烟台大金属切削原理与刀具设计课件第9讲 刀具在生产中的技术

第九讲主讲：熊晓萍刀具在生产中的实用技术1发动机箱体零件的同轴孔加工铣削加工刀具的刀片支撑面分析

高速加工中修磨刀具的刃口处理2发动机箱体零件的同轴孔加工

3汽车发动机中箱体零件的缸体曲轴孔、凸轮轴孔；缸盖的单、双凸轮轴孔；支架凸轮轴孔等，这些都是箱体零件中的关键加工内容之一，在发动机中具有重要的作用。这些轴承支承孔，必须具备较高的尺寸精度、几何形状精度及较低的表面粗糙度值，否则直接影响到轴的外圆与孔的配合精度，使轴的旋转精度降低；同轴孔的孔与孔之间达不到一定的同轴度要求，不仅轴的装配困难，且会使轴的旋转状况恶化，磨损加剧，温度升高，影响配合精度和正常运转，从而直接影响到发动机的性能、精度和寿命，只能作为报废件。加工合格同轴孔的保证条件：合理的工艺、可靠的设备、专用的加工刀具。4技术要求箱体零件同轴孔的主要工艺技术特点，既有形状尺寸要求，又有位置尺寸要求。即单孔有自己的形状尺寸要求，同轴孔的孔与孔之间以及孔与其它孔和面之间有位置精度要求，其主要形状位置精度要求有：5轴承孔孔径尺寸公差小；位置度公差要求高；圆度公差允许值小；同轴度公差要求高；跳动量公差小；粗糙度数值低；垂直度公差允许值小；圆柱度公差小。6孔加工中的常见质量问题有以下几方面：孔的表面粗糙度值高；同一孔的圆柱度误差；同轴孔系的同轴度误差；平行孔系的平行度误差和孔距误差；孔的圆度误差。加工同轴孔常见质量问题引起的原因除了切削热、工件的夹紧力影响外，加工中的工艺安排、加工方法及选用刀具不合理均会引起质量问题。

7加工方法与设备发动机箱体零件同轴孔的孔径排列有等径式和递减式，轴承孔有平行孔系和同轴孔系。因此，工艺要求的高低，直接影响到加工的难度。同轴孔的加工如图1所示，即加工5档或4档轴承孔，但这5档孔与孔之间及与其他面、孔之间均有不同程度的相对较高的技术要求，加工中要达到工艺的技术要求，其使用的机床设备、编排的加工工艺、选用的切削刀具均必须具备必要的保证条件。8箱体零件的平行孔系和同轴孔系，这种类型的零件一般均为一面二销的定位方式来装夹加工。小批量制造一般在通用镗床上也可加工，采用找正法、镗模法、坐标法来加工。而大批量生产则需采用专机或者CNC加工中心两种类型的设备加工。在设备的选用上，遵循的原则一般以规划阶段根据产品的结构，预计未来产品的销量而定。如果预计发动机产品的销量时间长，年产量高，一般选用专机加工生产线生产比较合适；反之，则采用CNC加工中心的柔性化生产，这便于产品的多品种同时生产及产品的不断更新换代。同样的工艺要求，不同的设备加工，其同轴孔的加工方法也不同。9刚性专机线加工，目前一般有两种加工方式：通过一根长镗把，利用工件孔外的托架对镗把头部的辅助固定来加工同轴孔。通过主轴准定功能确定刀头朝上的位置专机线上加工，为了保证加工孔的形状公差及孔径尺寸，一般镗杆直径选择较大尺寸以提高其刚性强度。但镗把与支承托架的配合，往往因长期使用，而使镗杆与托架的配合精度下降，直接造成被加工孔的形状误差，故需定期调换托架或者报废镗把。镗把进入工件待加工孔内镗把头部进入托架工件下降夹紧加工孔与镗把同轴加工孔径夹具放松工件上升镗把退出10利用机床回转盘夹具加工同轴孔。通过夹具旋转180°，短镗把先加工三孔，再加工二孔，双向加工完成同轴孔。因其加工夹具的回转磨损或挡块粘住切屑，往往导致加工精度差，尺寸不稳定等缺陷，一般孔径的粗加工选择这种方式加工。11CNC加工中心加工也有二种加工方式：同轴孔采用调头加工。

CNC加工中心，通过夹具旋转180°来加工同轴孔，与专机线的回转盘加工相似，这种加工方式，往往5孔的同轴度易出现超差。有时，由于光栅或者编码器进水，导致夹具旋转数据接收出现误差，致使＃1、＃2孔与＃3～＃5孔错位或者＃1～＃5孔不在同一直线上，难以满足加工的工艺最终要求，加工中易出现报废件，故一般能满足粗加工，而不一定能达到精加工的加工要求。12工件一次夹具定位，两把刀具完成加工。要保证加工中心加工同轴孔达到工艺技术要求，利用一根镗把加工5孔或更多孔，存在一定的困难。长镗把由于没有托架的辅助支撑，如果选用700～800r/min左右的转速，悬臂镗杆在精镗过程中，刀杆在高速旋转下，镗把的离心力会导致镗把头部旋转的幅度变大，致使加工孔径也变大；严重时可能造成镗把飞离主轴，造成不安全因素出现。而选择低速切削，则效率低，成本高，又不能满足加工生产节拍。13目前比较先进的加工方法是：等径同轴孔采用长短结合的二把镗把来完成同轴孔的加工。

先用短镗把加工＃1、＃2档，再利用已加工的＃1、＃2孔作支承导向，用长镗把加工完成＃3～＃5档。＃1、＃2档作钻模套使用，支撑住镗把，使孔的同轴度得到保证。在此加工过程中，长、短镗把的加工孔径尺寸工艺要求相同，但在实际加工中，短镗把的刀具直径调整取公差范围内较大值，长镗把的刀具直径则略取小值，避免刀头碰到工件孔壁。14递减式同轴孔也采用长短结合的二把镗把来完成同轴孔的加工。先用短镗把加工＃5档（＃5档孔径最小），夹具旋转180°，再利用已加工的＃5孔作长镗把的辅助托架，由长镗把加工完成＃1～＃4档，使孔的同轴度得到保证。15从加工误差调整的角度来看，刚性机床位置尺寸调整费时、困难；CNC机床调整方便、简单。故一般出现加工偏差，CNC加工中心有调整时间短，工件试切尺寸结果合格率高等优势。但专机不易造成尺寸经常出现误差的现象，而CNC加工中心则易常常出现此类误差。16主轴停转主轴推动长镗把进入已加工的＃1、＃2轴承孔待长镗把刀头接近＃3轴承孔时，主轴开始旋转主轴在旋转中进给，直至＃3～＃5轴承孔加工完成主轴停转，镗把退出轴承孔。1718加工刀具箱体零件的同轴孔加工刀具，根据选用的设备及加工方式的不同，需选用不同的刀具。加工同轴孔的刀具――镗把，其必备条件：动平衡好；制造精度高；刀杆刚性好，安全；切削易于排屑。19专机上加工，一般选用刚性较高的整体镗把；

CNC加工中心加工，一般镗把直径几乎接近加工孔孔径，目前应用效果较好的是镶有支撑导条的长短镗把结合使用来完成同轴孔的最终加工。20目前长短二把镗把结合加工同轴孔，采用Mapal精密专用镗把刀具。其基本原理是利用支撑导条来吸收切削产生的阻力和振动，几乎在刀片进入工件切削的同时，支撑导条也紧跟着在对应的位置起到支撑作用，并吸收切削所引起的振动，当刀片受力时，即受到导条的支撑，抵消了刀具和主轴因切削力而产生的让刀及振动（如图）。21

Mapal新型镗把能在切削刀尖产生切削阻力的地方，将切削阻力吸收。支撑导条附着孔壁的支撑，吸收了切削阻力，减少刀杆所承受的力矩和切削阻力，防止及消除了刀杆的挠曲和颤动的发生，并且避免了在切削过程中因不同的切削深度而影响孔的一致性，整支镗杆即被支撑导条支撑。支撑导条在切削过程中还起到滚压作用，使工件表面更光滑。支撑导条的材质对刀具寿命和加工精度具有决定性的影响。常用的材质有：碳化钨合金、陶瓷金属、PCD等。

传统镗把，其镗杆直径明显小于加工孔径，切削刀尖的切削阻力经由刀杆传递到主轴，使刀杆承受弯曲力矩，最终刀杆产生挠曲，造成加工尺寸的误差和切削颤动。22箱体零件及轴承衬套材料的多品种，如巴氏合金、铝合金、灰铸铁等，促使刀片的材质也在相应的更新换代。根据加工材料的不同，刀片的材质有：碳化钨合金、涂层碳化钨合金、陶瓷金属、PCD、CBN等。为了达到加工尺寸的稳定性，如镗铸铁缸体曲轴孔的刀具，刀具供应商对刀片的切削角度也作了进一步的改进，通过减少副偏角（Kr’≈0.5°），来降低加工孔表面的粗糙度数值及提高刀具的耐用度。23刀片的变化，也是目前同轴孔加工刀具的主要特点。

目前不论是专机加工刀具，还是CNC加工中心的加工刀具，其刀片切削角度均有较大程度的改进。如：主、副切削刃均作刃口处理，这样对加工孔的起始切削时能形成一额外稳定支撑导引，进而减少振动，消除了刀具三个磨损阶段的初始磨损阶段，从而延长了刀具寿命。刀刃有效使用中，使加工尺寸更稳定，孔径尺寸变化小，粗糙度值差异值小等；刀片一般均采用涂层处理，使刀片更耐磨，散热效果更好；刀片夹持的改进，使其夹紧力大大提高，最高允许切削速度达3800m/min；刀片材质的多品种。24镗把切削时支撑导条受力分析25切削参数箱体零件的同轴孔，因加工的材料不同，工艺技术的粗糙度要求不同，选用的切削参数也不同。目前切削速度的选择：加工铸铁一般选用160m/min；加工巴氏合金一般选用150m/min；加工铝合金一般选用800m/min。26进给量的选用，一般选择能满足表面粗糙度值为宜。加工中并不是粗糙度值越低越好。如加工铸铁缸体的曲轴孔，加工中因铸铁易加剧磨损刀具的VB量，故只要能满足加工要求，进给量尽可能的取大值，这样能提高刀具的耐用度。例如加工1.6L缸体的曲轴孔，其加工切削参数为：切削速度161m/min；进给量0.30mm/r；主轴转速870r/min；工件材质灰铸铁；刀片材质硬质合金涂层刀片。当初，进给量为0.16mm/r，刀具耐用度只有300件左右。后来，进给量调整为0.30mm/r，刀具耐用度提高到1000件左右，且粗糙度值又能满足Ra6.3的要求，加工节拍也大大缩短。所以合理选择刀具的切削参数，也是保证加工合格同轴孔的重要因素。27结束语发动机箱体零件的同轴孔加工，采用的方式方法有多种，但是不同的加工方式存在加工结果上的差异。从是否能满足加工工艺、满足技术要求来分析，刚性专机加工与CNC加工中心加工同轴孔各有其优劣之处。随着刀具形式及材料的不断更新，新刀具的先进性、实用性将得到更广泛的应用。刀具的同轴孔加工能力及耐磨性也越来越易，越来越高。28铣削加工刀具的刀片支撑面分析

29在汽车制造业的机加工刀具中，众多的面铣刀、镗刀、立铣刀、球头铣刀、玉米铣刀等刀具，随大批量产品零件的切削，刀辅具使用时间的延续，加工中往往会出现原先比较正常的刀片及刀体，忽然时常出现刀片刀刃破碎或刀片开裂，刀具刀体损坏，严重时还造成批量工件返工或者工件报废。产生上述现象，除了刀片的批次质量差异，加工毛坯的缩孔、硬度上升及机床精度的下降等潜在原因外，有时因为刀体上的刀片固定出现了缺陷也占一定的比例。当调换成新的刀体后，再切削加工时这种现象即刻消失，这就是刀体的刀片支撑面的变形所致。机加工中的众多不确定因素虽然难以控制，但是我们可以通过预防性的控制手段来抑制刀具的损坏及工件的报废程度，使浪费的财力与物力控制在最低范围。

30机加工的刀辅具有些可能可使用上几十年，也不用更换仍能满足加工要求。但有些粗加工的刀辅具使用时间没那么久，到了一定的使用寿命就必须更换，故须注意此类刀辅具的损耗情况。目前众多汽车生产厂家的刀具控制相关人员，对铣刀类的刀片支撑面的变形会引起刀体损坏，工件批量报废，严重时造成停产，往往没有引起足够的重视与控制，以致生产中使用时间已久的刀体中的刀片支撑面或者刀垫已严重变形也没有发觉，直至屡屡刀体损坏，工件批量报废，才去查找引起的真正原因。刀具管理部门对于铣刀类的刀片支撑面的变形必须引起足够的重视及建立控制制度。31铣刀刀片的固定方式铣刀类刀具根据不同的使用情况，刀具的结构也有不同的设计与制造。铣刀的刀片定位有切向上定位（刀片固定螺钉指向镗把轴线）、端面上定位、法向上定位。刀片的固定支撑有刀垫支撑与无刀垫支撑两种。刀垫的作用：弥补刀体制造中的难加工位置形状；一种刀体能适应多种刀片的安装使用；改变刀片的切削角度；保护刀体，延长刀体的使用寿命（防止打刀时损坏刀体，正常切削时，可防止切屑擦伤刀体）与缓冲刀片的冲击等。目前铣刀刀片在安装到刀体上时，有的采用辅助的高刚性硬质合金刀垫或高刚性的支承件；有的刀片由于制造刀体的局限性及满足刀体刚性强度的考虑，将刀片直接安装在刀体上。

32铣刀刀片的固定方式目前大致有以下几种方式：

螺钉式夹紧；压板式夹紧；楔块式夹紧；键型式夹紧；杠杆式夹紧；螺钉加压板式夹紧（复合压紧）各种夹紧方式，各有其优劣之处，且又能满足各自加工对象的要求及发挥各自的功能作用。但是在实际生产使用过程中，须注意刀辅具的变形情况。

33a)上压式b)偏心式c)杠销式d)杠杆式e)楔块式f)综合式34刀片支撑面的变形铣刀类刀具在切削加工中，由于刀片支撑面承受着较高的铣削力，特别是在粗加工中，刀片在切削加工中的冲击力，传递压迫到刀片的支撑面或者刀垫上。随着压迫冲击的次数增加，支撑面或者刀垫的平面渐渐变形，对楔块夹紧刀具来说，刀片的冲击导致楔块平面中出现刀片形状的凹痕，这样不利于刀片的下次调整，需定期调换楔块。对刀体支撑面来说，使用时间达到一定程度，刀片重新安装后会出现安装面与刀片的配合外边存在一定的间隙。35刀片支撑面变形导致加工时，刀片在受力的情况下，那些特殊强度与韧性刀刃的基体、高强度与抗塑性变形的基体，刀片的自身抗弯强度承受不了，刀片的塑性变形量又小于刀座变形产生的间隙，最终由于刀片未与刀座精密的接触，存在的支撑面边缘间隙，导致刀片在加工中碎裂，严重时刀体损坏，工件报废。3637螺纹孔的变形铣刀上的有些刀片固定是靠螺钉固定的。螺纹孔由于使用时间久了，也会出现变形。因为螺纹孔的变形，会导致刀片安装后，刀片的侧面与刀体上的刀片固定侧面产生间隙，使刀片的固定稳定性大大下降，导致加工尺寸超差，严重时刀片破损。38刀具设计时，刀片的中心到侧面的距离与刀体的螺栓孔中心到刀体刀片固定座的侧面距离有明显的差异，即刀片的尺寸大于刀体上安装的距离。开始使用时，由于两者配合之间的尺寸差异，当刀片固定时，刀片对刀体的刀片侧定位面挤压力较大。但随着使用时间的上升，刀体上的螺纹孔渐渐变形，孔口离开刀片的侧面定位距离愈来愈大，最后造成刀片用螺钉固定时，刀片对刀体的侧面挤压力下降，严重时刀片固定后，刀片与刀体的侧面定位出现间隙。最终造成加工尺寸超差，刀片切削加工中固定螺钉松动，刀片碎裂，刀体损坏，工件批量报废。

刀体支撑面上的螺纹孔也是必须注意的控制点。3940刀片侧定位面的磨损铣刀类刀具的刀片侧面定位，是控制刀具加工零件尺寸的重要保证。刀体的刀片侧定位面也会因为使用时间的增加，而使侧定位面磨损，故也须注意。刀具管理人员可以通过了解生产线的零件加工尺寸的变化及调换刀片时的侧定位面检查来控制侧定位面的磨损程度。41刀片支撑面、定位面与螺纹孔的PM

铣刀刀片在使用中，刀体对其产生的直接影响由支撑面变形、螺纹孔变形、刀片侧定位面磨损三方面组成。作为刀具调整人员，必须像机加工线操作工维护机床那样，做好日常刀辅具的PM工作，从产生问题的源头来消灭苗子。根据镗把刀体的刀片支撑面使用久了易变形的特性，每次调换或者转换刀片刃口时，待刀片安装螺钉拧紧固定后，必须用0.02mm的塞片检验刀片安装后是否存在间隙。42如果塞片塞不进，那么刀具刀体可以继续使用；反之则不能将此类刀具再送至生产线，而需进行刀体支撑面的修正与验证，合格后方可继续使用。铣刀的刀垫或者刀体需设定使用寿命的报警值，一旦到了报警值，需特别注意刀垫及刀体的变形程度。刀片的侧定位面磨损也需定期验证，确保刀片安装后对刀体的侧面有足够的挤压力。固定刀片螺钉的配合螺纹孔也应该使用螺纹止规定期验证螺纹孔的变形。螺钉检验刀体上的螺纹孔，目测螺钉是否偏离正常位置，内螺纹孔口是否偏大等。4344破损刀体的修补与报废刀体因为制造的复杂性，故往往制造周期比较长，为了应急，维持生产，降低刀辅具的成本，对于刀体上的刀片支撑面出现变形不大，刀片固定的侧面定位面未破坏，支撑面有局部破损时，有些刀体可进行修补。

常用的方法采用烧焊、铣削、打磨、研磨等方法来修正支撑面，消除刀片与刀片支撑面的配合间隙。45但在实际操作中需注意这样修正有可能改变刀片的切削角度，影响加工零件的尺寸及粗糙度值。在最后修正过程中，用金刚石锉刀或者金刚石油石来修正，修正结束必须进行平面的验证。修补后的刀体，需特别注意刚刚开始试切时工件的加工尺寸与粗糙度值，其第一次使用设定寿命需减半，以检查刀体的稳定性。在实际操作中，如果刀体已经无法修补，该报废的就报废。46刀片的安装刀片每次安装前，必须清洗刀体及相关的刀辅具，螺钉、刀体、刀垫、压板等等。刀片安装面的切屑垃圾黏附在刀片安装面上，也会造成刀片在加工中的碎裂。螺钉的固定拧紧力必须达到规定的扭矩，螺钉拧紧的刀片，加工中对支撑面冲击变形小；而螺钉拧紧力较小时，会导致刀片承受的冲击力全部转移到刀片支撑面边缘，渐渐使螺钉松动，最后刀片碎裂，刀体损坏。刀片安装后伏贴、牢靠是刀片安装的基本要求。

47制造过程的控制刀具的过程控制，并不只是刀具管理部门的事，生产线操作工也是刀具过程控制TEAM的一员。

制造过程中，操作工通过目测工件的加工状况，来判断刀具的刃口磨损情况；切削加工中,操作工时时注意耳听切削加工时的突发异常声音，也可及时发现不合格品的出现，避免刃口磨损加剧，造成更多浪费的严重后果。如工序抽检时，先目测零件的加工状况（工件平面边缘崩口，粗糙度值上升等等），再用检量具验证加工的孔、面等的尺寸。48高速加工中修磨刀具的刃口处理49同样的钻头，新钻头加工正常，但重新修磨后的钻头刚换上去没加工多少时间，钻头就折断了；加工孔类的镗把刀具，用修磨刀片刚上去加工没多少零件，加工尺寸已到尺寸下极限；有些刀具虽然加工初始没有折断或崩刃，待加工一段时间后逐渐趋于正常，但初始加工时发出异声，加工质量不佳……这些现象产生的原因有可能是毛坯的硬点、缩孔，也有可能是机床、冷却液等因素，但有些修磨刀具大多数是因为主切削刃没有做好合适的刃口处理工艺所致。实际加工中，特别是在加工铸铁、钢件及粉末冶金类材料，常常会碰到这样的现象：50刀具修磨后的刃口强度刀具的主切削刃是通过刃磨前、后刀面自然形成的切削刃。其刃口锋利，但较易钝化，由于切削刃不可能刃磨得很光滑，尤其是硬质合金刀具，其刃口总有一些细小的锯齿状排列而成，这样的刃口一旦在高速切削加工中或断续状态下加工，这没有足够强度的刃口在主切削力的作用下，会引起切削刃微粒脱落，严重时导致主切削刃崩刃。故要使刀具正常维持切削加工状态，必须提高刃口的强度。51在实际机加工生产中，极大部分刀具的刃口均已有刀具供应商处理完成，只有极少一部分的修磨刀具，如钻头、铰刀及小部分刀片修磨后才需自己来处理刃口。刀刃未处理钝化，首先表现为刀具寿命短，严重时导致刀具崩刃、折断，引起工件报废；而重磨以后对切削刃处理不当，往往易出现刀具切削性能下降，可能使刃口容易破损。如麻花钻重新修磨后，如果刃口没处理好会使钻削扭矩和钻削力加大，切削热增加，从而导致钻头寿命缩短或折断。在高速加工中一般加工铝和有色金属，不需要进行刃口处理，加工铸铁类的修磨刀具在高速切削中必须进行刃口处理。在机床状况、切削用量、冷却液、加工材料不变的前提下，采用刃口处理的钻头与没有进行刃口处理的钻头在初始加工铸铁类零件中可以看到不同的结果。

52刃口处理的方法刀具的刃口处理：据资料介绍，目前刀具制造商在刃口的处理上有多种方法：振动强化、用金刚石油石手工加工、介质强化、研磨浆强化、用含有磨料的橡胶轮强化、干或湿的喷砂法强化、翻滚强化和毛刷强化及PVD涂层处理等。通过一定的加工工艺，将锋利但并不光滑的刃口处理成一定形状，从而使其达到增加刀刃强度的目的。53锋利倒圆倒棱角倒前刀面棱角倒后刀面棱角复合刃修磨（双重处理刀刃）刃口处理后的切削刃状态

54这几种刃口处理形状，应用于各种加工状态。而作为修磨后的一部分刀具刃口处理，目前我们一般采用倒棱处理刃口的方法来处理。所谓倒棱即通过在前刀面或后刀面上加工出一窄带状平面，来达到刃口处理的目的。刃口的修磨宽度或棱边宽度，一般前刀面倒棱可取0.01～0.03或小于1/2进给量。这样的倒棱既可以保证刀具的原前角作用，又可提高刀刃的切削强度。

后刀面倒棱一般可取棱宽0.05～0.10或小于1/2VB量。这样的处理既可减少刀具磨损的初始阶段，使刀具直接进入刀具的正常磨损期，又可增加刀具强度，对切削公差较小的孔类加工效果特好。55在刃口处理上，必须保证钝化刃口的粗糙度Ra值越小越好，实际操作中使用非常细的油石，将负倒棱修磨至要求宽度尺寸及均匀的带宽。在处理刀刃前，必须检查：刀刃的刃高差是否在0.02mm内（如麻花钻的二根主切削刃）；刃口是否有缺陷（使用过的刀具有些可能已在使用中产生材质热裂变）。56刃口的处理一般在湿加工状态下，选用下面的工具进行刃口处理：金刚石磨轮选择250～400目；金刚石锉刀用140目；金刚石油石一般选用400～800目。57前刀面倒棱后刀面倒棱58刃口处理后的作用刀具的刃口根据不同的刃口处理方法，处理后可以得到各种不同的结果，其作用：增加刀刃的强度，提高刀具的耐用度；缩短刀具初始磨损阶段，提高加工尺寸的稳定性；增加刀具与工件的接触面积，增加后面与加工表面的阻尼作用，消除低频切削振动，稳定切削过程；对已加工表面起挤压、光整作用，提高粗糙度要求，降低Ra值；随着刃口光滑性的提高，能起到预防积屑瘤产生；节约刀具成本，降低制造费用。59刀具的调整尺寸，对加工孔类来说，考虑到主轴的跳动等因素，它的调整尺寸不可能是上极限尺寸。这样有些修磨刀片在实际使用中，新刀片加工1000件没有问题，修磨刀片加工到100～200件，其加工尺寸已到下极限，而检查刀具，刀片的磨损状况还可以继续加工零件，但需要对刀具进行重新调整尺寸。这样就要增加重新调刀的时间，影响机床的开动率。产