導條刀具原理及實際應用

■福建工程學院 （福建福州 350118） 葉陳新

1. 舍棄式導條刀具原理

傳統的鏜孔加工都是使用單刃鏜刀，單刃鏜刀鏜孔只能達到IT7級精度。在加工過程中，切削刃受到一定的徑向分力Fp的作用（見圖1），同時刀具的對向缺乏支撐，造成加工過程中刀具產生擾曲變形，加工后孔徑與刀具的實際直徑存在一定差異，差異大小又取決于擾曲大小，即變形量a，變形量a＝徑向分力大小+刀具長度+刀體直徑+刀體剛性，因此加工中常出現圓度、圓柱度及位置度超差等問題，就是俗稱的喇叭口、橢圓、大肚子及偏心等。實際應用中多采用整體硬質合金刀柄或刀柄內設計阻尼防振機構等方式來改善，但這些都只能盡量降低廢品率，無法實現真正的穩定加工。

多刃鉸刀的加工能達到I T7級精度，其結構是把切削刃的主后刀面磨成支撐刃帶，如圖2所示，切削刃在切削的同時起支撐作用，因此在切削過程中存在擠壓，影響表面粗糙度，無法實現高效加工。多個切削刃的擠壓切削，使加工易產生星形圓度，如圖3所示，造成刀具實際直徑與測量的孔徑產生差異，而且僅刀具前端的局部支撐，無法獲得良好的圓柱度，也無法實現復雜的組合孔的高效加工。

特殊設計的導條式刀具可以很好地解決以上問題，加工后工件的孔徑公差可達H6，幾何公差如圓度、圓柱度可達2～3μm，表面粗糙度值Ra可達0.2～0.4μm。

可調式導條刀具的基本原理是為可調式刀片搭配至少兩根支撐導條，當刀片開始切削時即受到導條的支撐，抵消了刀具因切削力而產生的變形和振動，沒有變形和振動的加工就是穩定的加工狀態。如圖4所示， 當刀具切入工件時，徑向分力Fp即受到對向導條的支撐力作用， 擾曲變形量a幾乎為0。

圖1 加工過程受力分析

圖2 多刃鉸刀

圖3 星形圓度

通過對刀具導條的數量、長度和位置的特殊設計，可以解決大長徑比深孔加工的圓度、圓柱度問題，還可以解決非完整孔加工斷續切削受力不均問題，也可以解決階梯孔或斷續孔加工的位置度問題，進而達到高精度的加工要求。

可調式導條刀具的設計是將切削與支撐完全分開，切削刃完全用于切削，不再承擔支撐作用，支撐完全由導條來承擔。切削刃后角沒有支撐韌帶，刃口很鋒利，其切削刃的刃緣半徑＜3μm，切削抗力達到最小，切削時可以達到很高的線速度和進給速度，且加工后孔表面無擠壓現象，不會產生黑斑、材料微量堆積等現象，可獲得很好的加工表面質量。導條在加工中起支撐作用的同時，也對已切削表面起到再次微量滾光研磨的作用，進一步提高加工表面質量。所以可調式導條刀具在高速高效加工的同時又能獲得非常好的加工精度和表面質量。

可調式導條刀具與設備主軸的聯接采用可調整的法蘭聯接，如圖5所示導條刀具與HSK刀柄的聯接，其他形式的主軸聯接方式也可以設計成調整法蘭的形式。聯接法蘭軸向上有4個鎖緊螺釘，其作用是調整刀具的偏擺，刀柄徑向上也設計4個調整螺釘，可以調整刀具的跳動，調整后刀具在主軸上的跳動和偏擺都必須≤2μm，以保證加工精度。

圖4 刀具切入工件

2. 導條刀具的應用

現有鋁合金ADC12的摩托車發動機箱體上長徑比達到37的斷續孔φ7.9+0.105+0.09mm需要加工，如圖6所示。這樣的加工案例，通常優先考慮采用如圖7～圖10所示的可調式導條刀具的工藝方案。

工序1：用φ7.6mm整體硬質合金鉆頭鉆導引孔φ7.6mm（見圖7）。

工序2：用φ7.6mm整體硬質合金鉆頭粗鉆孔至φ7.9mm（見圖8）。

工序3：可調式導條刀具精鏜導引孔φ7.9+0.105+0.09mm（見圖9）。

工序4：可調式導條刀具精鏜孔φ 7.9+0.105+0.09m m 到要求（見圖10）。

該加工方案需有如下外部加工條件配合：①使用乳化液的礦物油含量必須達到55%以上，以保證導條與加工孔徑表面的潤滑性。②乳化液的配比濃度需達到11%以上，導條的材料若是PCD刀具，切削液濃度可以略減。③切削液壓力需達到1～3MPa，視不同加工直徑而不同，以達到排屑目的。④設備的過濾精度需達到20～50μ m，視不同被加工材料而不同，如鋁合金要求20μ m的過濾精度，過濾精度過大，切屑將加快PCD切削刃的磨損并容易劃傷導條和已加工表面，影響加工表面質量，嚴重時過大的切屑顆粒在導條和工件加工表面之間擠壓，可能造成卡刀，損壞刀具和工件。⑤切削液的pH值需達到 8.3～9.2。

具備以上外部加工條件就能達到穩定的加工狀態，該方案的優點有：①無論臥式設備還是立式設備均適用。②舍棄式刀片磨損后只需更換刀片，刀柄可重復使用。③因刀片可精密微調，首件即可獲得合格品。

圖5 導條刀具與HSK刀柄聯結

3. 導條刀具的獨特設計

迫于市場競爭壓力，廠家需要以最低的成本和最高效的方案解決加工瓶頸。如圖11、圖12所示，這把已在實際使用中的整體硬質合金焊接PCD導條刀具，借鑒和吸收了上述可調式導條刀具的原理并且把上述方案中粗精加工的4把刀的工序集合在了一把刀上， 達到上述4把刀才能完成的加工要求。其利用導條刀具的原理融合實際加工狀況形成的獨特設計分析如下。

圖6 斷續孔結構

圖7 工序1

圖8 工序2

圖9 工序3

圖10 工序4

圖11 PCD導條刀具結構

圖12 PCD導條刀具

（1）支撐導條 這把刀具應用導條刀具的導條支撐原理，在兩個切削刃的后部偏置75°的方向磨削出兩個相對的支撐導條，支撐導條除在加工中起支撐的作用外，還能在加工的同時研磨滾光加工面，再次提高工件的表面質量。

背椎BECK TAPER是指軸向上導條最高點與導條后端低點高度差的比例。一般可調式導條刀具的導條BECK TAPER為 2∶10000。這把整體硬質合金刀具導條的BECK TAPER為0.3∶10 000， 設計得比可調式導條刀具小很多，主要是因為刀具需要加工的孔徑比太大，且全部是非連續孔，孔與孔之間的距離很大，要保證這樣多段孔的同心度和圓柱度，需要在加工完前一個孔的同時，依靠這個孔定位并支撐刀具，再加工下一個孔，所以更好的支撐穩定性要求這把刀具的BECK TAPER比可調式導條刀具的值小很多。導條的寬度為0.8～1.0mm， 如圖13所示。

（2）切削刃 由于細長孔加工最重要的是要考慮刀具的排屑性能，在需要保留足夠排屑空間的情況下，這把整體硬質合金導條刀具不能像可調式導條刀具那樣可以設計足夠的導條支撐來保證加工的穩定性，也不能像鉸刀那樣把切削刃后刀面磨成支撐刃帶，保證了支撐穩定性而無法實現高速加工。要實現高速又穩定的加工，既需要提高切削刃的鋒利性，把切削抗力降到最低，又要保證加工過程的穩定性。所以切削刃必須像可調式導條刀具一樣的鋒利，以確保切削抗力最小。同時因為鉸刀要具備的支撐穩定性，所以在副切削刃刃口與后角之間磨出一個5°后角，如圖14、圖15所示，其寬度為0.8～1.0mm， 稱之為第一后角 。正是由于有了第一后角，在起始切削時形成一個額外的穩定支撐引導，進而減少振動，在切入工件后又形成輔助支撐與導條共同作用，保持切削過程的穩定，尤其在刀具細長比大及高速切削時，效果尤為顯著。不僅使加工出的工件孔徑尺寸變小，而且改善了工件表面的粗糙度，在起始切削時對切削刃的磨耗降低，進而也大幅延長了切削刃的壽命，如圖16所示。

整體硬質合金導條刀具切削刃的BECK TAPER和自身導條的BECK TAPER一樣為0.3∶10 000，在設計上比可調式導條刀具切削刃的BECK TAPER小很多，可調式導條刀具的刀片因單純切削的原因，BECK TAPER可以是10∶10 000或更大。

可調式導條刀具如圖1 7 所示，切削刃徑向尺寸的最高點與導條徑向尺寸最高點的高度差叫Overhang（刀尖徑向提前量）。

圖13 導條寬度

圖14 第一后角的幾何尺寸

圖15 磨后角

圖16 起始磨耗降低顯著提高刀具壽命

圖17 可調式導條刀具

可調式導條刀具的Overhang依加工工件的材質不同，通常在5～12μm之間，如加工鋁合金材料的Overhang為5～8μm。這把整體硬質合金導條刀具由于如前所述的導條支撐設計的局限性，為了獲得更好的支撐穩定性，Overhang值為3～5μm。

同理，要實現正常切削，必須保證切削時切削刃優于導條切入工件，所以軸向上刀尖位置（切削刃徑向最高點）與導條最高點也要有高度差（導條都設計有保護錐，需從導條非保護錐處的軸向最高點計算起），這個高度差叫ADVANCE（刀尖軸向提前量）。如圖18所示，這把刀具的ADVANCE是由主鉆削刃的后角10°產生的高度差，并以此保證刀具正常切削。

（3）刀具結構 加工鋁合金材料，考慮斷屑、排屑性及切削速度及表面粗糙度等因素，刀體采用直槽形式。刀具設計為粗精結合一道工序完成，前段為整體硬質合金鉆頭，先粗鉆孔D7.7mm，后端設計為焊接式PCD的結構，利用PCD耐磨損、高進給及高表面粗糙度的特點完成內徑的精加工。留給后部的PCD精鏜單邊余量為0.1mm。精加工的加工余量太大，影響孔加工表面的粗糙度，尺寸公差及幾何公差。如圖19所示，刀具在粗鉆孔和精加工位置的聯接處須有斷屑槽的設計，利于斷屑和排屑。鉆尖設計為自定心鉆頭形式，硬質合金鉆尖夾角為120°，焊接PCD主切削刃的夾角為90°。如圖20所示，鉆芯厚度為0.8mm，切削刃前置中心線0.04mm， 切削刃與導條之間的容屑槽角度105°，主鉆削刃第一后角6°，第一后刀面寬度為0.5mm，第二后角為10°。以上這些設計都是為能達到穩定加工。

圖18 ADVANCE尺寸示意

圖19 斷屑槽設計

（4）刀具材料的選擇 硬質合金根據不同的用途采用不同粒度的WC（碳化鎢），當強調其耐磨性、抗壓和表面粗糙度時采用超細顆粒WC做原料，且鈷和鎳的含量越高韌性越好。本刀具即選用超細微粒碳化鎢的材質，磨削后刃口表面質量好，機體韌性好。

（5）實際加工 ①加工設備：BT40主軸立式CNC 機床。這里必須采用立式加工方式，因為超長徑比的鉆頭因重力的作用在臥式機臺主軸上會產生彎曲變形，無法達到加工要求。②加工條件：切削液壓力1.5M P a，切削液濃度8%，刀具配備BT40液壓刀柄以保證刀具的回轉精度，可調式導條刀具使用如前所述的特殊設計法蘭調整方式把刀具回轉精度控制在2μm內。③加工參數：主軸轉速n=6 000r/min，線速度vc=148.8m/min，進給速度vf=3 000mm/min。④加工結果：孔徑尺寸D7.998m m，幾何公差，圓度3μm，圓柱度3μm，最大表面粗糙度值Ra＝0.4μm。

4. 性價比分析

圖20 鉆孔設計

（1）刀具價格 這把整體硬質合金焊接PCD導條刀具的單價約為 2 800元/把，刀具壽命可達5萬個工件，刀具可重復修磨5～7次。若核算為單件成本僅為0.06元左右。可調式導條刀具還需要用到專用對刀儀，首筆投入就需要15～20萬元。每片非標PCD刀片的價格約為1 000元/片，舍棄式刀片不可重磨，刀片的刃數至多為2刃，顯而易見，兩者成本的差距非常大。整體硬質合金導條刀具對外部條件的配合要求也沒有可調式導條刀具這么高，長期使用也可以節省一大筆成本。

（2）加工效率 首先，可調式導條刀具方案因為有4道工序需要加工，而焊接PCD導條刀具只有一道工序即完成，算上換刀及空行程的時間，兩種方式的效率高低差別很明顯。其次，可調式導條刀具推薦的加工參數為：轉速3 000～4 000r/min，進給速度400～500mm/min。而焊接PCD整體硬質合金導條刀具的加工參數為：轉速可達6 000r/min，進給速度1 800mm/min，在效率優先的當下，焊接PCD整體硬質合金導條刀具顯然比可調式導條刀具優勝很多。

5. 結語

運用導條刀具可以很好地解決長徑比大的孔加工難題，而且降低了加工成本，提高了生產效率。