淺析車床類通用刀具的應用系統工程與可調刀具技術與工具系統的發展動向

甘肅火電工程公司 范亞炯，甘肅蘭州通用機械廠 丁亦

我國已成為世界加工廠，但并未完全摒棄加工模式的外延發展之路。機加工行業資源利用強度仍不高，不同程度地存在人力、物力資源浪費嚴重的現象。刀具改革的呼聲與日具高，所以應面對我國通用刀具的使用現狀，系統分析、研究其存在的應用工程上的系列問題與便于實際運用的可調刀具技術與工具系統的發展動向，才能有效指導我國機加工復雜局面良好運作。

1.當前通用刀具的使用與市場狀況

1.1.使用狀況與問題

我國機加工行業的大多數中小企業，仍廣泛使用的車床類通用刀具，包括焊接刀具（統計資料表明約占總數的三分之二強）、機夾刀具都是不可調刀具。而適用于大批量生產的通用、標準化的可轉位不重磨刀具，甚至數控車床、加工中心使用的刀具，除所采用的可轉位刀具結構的比率和刀體制造精度、強度較高外與普通車床所使用的刀具區別不大。由于刀具結構尚是上個世紀傳統刀具的老標準，刀頭和刀柄的結構與技術未有效集成、使用性能單一，不符合現代生產快節奏的需要。機加工行業對刀具可調、可調換與可重磨的集約化需求十分迫切，但加工條件復雜、品種變化多樣、工序集中并盡量復合化的刀具應用工程的系列問題得不到具體的技術指導、廠家的相關服務工作基本脫節或不到位。

1.2.可調刀具的技術內涵

所謂刀具幾何參數可調、刀片可調換與可重磨的集約化需求，實際是刀頭、刀桿及其接口功能與刀頭原配件和刀片接口技術的有效集成，能滿足刀具切削部分在三維坐標系內作有限延續與變化，能滿足高效可靠切削的具體要求，因而不僅要求刀片與刀槽結合強度高，而且要求刀片有能隨刀頭繞其刀桿中心線作有限往返運動的可靠功能。因為調整刀刃主偏角且κ γ＜90°時，刀片上下夾持面可能發生橫向傾斜；在刀片調換與重磨后，刀片夾持后刀面斜角也可能變化，所以又要求刀片壓板有可靠的能雙向同時夾緊的隨機性能，因而要求與其尾部接觸的擋板前端結合面有相關的配合功能；同時要求刀片刃口在背吃刀矢量方向和主運動方向有一定的往返功能，即能調換、調整因內接圓直徑、厚度變化，在一定范圍內，刃口幾何參數相近的可轉位刀片的需要；由于刀片需根據切削合力與主切削力的夾角（19°－65°）1的規律伸出刀臺一定尺寸，與刀墊、刀臺共同形成可調整主偏角的變截面組合梁，所以能滿足調整前、后角操作的可操作性與調整主偏角后的強度要求，同時刀臺下底周邊曲線也要和調整與重磨的簡便性相適應，以致左右切削是不發生干涉。總之，反映刀具硬件技術的刀頭與刀桿結構要突破不可調刀具范疇，有所創新并集成服務于刀片幾何參數可調并調換的軟功能，符合現代刀具 “三高一專”的需要。

實踐證明：車床類刀具刀頭與刀桿一體不利切削部分刃口前后、角的調整，技術含量較低，刀頭尾部與夾持部分離，并借鑒Coromant Capto及HSK等工具系統的先進技術，刀頭尾部前段為短圓錐套，后端為與其固連的圓柱套。前端短圓錐套可被固聯的后端圓柱套尾部螺紋上的細牙扣緊螺帽拉緊，則使刀頭后側面與方形夾持套前端面緊密配合，并使其前端與圓錐孔與后端與圓柱孔以小過盈配合，既起到良好的雙向定位作用，又使配合強度與可靠性進一步加強。且在車床刀架加持力與切削合力的作用下，在彈性極限內可形成一定的光滑非圓表面接觸的結合形式（型面結合），以保證刀頭有繞刀桿中心線有限往返旋轉，且在加持受力后有較高穩定性、可靠性和切削的高精度。只要刀頭與刀桿可調技術接口合理、刀具刃口前角ro、后角αo、主偏角κ r的初始角度和調整幅度選取得當，后刀面的不重磨或適量重磨不僅能提高和擴大刀具的工藝加工性能和效益，也能減少因主偏角κ r和法后角αn而不同的可轉位刀具的類型和刀片的品種，能為刀具的有效運用與提高效率提供廣闊的前景1＂。因而，刀具可調、可調換與可重磨的集約化問題實際指由刀柄、夾頭和切削部分所組成的，整合一定加工條件并優化的工具體系（包括同類與不同類刀片、定位銷、壓板、調整、夾持元件及相應的刀桿與加持套等構件）。如圖所示：

這里不僅要求刀具系統能在高速下進行切削加工，滿足包括系統定位、夾持精度及刀具重復定位精度在內的較高的系統精度及剛度條件，還要求切削部分相近幾何參數的可調與刀片可轉位與可重磨的操作簡便與可靠性。因而，絕不是刀具切削部分“一刃四角”的調整所能解決的簡單問題。但問題的研究與解決大部中小企業從財力與人力資源上都力不從心，可能也是事實。

1.3.不可調刀具技術結構的不足與轉位功能的欠缺

由于不可調刀具是切削部分與刀頭固連，刀頭與刀桿固連的結構，致使其切削幾何參數系統龐大、經驗性強，系統集成并實現不同工藝系統之間的數據共享的難度較大，從而使提高加工柔性與效益只有重磨技藝的趨向，但導致大部分中小機加工企業對焊接刀具系統幾何參數的選擇普遍優化水平不高、浪費嚴重與環境污染的嚴重問題，以及可轉位刀具適應性較差的局面?？赊D位刀片及其刀具結構與使用技術充其量是在大批量生產條件下的，刃口幾何參數重復與刀片的調換技術、不能滿足大多數中小企業多品種、小批量生產可調的集約化性能，其根本原因也在于其結構不能與刀片可調、可轉位與重磨功能的相匹配。

據調查：現部分中型機加工企業擁有的各類機床可上百臺，但群鉆的運用較少、銀白屑重切削不多，重磨刀具刃口參數大多為平刃、刃口不到棱、刀尖無過渡刃的現象較普遍。數控機床和加工中心上的高檔刀具主要依賴進口產品，但高速切削用量與工藝的復合化程度卻不高，所使用的焊接刀具也占1／3左右。對于提高進給速度并采用修光刃進行的大進給加工 “Wiper”技術（即用一個短的直線或短的大半徑圓弧來聯結刀尖圓角和副切削刃，從而降低已加工表面的粗糙度的技術）不熟悉甚至不知曉等，都說明了通用不可調刀具加工技術結構的不足以及可轉位刀具功能欠缺的系統缺陷。

2.可調式刀具技術與工具系統問題

將上述車床類通用刀具的應用系統工程問題提到議事日程，并結合現代切削刀具的各種先進技術，開發先進的可調式刀具技術與工具系統不失為一種加快刀具科學發展的模式。 在一些大型機械廠，先進的能用于各種機械加工的Coromant Capto及HSK工具系統在精加工部門不見運用，似乎說明加工中心的刀具選配僅以滿足加工點的需求為目的，不考慮刀具的實用性即可調性和可代用性，系統性不強、適應性不高再先進的刀具也難以普遍推廣。

2.1.刀具系統參數及系統剛度的調整優化的必要性

2.1.1.刀具系統幾何參數與系統剛度的調整及單一工藝性能的局限

我國先進的機加工企業，通過進一步提高切削參數來提高生產率的潛力可能已十分有限，應重視進一步提高優化動態刀具幾何參數，盡可能提高減少輔助工時的工藝措施與辦法的科技含量。因而，為提高加工工件表面光潔度、減緩刀具磨損、并提高刀具使用壽命、選擇適宜的切削力，刀具參數及系統剛度的調整優化還是很有必要。因而，大批量流水線上的專用刀具也應突破傳統刀具單一工藝性能的局限，把多道工步組合到一道工序里，并結合專用機床開發新的加工方法，提高加工效率和精度，才能起到集約化經營的效應，所以用較少種類的刀具，滿足較多種類工件的加工要求，建立包括刀頭、刀夾、刀桿和刀座等先進技術單元在內的工具系統應是數控加工的行之有效的措施之一和市場的迫切需求，在這方面 “車床類可調式刀具簡式工具系統”（發明專利：申請號 2008100175710）的應用，初步給我們提供了有效的范例。

2.1.2.工具新材料的進一步研發與重切削

重切削、斷續切削、大進給切削的 “三高一?！保ǜ呔取⒏咝?、高可靠性與專用化 ）問題急需進一步完善解決，但不應單一追求工具新材料的進一步研發和生產。例如：重型車削加工與普通加工相比，切削深度大、切削速度低、進給速度慢。加之切削過程中工件平衡差，加工余量分布不均勻，機床某些部件不平衡等因素引起的振動，使調整加工動態不平衡的過程要消耗較多的機動和輔助工時。因而，要提高生產率或機器設備的利用率，就應從增大切削層厚度和進刀量入手，重點考慮切削用量和刀具的選擇，改善刀具結構和幾何形狀，并將刀具材質的強度特點（選用YW類刀具或細晶粒、超細晶粒合金刀具如643等。）考慮進去，才能取得提高切削用量，顯著降低機動時間的效應。

由于對刀具的剛性要求較高，結構笨重，裝卸困難的整體刀具，被拆卸靈活，動剛度滿足加工的機夾可調刀具替代就在所必然。所以，根據重切削的內在規律，將相關的不可調刀具體系進行分解，并將其結構單元，通過對應的接口實現相近幾何參數可調功能的并聯，進行綠色切削與干式切削才是提高現代刀具重切削技術含量與操作性能的一條有效途徑。過度重視可轉位刀具技術適合大批量單一化生產的先進性，不挖掘現有刀具材料的潛力與刀具性能的綜合性，只能導致資源消耗高、環境壓力大的嚴重后果。因而，“可調式銀白屑重切削刀具”的節約資源與環境友好的屬性值得深入研究與推廣。

對重切削問題，應設計與制訂 “切削圖形”的靈活性與多樣性、刀具幾何角度的合理性與可調性與系統剛度的可靠性，以保證刃口相近幾何參數隨加工條件進行調整，并充分體現切削過程的內在規律，使單一切削區功能的提高（如切削效率、精度、刀具壽命），擴大到整個自動化生產過程的效率提高，是一個不能不面對的問題。所遇到的第一個問題也是在刀具幾何參數相近的范圍內，開發先進可調刀具便于實際運用的工具系統，可能是適應重切削集約化需求的一條有效途徑。

3.可調刀具技術的服務問題

“刀具幾何參數可調不重磨歸類分析”一文，根據車床類可調刀具的特點，對其切削同類與不同類材料的幾何參數進行了系統的歸類分析，并對可調路徑給出了簡捷優化的說明，證實了實現不同工藝過程之間的切削數據共享是可能和必要的，因而，結合具體的加工條件與工藝標準，對刀具的轉位、不重磨、調換、可調性能一體化與隨機組合并提供解決方案的服務效率就高、由于能為用戶開發新刀具、新工藝作全面服務，所以也是這種工具系統的的利潤空間和技術優勢。

4.結論

中國工具行業的整體綜合實力與發達國家相比差距大是事實，但國情不同、狀況不同也是事實。以國外工業發達國家發展工具行業的模式，發展我國的工具行業肯定不適應。所以，車床類刀具必尋求新的發展發展途徑，結合能用于各種機械加工的Coromant Capto及HSK等工具系統的先進技術，面向我國制造業的主要工業部門，也面向機加工行業的大量中小企業，加大對刀具應用系統工程系列問題的的研究，開發可調式通用刀具與工具系統技術，將是走集約化、綠色化的科學發展之路，提高刀具技術、加工技藝科技含量與效益，并符合市場需求的有效選擇。