刀具夹具.doc

1、大余量毛坯孔的加工工艺与刀具设计1 问题的提出 在我厂“前后桥壳体加工两端定位孔镗车床技术改造”项目中，要求加工两端孔至尺寸 60，孔口倒角 430，表面粗糙度 Ra12.5。工件孔为铸造底孔，工件材料 ZG270-500，硬度HB143。原定单边加工余量 5mm，而实际由于毛坯质量差，铸造孔偏心严重，加工余量极不均匀，单边余量最大为 9mm，最小为 1mm)，给定位孔的加工带来很大困难，加工废品率较高。我们通过“前后桥壳体加工两端定位孔镗车床技术改造”项目对此进行了攻关，通过不同加工方案的对比，选择钻扩孔工艺并设计了专用扩孔钻，解决了该大余量孔的加工难题。2 镗孔工艺根据工件的加工要求，可选

2、择三种镗削方案。在一根镗杆上安排粗、精切镗刀来分担余量的切除，镗孔后再倒角。为了不影响生产节拍，两把粗、精切镗刀需同时工作。由于孔径只有 60mm，孔深65mm，因此镗杆直径最大不超过 46mm，镗刀杆最大截面尺寸为 1414mm，压紧螺钉最大直径为 M8。由于是在镗杆上钻孔及攻丝，进一步削弱了镗杆的刚性及强度。而镗削余量的不均匀分布使得切削力很大，两把镗刀同时工作使机床功率不足，因此不可避免地要引起切削振动，无法满足工件加工精度和表面粗糙度要求。在同一根镗杆上安排粗、精切镗刀来分担余量的去除：用第一把镗刀先镗去 56mm 的余量，再用第二把镗刀镗去剩余余量，最后用倒角刀加工 430的倒角，但

3、其中任何两把刀都不得同时工作。采用该方案虽然可降低切削力，但镗杆长度增加了两倍，造成镗杆刚性不足；同时单件加工工时也增加了一倍，保证不了生产节拍。安排两台机床，即增加一台半精镗床来分担余量的精加工。该方案虽可解决问题，但工件加工成本太高。此外，由于工件为铸钢件，其切屑呈连续状，因此加工过程中的排屑也是一个非常重要的问题。而采用镗孔工艺，镗杆与工件孔壁间的空间很小，在卧式镗床上加工时切屑易堵塞在镗刀切削刃附近，所以经常出现打刀现象。3 扩孔工艺由于扩孔钻在钻削时是四个齿同时参加切削，切削过程中其切削力可相互平衡，在相同的切削进给量下，扩孔钻每齿的切削余量是镗刀的四分之一，每齿切削负荷大大降低；扩

4、孔钻的整体刚性远大于镗刀，刀具的耐用度也大大提高；此外，扩孔钻带有螺旋槽，有足够的容屑空间，加工过程中切屑能顺利沿螺旋槽排出，可满足工件加工精度和表面粗糙度要求。因此，在相同的加工余量下，只要机床的刚性有保证，采用扩孔工艺的效率远远高于镗孔的效率。扩孔钻设计，结构特点扩孔钻有整体、镶齿、套装等多种形式，应根据不同使用情况进行选择。针对本工件的加工条件，我们选用套装式扩孔钻，刀具用一个 M16 螺钉压紧。该刀具具有以下优点：刀具能承受较大切削载荷。套装扩孔钻采用芯轴定心，由端面承受切削载荷、键传递扭矩，因此在较大切削载荷下不会出现刀具打滑现象。刀具长度小，重量轻，制造简便。刀具易于调整，装卸方便

5、。扩孔钻的切削参数选择考虑到铸件孔偏心严重，其单边的加工余量大于工艺要求的加工余量，因此选用刀片宽度大的车刀刀片，扩孔钻端面上开有端面刃和切削倒角刃。倒角刃起主要切削作用，切去大部分余量；端面刃起辅助切削作用，分担孔偏心造成的余量(最大达 9mm)。由于主切削刃的几何参数、刀体容屑槽尺寸等都会影响被加工孔的精度和表面质量，因此应慎重选择。主偏角主切削刃偏角应根据工件的切削性能来定。主切削刃偏角的大小，不但影响切削层的厚度，也影响扩孔时的切削稳定性和孔的直线度。加大主切削刃偏角，使孔的直线度变好，对预制孔的直线度有校正作用，但随着主切削刃偏角的增大，切削厚度随之增大，切削刃入孔时的导向性和稳定性

6、将变差。所以，扩孔时一般采用较大的主切削刃偏角。前角由于工件材料为灰铸铁，刀具取 0前角，既便于刀具制造，又能增强切削刃刚性和切削刃的容热性能，可显著提高刀具寿命。后角刀具的后角主要应满足减小后刀面与已加工表面摩擦的要求。取 12后角，既能保证切削刃的锋利，又可满足切削刃的强度要求。螺旋角和容屑槽为了校正预制孔的不精确度以得到精确的孔径，扩孔钻的螺旋角不能太大，取 10。考虑到容屑和排屑的需要，钻头上除了开有螺旋槽外，在刀具端面上还开有倒角刃容屑槽和端面刃容屑槽，以保证足够的容屑空间，避免因切屑堵塞而打刀。切削用量的选择切削用量对切削加工效率、刀具耐用度、加工质量都会产生影响。经现场调试，确定

7、转速 n=200r/min；切削深度 ap 根据加工余量确定，要求一次走刀切除全部余量，根据最大单边余量选 ap=9mm；由于工件底孔为铸造孔，有硬皮、夹砂等缺陷，同时工件加工余量大且余量不均匀，为减小冲击和热应力，选用较低切削速度，取 v=37.5m/min；综合工件材料、工件直径、刀具刚性等因素，根据经验选取进给量 f=0.4mm/r。加工效果在选择扩孔工艺加工上述工件的试验中，由于工艺方案选择正确，在工件的调试切削中，机床运行平稳，完全避免了主轴的震动，使得机床的现有刚性和强度完全满足工件的加工工艺要求。虽然铸造孔偏孔严重，但扩孔钻切削轻快，切屑排出流畅，孔的加工表面粗糙度和精度均达到要

8、求，且使用中产品质量一直很稳定，机床调试验收一次成功，完全达到预期的效果。刀具选择的效率原则和精度原则在金属切削加工中，刀具选择几乎是每一个工艺工程师必须面临的问题。刀具选择要考虑许多问题，相应地就有许多原则，如效率原则、加工精度原则、稳定性原则、经济性原则等等。首先谈一下效率原则。效率原则其实与其他原则不可分割，尤其是经济性原则。要求效率的主要目的就是保证整个加工的经济性。但效率特别重要，所以把它独立出来，单独讨论一下。效率原则首先是在保证可接受的加工精度和可接受的稳定性前提下的效率。没有这个基本条件，效率无从谈起。就像一般希望一般的交通工具(譬如汽车)能够给一般带来更快的速度，但安全是第一

9、位的。一旦有飞机失事后，许多人会慎重考虑是否真的继续选择飞机出行，航空公司也会重新审视已有的安全策略。没有安全，飞机就不会成为首选的交通工具。刀具的选择同样如此。其次，一般也不会在所有的条件下都强调效率，追求效率有一些约束条件。一个零件加工效率的提高需要与其他零件的效率相适应，一个工序的效率提高更需要与其他工序的效率相适应。如果忽视这些约束条件，一味追求效率，会吃力不讨好。就像上海到北京的火车，现在晚上 8 点左右发车，第二天早上 10 点到达。如果能够提前到 8 点到达，也许最受欢迎；但如果提前到 6 点，也许受欢迎程度反而下降。因为列车员会在到站前提前一个小时甚至两个小时整理旅客床铺，早上

10、 4 点或 5 点起床大部分旅客不会太乐意的。工厂也是如此，尤其在流水线生产条件下更是如此。一般需要解决的是整个流水线中的“瓶颈”工序。只要提高了这个工序的生产能力，就能够提高整条生产线的生产能力，提高整个产品的生产能力，缩短制造周期，这是许多企业所期望的。而单机或柔性制造系统的需求又不一样。他们所受的约束较少，即与其他工序的相关度较小。由于柔性化，某个零件或某个工序制造周期的缩短常常意味着能够使该设备投入其他零部件或其他工序的生产，从而创造更多的效益。一般认为在市场竞争日益激烈的今天，企业对工艺工程师的期望已经不是解决简单的工艺问题，而是期望工艺工程师们能对企业有更大的贡献度。如果一般的工艺

11、工程师能从企业全局出发，为企业改进制造流程作出贡献，一定会获得企业主的首肯和赞许。就国外现代金属加工企业调查的数据，刀具本身在制造成本中所占比例并不是很高，通常在 2%4%之间，高的会到 7%左右。但刀具对加工效率的影响却非常巨大。20 多年前一般参加机械部组织的“2000年机械产品振兴目标研究”时接触的一个观点给一般留下了极其深刻的影响，10 年外企的工作经历，使一般对这个观点有了更深刻、更具体的感受。那就是所谓一台几十万美元的设备能否发挥应有的作用，常常取决于一把几美元的刀具。一般曾经得到过的一个成本分析实例表明，减少 30%的采购价格(指刀具性能没有任何改变)或延长 50%的刀具寿命(通

12、常需要依赖刀具制造者的技术进步)都只能降低制造成本 1%左右因为刀具成本只占到制造总成本的 4%。但如果加工参数能提高 20%，大约可以降低 15%的制造成本虽然如果切削速度提高20%，刀具成本会提高 50%，但因为加工周期缩短，总成本还是有大幅度的下降。一般曾经拜访过一家上海的模具企业。这是一家技术曾经非常领先的企业，一般家保存的一块机械部质量信得过奖章的模具就是他们做的。但当一般成为一家国外公司的刀具销售工程师前去拜访的时候，他们已经日薄西山，没有什么竞争能力了。一般走进他们的车间，眼前的一幕使一般震惊。他们进口了价值几百万人民币的德国马豪公司的 5 轴联动加工中心，却在这些加工中心上使用

13、价格极低、效率同样极低的高速钢铣刀进行加工。一般仿佛看到了他们衰落的问题所在，当然可能这不是惟一的原因。加工理念和管理理念的落后，导致他们的生产效率低下；高昂的设备折旧，又使他们的制造成本完全没有竞争能力。因此，从这点上说，如何选择刀具，是否重视加工效率，也许就关系着企业的生死存亡。除了加工效率原则之外，刀具对加工精度的影响也是需要考虑的，尤其是在精加工等加工精度、表面质量要求比较高的应用场合。在粗加工的条件下，一般一般都会采用效率优先原则。在这一阶段，快速去除工件毛坯上的加工余量，快速接近工件完工尺寸的“净尺寸”状态，是一般考虑刀具选择及加工参数的第一要素。但在精加工的条件下，情况会有很大差

14、别。精加工时一般应该采用精度优先原则，即首先保证加工的尺寸精度、表面粗糙度和表面质量。现在一种典型的优先考虑保证精度的刀具被国外许多刀具厂商所青睐，这就是接近完美 90主偏角的立铣刀。从数学上可以得出，如果用一个平面(对刀具而言是前刀面)去截一个圆柱面(理想的切削刃绕刀具轴线所形成的表面)，只有在该平面包含圆柱面轴线(即刀具轴向前角为零)时，其截交线才会是一段直线。但这时刀刃受力通常不理想，常常需要用一个正的轴向前角来改善刀具的切削性能。但这样一来就产生了回转面的形状精度问题：一根交错的直线(切削刃)绕刀具轴线回转所产生的不是圆柱面，而是双曲面。只有切削刃成为椭圆的一部分时，它绕刀具轴线回转的

15、结果才会形成圆柱面。于是国外一些刀具公司先后开发了这样的刀具：肯纳金属的称为 Mill 1，山特维克可乐满的称为 R390，而瓦尔特的则称为 F4042。这些刀具的本质都是一样的，它们用一段曲线形的切削刃来构成接近完美的圆柱面。虽说不同直径的铣刀应该有不同的曲线，而刀片生产的经济性要求又不允许这样做，各厂用在不同直径上选用不同轴向前角的方法来改善其中的差异。这种产品开发的思路值得国内厂家好好学习。研究用户的需要，分析目前存在的问题，进而想方设法去为客户解决这些问题，是企业不断创新、不断进步、不断满足客户增长的需求的有效手段。还有一些刀具是经过改进，能够一次加工达到最终质量要求的。也就是在原本用

16、于粗加工的刀具上引入精度改进方案，从而使一次加工获得更好的精度和表面质量。车削用的 Wiper 刀片和铝合金钻孔用的三刃钻(如肯纳的 TF 钻)都是这样的例子。如果采用相同的进给量(如 0.05mm)，传统刀片加工的表面粗糙度比 Wiper 刀片的可高出 5 倍。这样加工精度得到了保证，许多时候甚至可以以车代磨。弹簧夹头弹簧夹头的优点弹簧夹头非常适合小直径的工件加工时候采用。弹簧夹头装夹工件时间很短，可以实现快速上下料。弹簧夹头的更换时间很短，可以实现快速更换不同尺寸的夹具。弹簧夹头相对于卡盘来说，装夹精度更高，调头加工时同心度保持更好。对于异型和可镗式弹簧夹头来说，比卡盘更加节省成本，灵活性

17、更高。在内插式主轴结构的机床上，弹簧夹头能提供最短的切削力臂，从而比卡盘有更大的加工空间和加工刚性。弹簧夹头是包络式夹紧，可以更好的保护工件表面，且提供更佳的切削扭矩。在小批量和多种任务的加工场合，弹簧夹头的优势与产品转换时间有关，标准卡爪卡盘的卡爪调换约需 15 至 20 分钟，专用于快速更换的卡爪卡盘需要1 分钟，而快速更换弹簧夹头的夹头调换只需要 15 至 20 秒，在产品变换频繁时，节省的时间累计起来是可观的。当加工批量大时，可同样累积所节省的与夹持有关的时间，弹簧夹头所需的开合时间比卡爪卡盘的少，通过减少从一个工件转换至下一个工件的非切削时间，削减加工循环时间。弹簧夹头开合更快的部分

18、原因是它的驱动冲程较短，与卡爪卡盘相比，弹簧夹头所适用的工件尺寸范围更为有限。装有第二主轴的车削机床经常用于各种大批量加工，在这些应用中，弹簧夹头可显著的节省加工时间。它们可以一次装夹从而加工零件的所有加工面，这些机床常与棒材进料器组合在一起，实现无人值守生产，连续加工工件。在这些应用中，对一个工件而言，所节省的夹盘驱动时间可能是很少的，但在整个生产过程中，每个工件节省时间与加工工件数相乘，累计起来所节省的时间是很可观的。当人们在卡爪卡盘和弹簧夹头之间选择一个最合适的工件夹持装置时，考虑第三个选项也是重要的。在许可的情况下，保留两种夹具，从一种更换至另一种可能是最具成本效益的方案。从卡爪卡盘换

19、到弹簧夹头，或反之亦然，通常不超过 20 分钟。卡爪卡盘可保留在机床上，以处理零件范围不确定的情况。但当机床加工大批量工件，或几批尺寸一致的零件时，采用弹簧夹头所获得的生产力提高，大大超过更换夹具花费时间造成的生产力损失。实际上，弹簧夹头的速度是有弹性的，如果工件尺寸是一致的，弹簧夹头的速度会更快。如果工件尺寸的变化大，可能需要采用卡爪卡盘以适应尺寸范围宽的加工工件。材料类型对于热辊轧钢材、锻件和模压件，标准卡爪卡盘往往功效较好，因为所有这类零件具有固有的直径变化。另一方面，冷辊轧材料零件往往具有较好的尺寸一致性，因此，适合选用弹簧夹头。然而，缺乏一致的直径测量值不一定构成采用弹簧夹头的障碍，

20、可提供设计用于非圆横截面的夹头，用于夹持制成客户所需形状的模压棒材。 工件尺寸弹簧夹头非常适合直径小于 3 英寸的工件采用。刀柄技术刀柄技术 获得正确的平衡 设计工程师有吃力不讨好的工作。他们永无止境地花费精力去约束公差和提高精度来同失效和停机作斗争。他们连年累月地提高设计精度到 1 微米左右。他们是完美注意者。 但是当刀具没有恰当平衡时他们的彻底认真和密切注意细节产生浪费。使用不平衡的刀具加工零件和射击自己的脚相近似。刀具在执行设计任务后会出现正常磨损。但是，设计用来执行那个任务的刀具假定是经过很好的平衡。如果你使用一个未平衡的刀具做这个活，你正引入新的磨损水平，不仅是刀具和主轴而且对要执行

21、的零件。不平衡能产生几个影响：它能引入主轴及其部件额外的振动，它会不规则地磨损刀具，它能减少刀具的寿命并降低完成产品的质量。 校正不平衡 刀柄不平衡的主要原因是：刀体里有缺陷，刀具设计欢猿疲 毒呱纤 械牡鹘凇率瞪希忝恳淮蔚鹘诘毒撸 还艿鹘诹慷嘈。 惚匦朐谑褂弥 霸僮鲆淮纹胶狻?br正确平衡的刀具能显著减轻噪音和振动，这使得刀具寿命增加而且零件精度一致性更好。离心力以速度平方成正比的关系放大不平衡引起的振动。由此造成的振动增加使轴承、轴瓦、轴、主轴和齿轮寿命最小化。另外，如果你不去平衡刀具，会冒主轴制造商质保作废的风险。很多质保特别指出质量保证仅在有足够证据表明机床上使用的刀具正确平衡时才有效。

22、在这个方面，刀具平衡能引起巨大的节约。 在平衡刀具之前，你需要测量不平衡量的大小和每个选择的校正平面的角度位置。在两种通用型式的平衡机上测定这些变量：不旋转式或重力机用于测量单一平面（静止的）不平衡，而旋转式或离心机用于测量单一平面和/或两平面（动态）不平衡。 在正确的平面测定不平衡量的大小和角度后，你能通过从工件增加材料或去除材料的办法进行校正。对于不是刀具的组件，最广泛使用的材料添加方法是在组件上焊配重。对于轻微的不平衡量的组件的其它办法有在组件体上增加焊料或在预钻孔增加重量。 对于刀具，当你测定的不平衡确定必须去除材料才能获得正确的平衡，最容易和最有效的方法是钻削。这是一种快速的调整，而

23、且材料去除量能精确控制。另外一个选择是铣削，它是平衡薄壁刀具或强制需要浅切削场合最有效。 理论上，完美的平衡在平衡刀具时是可以获得的。在现实应用里，因为成本的考虑和刀具的限制，完美的平衡仅在十分幸运时达到。因此，精度等级必须设置成允许一定量的把有害影响控制在一个可接受水平的残余不平衡。在 ISO1940里给出的精度通常产生满意的结果，但确定你实施的标准适合要平衡的刀具。例如，和刚性负载螺旋桨相比，机床将很明显地使用不同的数值。 刀具选用和维护 刀具平衡不只是测量不平衡量和增加或去除重量。刀具选用至关重要。短的分量轻的刀具容易平衡到很好的精度，而大型的重的刀具要困难得多并有产生很大振动的倾向。你

24、也能通过选择已做过预平衡或预加工到最小不平衡的刀柄来节约时间和削减成本。 更进一步你可以通过常规的维护和仔细的处理来减少必须平衡的数量。刀柄的任何表面损坏将影响平衡和同心度。为什么？当旋转速度爬升时刀柄缺陷的影响被放大。假如你的仪器测到每分钟1000 转时可忽略的力，当转速为每分钟 10000 转时力增加 100 倍，每分钟20000 转时为 400 倍。 极好的同心度还在高速主轴下更重要，因为如果刀具不在主轴中心线上回转，它变成额外不平衡的首要因素。但是不平衡刀柄的影响在较低速度下也是明显的。小的不平衡能引起你的加工中心主轴轴承损坏的很高的力，而且连续的很大的径向力回导致轴承的早期失效和昂贵

25、的机床维修费用。 还有，要记住任何的调节（安装或去除刀具组件，旋紧螺母或任何细微的扭转或熔补）都需要某种程度的平衡。即使调节干扰刀具的平衡量仅有几克 X 毫米，这个不平衡量转化成振动的增加，引起刀具磨损加快、表面光洁度恶化和零件形位精度的下降（如镗孔时圆度或直线度的丢失）。 精度恰当=更好的平衡 除了正确的维护和处理高质量的刀柄，刀具组件正确地装到机床主轴是重要的。为获得牢固稳定的连接刀柄匹配主轴锥孔应尽可能精确。刀柄配合得好和差的区别在高速下尤其明显。你可能拥有世界上平衡得最好的刀具，但如果它没有正确连到主轴上，那你是自找麻烦。 当你认为今天出售的很多加工中心配备有最高转速 10000 转或

26、以上的主轴，你不得不推论出刀柄的质量必须和主轴的性能同等水准。它们必定是牢固的、对中心的、适当平衡的，而且没有表面损伤和污染。如果不是这样，肯定发生振动，那将产生振颤并降低刀具寿命和表面光洁度。 不是所有的刀具都需要平衡是正确的，尤其当处理过程引起成本增加和额外的步骤时。是否要做刀具平衡应视具体情况。在高速下平衡效果最突出，但是在任何速度下平衡刀具产生更好的形位精度、提高表面光洁度和延长刀具寿命。 平衡的刀具产出最佳的零件 虽然它需要一些额外的时间和照料，恰当的平衡将延长你刀具和主轴的寿命并将增加可用时间，而且为客户生产出精确的高质量的零件孔倒角刀-双面倒角示意图修边倒角刀是机械制造业中所用的

27、非标刀具中新型非标刀具，属于旋转体刀具的一种；设计科学合理，性能优越，它的出现能解决孔内端无法倒角的难题。将对机械工业中倒角修毛刺产生重要的影响。双面倒角刀能广泛应用于机械制造业各种孔的双面倒角和去毛刺；它所具备的优秀性能更适合使用在各种精密设备，数控设备，大型设备和尖端设备上各种孔的倒角与去毛刺；在军工、航空、汽车船舶工业上用的高压液压阀，气阀，电磁阀及各种组合复杂体通孔，组合孔，半通孔的双面倒角和去毛刺。它是目前市场上各种倒角刀具所不能替代的倒角刀具。ffice ffice“ /高技术枪钻系列刀具技术及应用一般钻削孔深与孔径之比大于 10 的孔，被称为深孔钻削。由于长径比较大，采用一般的麻花钻来钻削时，排屑、冷却、润滑和导向就成了难以解决的问题，孔的质量要求也很难达到。德国钴领刀具有限公司集百年专业生产孔加工刀具