可调式精密镗头
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可调式精密镗头可以用一把镗刀加工出多种不同的孔径。
精密镗孔加工可能比较费时,但却能达到很高的尺寸精度和良好的表面光洁度。如果对孔的精度和光洁度要求不高,采用粗镗加工可能就足够了。
BIG Kaiser精密工具公司主管销售和产品设计的副总裁Jack Burley解释说,“采用精镗加工的主要理由是基于对精度的考虑。如果尺寸公差范围小于±0.127mm,我们通常就会建议采用精镗加工。而且,精镗不仅能保证尺寸精度,还能获得非常好的表面光洁度。”
据Komet美国公司产品管理经理Donato Pigno介绍,精镗加工能达到的表面光洁度为Ra0.4-3.2µm,与此相比,粗镗加工的表面光洁度为Ra3.2µm以上,钻削加工的表面光洁度为Ra6.3-12.5µm。
零件设计者有许多理由要求零件上的孔具有良好的尺寸精度和表面光洁度。通常,用于安装轴承、密封件或转轴的孔都需要进行精加工。一些常见的零件(包括大型柴油发动机的连杆和汽车发动机的缸体)上也有精密孔。
虽然还有其他类型的精镗刀具,但本文的重点是介绍用于立式或卧式加工中心的可调式精密镗头。这种刀具的最大优点是可以覆盖一系列孔径尺寸。一个加工车间几乎不可能为所有可能需要加工的孔径尺寸都储备各自的镗孔刀具。而且,选择这种刀具在成本上也很不划算,即使一把固定尺寸镗刀的价格比可调式镗头更便宜。用于加工小直径孔的可调式镗头起价约为1,000美元;而加工大直径孔的可调式镗头起价约为3,000美元。
BIG Kaiser的Burley表示,“从实用的观点来看,我们不仅希望知道用户需要的镗头尺寸,而且还希望了解这些镗头的加工条件。如果我们知道用户主要从事小批量加工,就会建议他们采用对其他孔径和孔深具有最大程度加工柔性的镗削系统。”
精镗刀具获得加工柔性的另一种方式是采用独立刀片。肯纳公司的钻削产品高级经理Thilo Mueller解释说,“精镗刀具,尤其是基于ISO或ANSI车刀片的精镗刀具,可以不受镗头制造商的限制,你可以在镗头上安装任何标准车刀片,因此,你可以总是使用最新型的车刀片。”

图1 用于小直径镗头的可调式刀片夹持装置可以预调到需要的孔径,然后用镗头进行精细微调

图2 山特维克可乐满用于精膛大直径孔的CoroBore XL 镗削系统在镗头的一边设置了配重。

图3 Kaiser公司的EWB系列镗头能自动调节不平衡量,适合以高于20,OO0r/min高速加工

图4 与传统的拨盘和游标读数相比,数显读数可以减少孔径调节的出错机率

图6 用Komet 公司的Komtronic精镗系统镗削发动机缸体

不同规格的镗头

根据加工孔径的不同,镗头的型式也各不相同。对于直径小于25.4mm的孔,镗头体积太大,无法进入孔内,因此,加工时镗头留在孔外,在镗头上安装一根带有一枚刀片的细镗杆,伸入孔内进行加工。镗头调节加工直径时,镗杆和刀片从中心线向外或向内作离心移动(图1)。
加工中等直径孔(如25.4-200mm)的镗头上装有能进入孔内的刀片夹持装置。刀具的主体部分始终位于中心线上,不会离心移动。在镗头调节加工直径时,只有刀片夹持装置向外或向内伸缩。
用于加工大直径孔(200-1,000mm)的镗头在调节直径时,整个镗头都能离心移动。镗头、刀片夹持装置和刀片都位于中心线的一边,为了保持平衡,需要在另一边设置配重(图2)。山特维克可乐满的行业及加工专家Brent Godfrey说,“镗削大孔径时,需要采用桥式机架和加长滑轨,镗头则装在滑轨上。如果你想把孔径加大1英寸,就要将滑轨向外移动大约1/2英寸,同时配重也要向外移动1/2英寸。”

孔径的精确微调

为了精确调节到需要的孔径尺寸,可调式镗头采用了刻度值为微米的微调螺丝或转盘螺丝。当用六角扳手或用手使转盘前进或后退时,它就带动刀片夹持装置与其一起移动。一般来说,镗头调节直径的增量在0.013mm以内,这对于大多数加工已经足够精确了。有些带游标刻线(一种二级刻度尺)的镗头直径调节增量可达到0.0025mm。还有一些镗头的直径调节增量更小——例如,可达到0.002mm。
BIG Kaiser公司的EWB-UP超精密镗头的直径调节增量为0.0013mm。一家为航空和国防工业高速加工精密铝合金零件的用户表示,当加工孔径总的尺寸公差仅为0.0076mm时,采用直径调节增量为0.013mm的精密镗头已无法满足加工要求,因此必须采用EWB超精密镗头(图3)。
许多刀具制造商还提供具有数字显示功能的镗头。HORN美国公司销售经理Duane Drape介绍说,该公司的URMA精密镗头上仍然有调节装置,但在镗头的另一边嵌入了一个数显屏,使操作者可以更方便地读数和了解正在调节的孔径大小。一旦完成了正确的孔径尺寸调节,利用一个锁紧系统,可以防止孔径尺寸在镗削过程中发生变化。一般的操作步骤是:操作者先拧松锁紧螺钉,用转盘调节孔径尺寸,然后再拧紧锁紧螺钉。
BIG Kaiser公司的EWN 2-54D数显式精密镗头的加工孔径范围为2-54mm,能以20,000 r/min的主轴转速进行加工。该镗头采用整体式液晶显示屏,可实现一键式操作(图4)。
为了提供无线数显功能,Komet公司的MicroKom BluFlex精密孔径调节系统采用了蓝牙技术。显示屏与镗头分离,使读数更加方便,用户可以将外部显示单元安放在机床附近的任何地方。

深孔和高速加工用镗头

当孔深增加时,镗削加工的难度也随之加大。HORN公司的Drape说,“如果孔的深径比超过了4∶1,我们就建议采用某种类型的增强型夹持装置。如果深径比进一步增大,就应该采用综合消振系统,以消除由此引起的共振。”
大多数镗头制造商都可以提供用于有效镗削深孔的模块化系统(图5),如能接长镗杆的加长接头。山特维克可乐满的Godfrey说,“这种模块能提供很大的拉力,有助于减小刀具变形和径跳误差。”

图5 山特维克可乐满的CoroBore 825精镗系统可调节到多种孔径,其联接机构设计整合了一种椭圆形界面,有助于吸收切削力
对于大直径深孔加工,镗头制造商提供了铝合金接头,以减轻其重量。为了减轻加工负荷,镗头也可以采用铝合金制造,这对加工任何深度的孔都适用。
在以大约4,000 r/min或更高的主轴转速高速镗削时,为了保持加工精度,通常需要对镗头进行平衡。BIG Kaiser的Burley说,“平衡是指纠正因切削刃偏离中心线向内或向外移动造成不平衡而产生的力。这种不平衡引起的力往往会造成孔形不圆,或使刀具高速旋转时产生振动。”
大多数可调式镗头都采用自动综合平衡方式。刀片夹持装置位于中心线一侧,配重位于另一侧,当调节刀片一侧位置时,配重一侧也自动随之调整。
精密镗削通常要求在控制加工余量的情况下,采用小切深加工。如果加工余量超过了推荐值,可能会因为刀具切削力增大和进给量减小而损害加工表面光洁度。Komet公司的Pigno推荐,精镗钢件时,加工余量为0.05-0.38mm;精镗铝件时,允许的最大加工余量可到4mm(图6)。
对于许多精镗加工而言,无论是加工相对较软的材料(如铝),还是加工相对较硬的材料(如工具钢),采用具有恰当切削刃圆弧半径的镗刀片至关重要。通常,精镗加工需要比较锋利的切削刃。山特维克可乐满的Godfrey说,“锋利的刀片适合精镗加工,因为它们产生的切削力较小。由于精镗是采用小切深切削,由此加工任何材料,无论是铝、耐热合金,还是钢和铸铁,都适合采用锋利切削刃。”
对于深孔精镗,圆弧半径很小的锋利刀片可以减小切削刃的受力,从而减小刀具变形和振动。
BIG Kaiser的Burley指出,另一方面,在稳定的加工条件下精镗浅孔时,采用圆弧半径较大、切削刃较钝的压制刀片,以较大的进给量进行加工,也能获得较好的表面光洁度,同时还能提供更长的刀具寿命。他说,“由于刀具的长度很短,很难进入振动模式,因此刀具可以承受更大的切削力,而不容易挠曲变形。”
在精镗加工中,切屑流的控制至关重要,加工深孔时尤其如此。理想的切屑非常细小,并能随着冷却液迅速排出孔外。一些粘性较大的材料(如不锈钢和低碳合金钢)不容易碎断为细小切屑,并可能形成一个“鸟巢”。如果加工余量不太大,这种切屑“鸟巢”通常不会造成太大问题,也不会缠绕在刀具上,加工通孔时,它通常会向前移动并掉出孔外;加工盲孔时,则会随刀具一起带出孔外。如果排屑存在困难,可以用压缩空气辅助排屑。
Burley说,“不过,在最坏的情况下,可能会形成细长的带状切屑,并缠绕在刀具上。这种情况表明,需要对切削条件——断屑槽、加工余量、进给率、冷却液等——进行某种调整,因为这种切屑往往会损害孔壁表面光洁度。”
另一个影响表面光洁度质量的因素是刀片的磨损。肯纳公司的Mueller指出,“当表面光洁度质量下降时,你就需要考虑更换镗刀片。因为精镗加工不需要切除大量材料,因此你不会观察到像使用其他刀片时那样明显的磨损特征。”

链接:用于闭环加工的精镗系统

有两种精镗系统可用于闭环精镗加工:一种是机械式精镗系统,另一种是电子式精镗系统。在闭环加工系统中,机床能够对加工过程中某一时间点的新输入做出响应,因此,这种精镗系统能够以自校正方式利用测量数据,对机床提供新的加工指令。

图7 用于小直径镗头的可调式刀片夹持装置可以预调到需要的孔径,然后用镗头进行精细微调

图8 AdiveEdge大尺寸镗刀及刀夹(图右)
肯纳公司的Romicron闭环精镗系统(图7)是通过机床内部的CNC控制系统来调节孔径。该系统可以加工出孔径尺寸精度仅为几微米、重复性精度仅为十分之几微米的精密孔。除了孔径测量装置以外,这种系统是全机械式的。
Romicron闭环精镗系统包含一个装在机床主轴上的、带转盘的套筒式刀具夹头。在加工完一个孔后,系统对孔径进行测量,并将测量数据输入机床CNC系统。CNC系统对孔径测量值与设定值进行比较,如果孔径尺寸在设定值公差范围以内,机床就继续加工下一个孔;如果测量值与设定值不符,软件就会计算出孔径修正值(由调节环转动时的“咔嗒”响声数表示),并命令刀具利用转盘调节环上可伸缩的、弹簧加载的锁定销进行孔径调节。
肯纳公司的Mueller解释说,“锁定销位置由机床确定,机床可将刀具移动到销子所在位置,并与销子接合,从而锁定调节环。机床利用该销子锁定调节环,并带动整个刀具旋转。机床知道,每一个‘咔嗒’声代表调节环转动3.6°,或刀具径向位移1µm,调节环转过360°一整周,‘咔嗒’声共响100次。几乎每台有自动换刀机械手的机床都具有主轴角度控制功能,即机床知道主轴在某一时刻的转角。”
Romicron闭环精镗系统主要用于大批量加工。Mueller说,“一般来说,加工车间需要有较大的生产批量,使用该系统才有意义。这样,他们就可以根据被加工零件数来进行加工编程和孔径调节。”

主动式尺寸补偿

英国Rigibore公司的Active Edge闭环精镗系统采用了无线射频技术,可在机床附近任何位置对刀具进行微米精度的遥控尺寸补偿(图8)。
虽然大多数精镗刀具都采用单点切削,但Rigibore的关注重点是专用刀具。该公司总裁Anthony Bassett表示,“我们主要制造非标镗刀,我们可以在特定位置设置多个切削刃,制成一把可高效镗削特定零件的专用镗刀,与采用一组标准镗刀分别加工该零件相比,专用镗刀能节省大量加工时间。例如,如果你要在一台机床上加工一个有三种不同直径孔的箱体零件,我们能够用同一把镗刀,在同一次走刀中快速加工出所有三个孔。”

图9 ActiveEdge精镗系统的闭环控制原理

图10 将刀具预调仪纳入闭环制造单元
Active Edge闭环精镗系统(图9)采用一个整体式控制刀杆架为刀具提供电源,该刀杆架位于刀柄附近,内装两个可更换电池组、无线发射器硬件和电子控制装置,可对最多8个单独的切削刃进行控制,每个切削刃都能分别进行尺寸补偿。
为了将该镗削系统整合到制造单元之中,采用了Active Edge界面装置(AEI),它可以处理CNC数控机床与刀具之间的所有无线通讯。测量装置对孔径进行检测后,将测量数据记录在机床CNC控制系统中,然后将相关信息传送给AEI。如有必要,AEI就会向刀具发射一个射频信号,指示其移动多少微米,刀具进行尺寸补偿后,机床就可以继续其加工循环。
AEI还可以通过标准网络与一台刀具预调仪相联,使预调仪可以直接访问镗刀的尺寸补偿功能(图10)。利用射频识别(RFID)扫描能力,在更换刀片后,镗刀上的切削刃能够自动调整到要求的孔径尺寸。
Bassett说,“镗孔一直很难实现自动化加工或‘熄灯’加工,因为要求加工中必须改变刀具尺寸,而只有专门设计的机床才能做到这一点。但是,我们的镗削系统可以在标准型CNC数控机床上实现这种功能。”
本文作者:张宪(编译)
原载:《工具展望》2010年第4期
上载于:2013-3-25 21:51:41

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