复合刀具在加工中心上的应用

苏海龙;韩丽;韩亚丽;白玉琦

【期刊名称】《金属加工：冷加工》 【年(卷),期】2010(000)003 【总页数】3页(P42-44)

【作 者】苏海龙;韩丽;韩亚丽;白玉琦

【作者单位】中国一拖集团有限公司,河南洛阳,471003;中国一拖集团有限公司,河南洛阳,471003;中国一拖集团有限公司,河南洛阳,471003;中国一拖集团有限公司,河南洛阳,471003 【正文语种】中 文

由于时代需求，致使制造业对产品制造效率的强烈追求达到一个新的高度，新技术、新工具在现代机械加工生产中被不断引进与推广，采用复合刀具进行加工的技术得到了越来越广泛的应用，其效能优势也在不断显现。由于复合刀具往往可以替代很多把常规刀具，并且往往是在工件的一次装夹下和刀具的一次工作行程中完成多道工序的加工，因此可以减少换刀次数，消除工件或刀具的重复定位误差，从而显著减少辅助时间、提高加工精度和减少测量过程。从另一个侧面也造就了数控加工技术得到了更加广泛的应用。

我厂的机械加工类产品大多是拖拉机产品中质量至关重要的箱体、缸体、缸盖等箱体类零件，由于此类零件结构复杂、生产批量大，因此复合刀具加工技术的加工优势有效地发挥，为提高劳动生产率打下了坚实的基础。

1.复合刀具的概述

复合刀具是将两把或两把以上的同类或不同类的孔加工刀具组合成一体的专用刀具，它能在一次加工过程中，完成钻孔、扩孔、铰孔、锪孔和镗孔等多工序不同的工艺复合，具有加工效率高、精度高、质量可靠性高的成形加工特点。

复合刀具的结构形式有整体式、装配式、可转位式、组合式；组合类型有复合钻、复合铰、复合扩、复合镗、复合锪、钻锪、钻扩、钻倒角、扩镗、钻扩铰、扩铰、扩锪、钻镗、钻扩锪、钻铰铰和镗铰等形式。

复合刀具有以下特征：可同时或顺序加工几个表面，减少机动和辅助时间，提高生产率；可减少工件的安装次数或夹具、刀具的转位次数，以减小和降低定位误差；降低对机床的复杂性要求，减少机床台数，节约费用，降低制造成本；可保证加工表面间的相互位置精度，加工质量高。 2.复合刀具在加工中心使用的必要性

高效率在数控加工设备上的体现，就是使设备的“在切削”时间最大化、辅助时间最小化。如何选用合适的刀具进行加工，充分提高 “在切削”时间，缩短其佘的辅助时间，最好的答案就是采用复合刀具，当然，这是在能充分保证产品质量的前提下进行的。例如，一般情况下，在加工中心上进行2把刀具的加工流程需要18个工步动作。如果将两把刀具复合，则可节省工作台的重复定位时间、一把刀具的换刀时间、工作台快速移动时间和切削开始前3～5cm的安全距离。按照我们不完全统计，在零件加工的全部劳动定额时间里，如想要达到相同的加工效果、加工质量，采用复合刀具在时间上可以节省10%～20%左右。 3.复合刀具的使用特征

柔性化生产是目前汽车、拖拉机、工程机械等制造类企业广泛采用的一种机加工方式，通过集合组合机床的高刚性、高效率和加工中心的柔性进行组合式加工，柔性生产线获得的是比组合机床生产线 “流水线路更短、投入设备更少、工序更集中”

的优势。复合刀具加工技术是当今机械加工中广泛使用的一种工艺方法，只要充分考虑待加工零件的加工工艺性、刀具的结构合理性和生产成本最小化等诸多因素，在更加节约制造成本、平衡生产节拍的原则下，复合刀具加工技术在数控加工中心上得到了更加广泛的应用，并随着复合刀具加工技术的不断完善与推广，加工中心使用复合刀具不失为一种先进、经济、高效的加工方法。复合刀具在加工中心使用的选择因素有如下几点。

（1）生产性质 主要指的是加工零件的批量大小，从加工成本上考虑对刀具选择的影响。只有在批量比较大的生产情况下采用复合刀具，单项复合刀具的先期制造成本和后期的生产效率是比较有利的，因为复合刀具在第一次的投资制造上花费比较大，但从长期批量成本效果来看，还是低于标准刀具的成本，刀具超出的价格基本上是可以忽略不计的；另外采用复合刀具后的加工效率，也是在大批量生产中体现出来的。

（2）机床类型 要考虑完成该工序所用的数控设备对选择的刀具类型 （钻、车刀或镗、铣刀）的影响。在加工零件的生产流程设备中，在数控加工中心刀库的刀位不足时，要实现零件工序的一次装夹、集中加工，就需要手动换刀或将工艺内容分流到其佘的设备上，那么零件就存在加工刀具重复定位导致加工后的位置度受到影响，或加工周期被迫延长，制造成本无形中增加，而且加工质量也大打折扣。就此，复合刀具的使用在很大程度上能缓解以上矛盾。

（3）复合刀具的设计 复合刀具加工技术的应用也常受到加工工艺条件、刀具寿命、刀具制造工艺性、零件结构的限制。比如，对于钻孔、镗孔工序如果采用复合刀具，就要首先对待加工尺寸以及零件工艺结构进行分析，因为钻孔工步中，钻头切削刃先接触的是工件的毛坯面，钻削时钻头两侧切削刃受到的切削力不相等，比较容易造成钻头钻孔后的尺寸有所偏斜，导致孔的位置度出现偏差，这时，如果与此孔位置度尺寸要求比较精确的话，那么在已经产生位置度偏差的基础上继续镗孔加工，

镗孔后的尺寸肯定会相应产生偏差，就属于加工质量不合格。如果位置相对尺寸要求不高，那就可以直接采用钻、镗复合刀具。 4.复合刀具应用中应注意的问题

随着机械工业的迅速发展，机械加工难度愈来愈大，加工精度要求越来越高，在自动加工流水线上的复合刀具，既要满足生产节拍要求，又要具有可靠性和高寿命。要适应发展的需要，就要对传统的老式的复合刀具进行改革创新，就需要应用新技术、新材料来提高复合加工刀具的使用性能。不过，刀具在设计上基本上都要遵循以下几个原则。

（1）复合加工刀具将同类和不同类的两种或多种不同刀具组合为一体，实现一次加工成形。所以在不同的切削状态下，既要求有良好的排屑性能，又要保证加工工件精度。

（2）负荷较大、孔径限制、刀具细长，此时要选用高强度的刀体材料。 （3）复合刀具各部位刀具直径不同，其切削速度不一样，直径差别大时，直径大的刀具可选用好的刀具材料，如钻、扩复合刀具，钻部选高速钢，扩部选硬质合金刀片；或钻部选硬质合金刀片，扩部选CBN刀片，实施各种刀具材料的组合应用。 （4）根据加工工件及加工条件设计复合刀具时，应考虑切削顺序或同时加工次序、刀具结构形式、刀具材料选用、排屑方式、导向装置类型等因素。目前高速加工各种材料的切削速度为：普通钢和铸铁为500～2000m/min，钻、铰削为100～400m/min，攻螺纹为100m/min， 淬硬钢 （35～65HRC）为100～400m/min，结构铝合金为3000～4000m/min，高硅铝合金为500～1500m/min等。

（5）复合刀具多是在专机、自动线或是在通用机床上应用，要保证刀具使用效果达到要求，就需要选定好切削用量。如钻、扩复合加工，进给量要受钻头限制，而切削速度受铰刀限制，如果按铰刀确定进给量则钻头承受不了，如果按钻头确定切

削速度，则铰孔质量难以保证。同类复合刀具进给量应以直径最小的刀具选定，切削速度应以最大直径的刀具选定。不同类的复合刀具，应考虑加工精度要求，综合选定切削用量。

5.复合刀具在加工上的应用举例

箱体类零件是汽车、拖拉机、工程机械等整机产品的关键部件，通常作为箱体部件装配时的基准零件。

在箱体类加工中，零件尺寸要求中尤其是主要技术要求方面的轴颈、支承孔、孔径等的精度及相互之间的位置精度，定位销孔的精度与孔距精度，同轴度、垂直度等形位公差尤为重要，直接影响后序的加工、装配调整和整机性能。如果采用普通的单一性刀具，不仅效率低下，同时还会因为多次装夹带来刀具中心不重合等误差，直接影响后续加工精度，因此，选用复合刀具进行加工。

例如，在传动箱壳体隔板轴承孔 （见图1）的加工中，对于φ90mm、φ85mm、φ80mm这三个轴承孔的加工，按照传统的工艺安排就是粗镗、半精镗、精镗，也就是需要9把不同的镗刀进行先后次序的加工才能完成，需要耗时12min左右。而换上3把复合镗刀 （见图2），加工时间仅需4min左右，从时间上减少了约66%，加工效率得到了极大提高。需要注意的是，在加工程序的编写上，在进行刀具的移动时，注意把刀具的移动轨迹与工件相避让。 图1

从图2中也能发现，复合刀具在设计时的考虑范围比较全面，比如，刀头和刀头之间的距离是否设计得合适会直接影响到加工过程。如图3所示，在刀体完成φ90mm的加工尺寸A，整体复合刀具继续向前位移B尺寸后，才能继续φ80mm镗孔加工；同理，在加工A+B+C尺寸后，刀体才能继续加工。看似不关紧要的3个尺寸缺一不可，否则在上一个刀体还未完成加工时，下一个刀体就开始加工，从切削力上就对整体复合刀体产生不平衡，刀体比较容易产生振动，从

而对镗孔质量有影响。同时，由于采用了一把刀具进行3个工步内容，从而也有效避免了因为机床工装的重复定位产生的误差给加工过后两孔同轴度的高精度要求带来的影响，因为这三个轴承孔装配的是整机产品中传动系的传动轴部分，所以对于箱体加工质量的要求相当高。

据我们在一个即定时间段内的调查、统计，经过对加工刀具的创新，废品率由原先的2%降低到现在的0.5%，这也从另一个方面证实了复合刀具的优势。 又如，在差速器壳体的中心孔加工中，差速器中心孔的长度尺寸为123.43mm，如图4所示，上一道工序为半精车，工艺安排后序为半精镗→精镗。如果按照一般镗刀以及正常机床设备工艺参数进行加工的话，经过现场测试，这个孔镗刀加工一个周期的时间为12min，这样简单计算的话，半精镗与精镗两道工序下来总共就需要24min，推算出该设备的日产量仅为60件，对于日产要求100件的装配需求来说，该镗孔工序就是一个很大的工序瓶颈。我们曾经考虑过加大半精镗工序的切削深度，但是加大进给量，设备和镗孔刀具的加工负荷承受不了；或者添加设备进行工序分解，但是受种种其他的因素制约一直未能实施。

生产加工不等人，我们就从复合刀具上考虑突破口。经过不断地设计、试验，终于制作成了一把能够符合要求的刀具，如图5所示。图中的虚线位置即为刀片之间的位置差，也就是关键的工序之间的佘量要求，在刀杆轴向位置上的尺寸差，基本上是一个进给量的长度尺寸，这样设计的话，在加工过程中产生的刀具振动相对比较小。利用该复合刀具进行加工，可以利用两个相对180°位置的刀片进行错层镗削加工，前一个刀片实施半精镗，留有少量加工佘量给第二把刀片进行精镗孔加工。这样的加工结果就是加工时间直接缩短为12.5min，班产量提高将近50%。 图4

图5 6.结语

大量切削加工表明，刀具对生产工艺流程的优化起着关键作用。在中、大批量生产中，采用专用刀具或复合刀具进行综合加工是提高生产效率的重要手段。