接刀片等的互換，同盟時可保持極高的同心度。

與刀具的組類型無關(guān)，時間和金錢的節(jié)省總是做出有效決策的重要因素。由于可以減少換刀次數(shù)和刀具的傳送運動，就可以縮短加工時間。只此就可使加工過程中的非生產(chǎn)時間平均減少70%。不同工步的同時進行，如倒角和平面加工，還可以進一步縮短加工時間。這種循環(huán)時間的縮短就可以提高機床生產(chǎn)率并降低單件加工成本。

組合刀具提高生產(chǎn)效率另一方面還有質(zhì)量控制等。總之，組刀具的應用可以保證良好的同軸度。例如，將端面加工刀具集成到組合刀具上，可以使端面加工具有很高的可重復性。在許多情況下，這可以減少相應的質(zhì)量控制支出。

圖3 在渦輪增壓器殼體加工中，切向組合刀具一次完成6項加工

從上世紀70年代開始，加工中心采用了柔性加工戰(zhàn)略，這類組合刀具就成為成功實現(xiàn)這種生產(chǎn)方式的一種有效手段。從一開始，Mapal就開始了這種創(chuàng)新理念的開發(fā)工作。以下實例可充分證明，在與用戶的日常交流中已經(jīng)實現(xiàn)的，這項技術(shù)幾乎具有無限的可能性。

配有導向塊技術(shù)的組合刀具

應用Mapal原理構(gòu)成的刀具具有刀刃可調(diào)的特點，在內(nèi)孔精加工中采用有導向塊的刀具，在孔徑誤差、同心度、圓柱度及表面質(zhì)量方面均有極好表現(xiàn)。在加工齒輪箱階梯孔時，所得到的孔的同軸度與采用單用刀具加工出的同軸度精度相同。在應用于精密階梯形外徑加工時也具有相同效果。這就是說，能最大限度地減少相應的測量工作，特別是在機床上的測量工作。因為規(guī)定的檢測基準尺寸已完全能滿足要求。在某些條件下，可以完全不必進行這類檢測。

現(xiàn)代汽車齒輪箱上有大量的階梯孔需要進行高精度加工。刀具設計人員開發(fā)的階梯刀具很快達到了機床規(guī)定的最大刀具重量極限。為解決這一問題，Mapal開發(fā)的解決方案，在不影響刀具穩(wěn)定性和精度的條件下，大幅度減輕了刀具重量。這種刀體采用管件外面的焊接結(jié)構(gòu)，管件配有腹板和加強肋 （圖1）。在多級高性能齒輪箱加工中，這種刀具可加工多個直徑達300 mm的孔，刀懸伸長度達600 mm。

這種由焊接刀體構(gòu)成的帶導向塊刀具表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性和剛度，同時重量較輕。與常規(guī)結(jié)構(gòu)的鏜桿相比，重量可減輕約50%。由于導向塊的支承作用，可以提高刀具的切削用量，而沒有產(chǎn)生振動的風險。以這種方式實施組合加工和提高切削用量，可以縮短復雜齒輪箱體件加工的時間。與使用普通鏜刀的加工相比，復雜箱體件的加工時間縮短了80%以上。

用于精密加工的成對組合刀具

第二個應用實例可以進一步證明Mapal方案的優(yōu)點。由于齒輪箱的結(jié)構(gòu)，必須從兩側(cè)對軸承孔進行加工。為了保證能達到嚴格的質(zhì)量要求，開發(fā)了一種專用刀具。這種組合刀具具有如下特點：二級刀具分別從齒輪箱的兩側(cè)進入要加工的孔，利用一個中心導向銷將二刀具結(jié)合在一起 （圖2）。該銷裝在經(jīng)過精磨的導向塊上并嚙入刀具第二部分的一個滑動軸承中。其作用就是使這兩部分刀具以要加工的孔的中心線為軸，完全結(jié)合成一個整體，使其與孔的中心線同軸定位。由于刀具采用了雙側(cè)支承，從而消除了由于從兩側(cè)進行加工時因夾具定位及其它原因造成的定位不精確問題，而可能導致的加工誤差和位置誤差。

圖4 鈦合金刀體PCD刀具能替代5把普通刀具

近年來，汽車發(fā)動機出現(xiàn)了小型化的趨勢，使用尺寸較小的發(fā)動機，利用渦輪增壓，產(chǎn)生大的輸出扭矩。由于發(fā)動機部件要承受很大的應力，所以采用了高強度材料。這種材料的發(fā)動機必須采用適用的高效組合刀具才能實現(xiàn)高效的大量生產(chǎn)。渦輪增壓器的渦輪殼體通常是采用耐熱合金鋼制造。材料的特性和復雜的輪廓形狀及槽形，為這種工件的加工提出了挑戰(zhàn)。這方面，Mapal利用切線技術(shù)，盡可能多地將不同工步組合在一起，應用ISO標準刀具，已經(jīng)取得了相當水平的成功 （圖3）。例如在主孔的粗加工和半精加工中，僅用一把刀具就完成了6頂特定加工和一項控制切削任務。切向切削刃的正向安裝定位，保證了軟切削，以一定角度安裝的切削刃保證了粗加工的穩(wěn)定性。用選擇性的切削分布，可防止加工中形成環(huán)狀斷面，面這種缺陷在可能會對所安裝的渦輪增壓器造成損壞。

由于采PCD階梯鉆頭，加工時間減少了70%

為了加工材料為AlSi9Cu3的汽車齒輪箱傳動孔，采用了一種PCB固定刀片組合刀具，以替代之前采用四把刀具分別進行粗、精加工 （圖4）。加工中心上允許使用的最大刀具重量為8kg，這就斷絕了任何使用鋼結(jié)構(gòu)刀具的可能性。解決辦法是利用鈦合金做刀體，使刀具重量減輕到6kg以內(nèi)。這種刀體比相應結(jié)構(gòu)的鋼制刀體輕了約10kg。這種組合刀具有8個切削刃，分布于不同直徑上，同度誤差不超過2到3μm。加工中很表面粗糙度達到了0.4μm，超過階梯孔鏜刀要求的Ra 0.8μm。加工速度為1700r/min，進給率為900mm/min，加工循環(huán)時間比之前縮短了70%，同滿足了幾何精度要求。此外，還可利用伴于側(cè)面的HFS聯(lián)接裝置，以更換刀頭的方式,嵌入其它刀具，用于加工分布于工件不同部位的定位銷孔?？傊?，這種組合刀具可以替代以前需要用5把刀具才能完成的加工任務。這種加工方案提高了生產(chǎn)能力。

總結(jié)

組合刀具的應用領(lǐng)域非常寬廣。正如上述加工實例所證明的，這類刀具是為特定用途要求一次設計的產(chǎn)品，是一種中、大批量生產(chǎn)的理想解決方案。就是在小批量生產(chǎn)中，組合刀具也是有一定優(yōu)勢的。對于這種定制設計的工裝成本會比標準刀具高得多的看法，在其極高生產(chǎn)效率面前簡直不值一駁。Mapal的工具專家的專長就是高效金切工藝設計，他們可正確并成功使用各種組合刀具。

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作者:

Dipl.-Ing. (FH)Matthias Winter is the Head of Technical Marketing at Mapal Dr.Kress in Aalen

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