专用刀具在中、大批量生产中的应用

在中、大批量生产中，常常可以通过工序集中来提高机床的生产效率。工序的集中，除了采用多轴加工外，采用装有多个切削刀刃的专用刀具(复合刀具)则是提高机床生产率的另一个重要途径。由于复合刀具往往可以替代好多把常规刀具，并且往往是在工件的一次装夹下和刀具的一次工作行程中完成多道工序的加工，因此可以减少换刀次数，消除工件或刀具的重复定位误差，从而可显著减少辅助时间、提高加工精度和减少测量过程。此外，专用刀具还可以用来解决常规刀具难于进行的一些加工任务。由于这些优点，这类刀具不仅在组合机床和自动线上得到广泛应用，而且近年来也愈来愈多地应用于高速加工中心。长期以来的生产实践表明，在中、大批量生产中采用专用刀具对工件的多个相关功能表面进行综合加工，或对难于接近的功能表面进行加工是实现加工合理化的有效手段。

孔加工专用刀具的结构分类

在中、大批量生产中，专用刀具除少量是属于专用铣刀外，绝大部分是用于孔加工的专用刀具。在生产中，有很多加工任务不仅要通过专用刀具来制造精密孔，而且往往需要借助于这类刀具来加工与精密孔相关的功能表面，如加工配合孔的凸台端面、止口和环槽等。有些工件，特别是箱体件，有不少这类功能表面的加工往往要通过刀具的径向走刀来实现(图1) 。
图1 需采用径向走刀的多种加工任务在加工时，并要确保配合孔相对于某一基准面或另一个配合孔的位置精度(垂直度、同轴度)。从这里可以看出，专用刀具在孔和相关功能表面的综合加工中无疑是起着十分关键的作用。从刀具结构上，专用刀具可分为刀具固定式和刀具移动式两大类(下表 )。
 表  专用刀具的结构分类刀具的结构刀具固定式整体式装配式机夹式刀具移动式驱动方式推(拉)杆撞靠离心力冷却润滑液伺服电动机
(a)整体式

(b)装配式
图2 复合扩孔钻固定式复合刀具又可分为整体式、装配式和机夹式三种。这些复合刀具的结构相对比较简单。整体式复合刀具由两个或更多相同或不同类型的刀具组成，如复合钻、复合扩孔钻、复合铰刀和复合铿铰刀等。这类复合刀具的制造和刃磨十分不便，这样的缺点可以通过采用装配式复合刀具而得到改善(图2) , 但是装配式复合刀具由于增加了机械连接部位，刀具的刚性会受到一定程度的影响。机夹式复合刀具的优点是，当刀具磨损后，只需将可转位刀片相应转过一个角度或更换刀片，复合刀具又可重新使用。 刀具移动式专用刀具，即受控致动刀具，在目前，主要是采用推(拉)杆、撞靠、离心力、冷却润滑液和伺服电动机等驱动方式来使刀具实现横向、斜向或轴向进给运动。
(a)
(c)
(b)
(d)图3 推(拉)杆驱动的致动刀具通过机床主轴中的推(拉)杆(由装在主轴箱末端的油缸或伺服电动机推动)既可经齿条一齿条、齿条一齿轮一齿条和斜块驱动刀体中的滑动刀架实现横向(或斜向)走刀(图3a ) ，经齿条一齿轮一扇形齿轮实现刀具的圆周进给(图3b ) ，也可借助推杆上的螺旋槽来驱动偏心安装(相对主轴中心线)的刀杆进行回转，使刀杆上的刀具在从起始位置转动到终点位置的过程中实现径向进给(图3c ) ，或经另一个与刀盘偏心连接的传动杆来推动刀盘实现圆周进给(图3d )。这类推(拉)杆致动的专用刀具，可适应很广的加工任务，用来加工凸台端面、止口、内外环槽、锥面和球面等功能表面。 在高速加工时，对于推(拉)杆驱动滑动刀架的致动刀具，即使装有配重滑板，也难于达到相应的动平衡品质，并且在高转速范围内，作用在拉杆上的力对于主轴轴承也是难于承受的。而对于采用偏心工作的致动刀具，由于回转刀杆上切削刀刃从起始位置到终点位置的位置变化不会影响到刀具重心的改变，因此，这种偏心工作的专用刀具可用来进行高速加工。 采用伺服电动机驱动推(拉)杆的致动刀具，通过伺服电动机与CNC 控制系统的连接，可以由CNC 控制系统直接控制切削刀刃的进给运动。由于加工中心在主轴中不能设置推(拉)杆，所以在加工中心上主要是通过撞靠、离心力、冷却润滑液和伺服电动机等驱动方式来推动刀具移动。
 
图4 撞靠式致动刀具撞靠式致动刀具(图4 )其工作原理是：机床主轴向前移动，当刀体上的刀具到达预定加工部位时，一个用轴承支承在刀体上的环形套就顶靠在工件的端面或夹具的止靠面上，使刀体不再向前移动，而主轴仍继续向前移动，此时通过传动元件(如齿条一齿轮一齿条或斜滑块，或传动杆等)将机床的轴向进给运动转换为刀具的轴向、斜向或圆周进给运动。 撞靠式致动刀具与推(拉)杆致动刀具一样，在生产中是应用频率较高的专用刀具。 离心力致动刀具是一种很有创意的专用刀具，这种刀具是巧妙地利用了在高速加工时产生的离心力来推动刀具的移动或进给运动。其工作原理用图5所示的加工中心孔和环槽的致动刀具来说明。精铿刀加工中心孔f27.99H7 ，主轴转速4000r/min ，此时油缸中的活塞连同切槽刀滑块在离心力作用下径向外移而离开已加工部位。当切槽刀轴向定位后，主轴转速降至2000r/min ，这时离心力也随之变小，在弹簧力作用下切槽刀滑块径向内移，加工环槽，在切槽过程中，通过节流阀使切槽的进给速度保持恒定。在环槽加工完毕后，主轴转速从2000r/min 又提高到4000r/min，切槽刀滑块因离心力增大而径向外移，此时致动刀具就退至原位。
 
图5 离心力致动刀具(Mapal公司)
图6 加工制动器支座中心孔的复合刀具(Mapal公司)利用离心力还可用来驱动(如通过带齿条的两个对置的活塞驱动偏心安置的齿轮，由此带动偏心回转刀架进行回转)偏心工作的刀具进行切槽和车端面等加工以及利用离心直接驱动刀具的切削进给。 电子致动刀具是一种在刀柄或刀体内装有伺服电动机进行工作的专用刀具，这种刀具通过非接触式(感应)的能量(电流)和数据传输，由机床NC 系统直接控制刀具的进给运动。 采用冷却润滑液致动的刀具，是利用机床冷却润滑液(约10⁶Pa 的压力)通过活塞来推动刀具的移动或转位。在生产中，这类致动刀具应用不多。 从上述的介绍中可以看出，专用刀具结构型式十分繁多，随着技术的发展，特别是随着加工的高速化、NC 插补精度的提高和微电子技术的发展，为专用刀具的进一步发展开拓了新的途径。

利用NC插补的复合刀具

在加工中心上可以通过X 轴和丫轴的圆弧插补实现刀具的圆周进给运动，利用X-，Y-，和Z轴的插补实现刀具的螺旋进给运动。利用刀具的圆周进给就可以将切槽、倒角和铿孔工序集中在一把刀具上，而利用螺旋进给运动就可以将钻孔和铣螺纹集中在一把钻铣螺纹刀具上。图6 所示是加工制动器支座中心孔的复合刀具。该刀具在一次工作行程中相继对孔进行预粗镗(去除铸造飞边)、粗铿、精铿、倒角和圆周铣削孔中的环槽。采用这种复合刀具与采用单个刀具进行加工相比，这种刀具显著减少了辅助时间，从而大大缩短了加工时间。 目前，像加工连杆大头孔、链节铰链孔的复合刀具，也都利用机床轴的圆弧插补实现孔的倒角加工。
 
(a) Mapal公司
(b) Komet公司图7 电子受控刀具

电子受控刀具

微电子技术和刀具技术的结合，不仅为专用刀具的开发开拓了新的途径，并且更为刀具的智能化提供了可能。这种应用微电子技术开发的电子受控刀具(图7 ) ，在刀体中装有用于刀具移动或进给的伺服电动机，并通过非接触式的电流传输和数据传送将刀体中的伺服电动机与机床的CNC 控制系统连接起来，这就使这类电子受控刀具能够实现刀具通常不能完成，而由机床或由设在机床主轴中的附加装置来完成的一些功能，从而为这种刀具的多方面应用创造了条件。 由于集成NC 轴，使这类电子受控刀具成为加工中心的一个附加的和可更换的U 轴。 这类电子受控刀具，既可用来实现车端面、切槽扩孔和铰孔等工序，又可与Z 轴进行直线插补和圆弧插补而用来进行轮廓加工(斜面、圆弧、球面等)。 这类电子受控刀具，当装上相应的传感器(测量加工的实际直径和切削力)就可对刀具的磨损进行补偿或对刀具的耐用度进行监控。 目前，这种电子受控刀具已应用于对缸盖的气门阀座和导管孔的综合加工(如德国Makino和Grab公司在加工缸盖设备上已应用了这种刀具)。

专用刀具典型应用实例

加工缸盖气门阀座和导管孔的专用刀具

图8 采用推杆致动的加工气门阀座和导管孔的专用刀具
1. 图8 所示的是一把采用车削阀座工作锥面并装有平衡滑板的专用刀具(应用于组合机床)。阀座工作锥面的加工，通常有锪削和车削两种工艺。采用惚削工艺时，由于阀座是淬硬材料(HRC50～58 )，刀刃的磨损较快，这种刀刃磨损的轮廓会复制在工作锥面上，这会影响到阀座工作时的密封性。在这里所示的专用刀具由于采用车削工艺加工阀座工作锥面从而可避免锪削时出现的缺陷。

专用刀具加工开始时，固定安装的刀具首先锪阀座端面(刀刃Ⅱ )和倒棱(刀刃Ⅲ和Ⅳ)。接着这些刀具后退0.2mm ，使刀刃Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ脱离已加工表面，使装在倾斜滑板上的车刀处于待加工位置，此时通过外层推杆使滑板实现进给，对阀座工作锥面进行精车，精车完后，主轴转速变为按铰削设定的转速，内推杆推动铰刀对导管孔进行铰削加工，当铰削结束后，内、外推杆退回并使刀刃回到起始位置。
 
图9 利用离心力致动的加工气门阀座和导管孔的专用刀具(Mapal 公司)
图10 加工变速箱体的专用刀具