(德)M atthias W inter

復(fù)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(jī)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(shí)間和降低生產(chǎn)成本。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，使用組合刀具可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

刀具專家是負(fù)責(zé)完善加工工藝的，他們別具慧眼，可以識(shí)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?wù)。使用這類組合刀具時(shí)，多種加工工步會(huì)產(chǎn)生大量的切屑。要實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)和順利排屑需要在切屑成形與引導(dǎo)方面具有豐富經(jīng)驗(yàn)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(huì)造成刀具系統(tǒng)的變形。Mapal采支承刀具的導(dǎo)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(shí)現(xiàn)可靠加工，組合刀具減少了換刀時(shí)間，因而縮短了非切削時(shí)間。

粗、精加工的組合

圖2 高精度兩面加工用的成對(duì)組合刀具

圖1 帶有導(dǎo)向塊技術(shù)的輕量化組合刀具

只用一把刀，就可以實(shí)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(zhǎng)刀具壽命。一般情況下，粗加工和精加工會(huì)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(gè)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(shí)可保持極高的同心度。

與刀具的組類型無(wú)關(guān)，時(shí)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(yùn)動(dòng)，就可以縮短加工時(shí)間。只此就可使加工過程中的非生產(chǎn)時(shí)間平均減少70%。不同工步的同時(shí)進(jìn)行，如倒角和平面加工，還可以進(jìn)一步縮短加工時(shí)間。這種循環(huán)時(shí)間的縮短就可以提高機(jī)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?？傊?，組刀具的應(yīng)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(fù)性。在許多情況下，這可以減少相應(yīng)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(xiàng)加工

從上世紀(jì)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(shí)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(shí)例可充分證明，在與用戶的日常交流中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的，這項(xiàng)技術(shù)幾乎具有無(wú)限的可能性。

配有導(dǎo)向塊技術(shù)的組合刀具

應(yīng)用Mapal原理構(gòu)成的刀具具有刀刃可調(diào)的特點(diǎn)，在內(nèi)孔精加工中采用有導(dǎo)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(shí)，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(yīng)用于精密階梯形外徑加工時(shí)也具有相同效果。這就是說，能最大限度地減少相應(yīng)的測(cè)量工作，特別是在機(jī)床上的測(cè)量工作。因?yàn)橐?guī)定的檢測(cè)基準(zhǔn)尺寸已完全能滿足要求。在某些條件下，可以完全不必進(jìn)行這類檢測(cè)。

現(xiàn)代汽車齒輪箱上有大量的階梯孔需要進(jìn)行高精度加工。刀具設(shè)計(jì)人員開發(fā)的階梯刀具很快達(dá)到了機(jī)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(qiáng)肋 （圖1）。在多級(jí)高性能齒輪箱加工中，這種刀具可加工多個(gè)直徑達(dá)300 mm的孔，刀懸伸長(zhǎng)度達(dá)600 mm。

這種由焊接刀體構(gòu)成的帶導(dǎo)向塊刀具表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性和剛度，同時(shí)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(dǎo)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(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。以這種方式實(shí)施組合加工和提高切削用量，可以縮短復(fù)雜齒輪箱體件加工的時(shí)間。與使用普通鏜刀的加工相比，復(fù)雜箱體件的加工時(shí)間縮短了80%以上。

用于精密加工的成對(duì)組合刀具

第二個(gè)應(yīng)用實(shí)例可以進(jìn)一步證明Mapal方案的優(yōu)點(diǎn)。由于齒輪箱的結(jié)構(gòu)，必須從兩側(cè)對(duì)軸承孔進(jìn)行加工。為了保證能達(dá)到嚴(yán)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(diǎn)：二級(jí)刀具分別從齒輪箱的兩側(cè)進(jìn)入要加工的孔，利用一個(gè)中心導(dǎo)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(dǎo)向塊上并嚙入刀具第二部分的一個(gè)滑動(dòng)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(gè)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(jìn)行加工時(shí)因夾具定位及其它原因造成的定位不精確問題，而可能導(dǎo)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(lái)，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了小型化的趨勢(shì)，使用尺寸較小的發(fā)動(dòng)機(jī)，利用渦輪增壓，產(chǎn)生大的輸出扭矩。由于發(fā)動(dòng)機(jī)部件要承受很大的應(yīng)力，所以采用了高強(qiáng)度材料。這種材料的發(fā)動(dòng)機(jī)必須采用適用的高效組合刀具才能實(shí)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(fù)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(yīng)用ISO標(biāo)準(zhǔn)刀具，已經(jīng)取得了相當(dāng)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(xiàng)控制切削任務(wù)。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(huì)對(duì)所安裝的渦輪增壓器造成損壞。

由于采PCD階梯鉆頭，加工時(shí)間減少了70%

為了加工材料為AlSi9Cu3的汽車齒輪箱傳動(dòng)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(jìn)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(yīng)結(jié)構(gòu)的鋼制刀體輕了約10kg。這種組合刀具有8個(gè)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(dá)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(jìn)給率為900mm/min，加工循環(huán)時(shí)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(wù)。這種加工方案提高了生產(chǎn)能力。

總結(jié)

組合刀具的應(yīng)用領(lǐng)域非常寬廣。正如上述加工實(shí)例所證明的，這類刀具是為特定用途要求一次設(shè)計(jì)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(shì)的。對(duì)于這種定制設(shè)計(jì)的工裝成本會(huì)比標(biāo)準(zhǔn)刀具高得多的看法，在其極高生產(chǎn)效率面前簡(jiǎn)直不值一駁。Mapal的工具專家的專長(zhǎng)就是高效金切工藝設(shè)計(jì)，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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