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精密镗削上的创新

【编者按】精密镗削(Precision Boring)是众多关键部件制造中的一种至关重要的工艺。发动机体上的多曲颈曲轴端孔的精度和光洁度直接关系到动力和燃料效率,它的加工所耗费的时间则直接关系到发动机公司的利润。在众多加工组件中,高精度的孔是必不可少的关键性能指标。这类孔必须满足主要公差,然而,其局限在于高精度孔不仅成本高,而且加工十分耗时,一个小小的失误就会导致昂贵的部件报废。Kennametal 公司为此推出的解决方案——不对称几何形状直线镗杆,并被已从中获益的用户们誉之为“加工技术的革命”。

按照定义,与钻孔相比,镗削是使内径与主轴中心线准确对应的一种加工工艺。在镗削工艺中,尽管也可以采用切削刀具并使工件可调来完成,但最常见的方法是将工件夹持固定,刀具向工件旋转并进给。

镗削的常见应用包括对铸孔、冲孔、钻孔以及波状外形的内表面进行扩大或精整。有时也会利用镗削进行一些其它相关操作,包括车削、端面车削、倒角、开槽,以及车螺纹。

它是如何实现的?

设想有一个需要加工成五曲颈曲轴端孔的小型发动机缸体。一般来说,例如,对于多行程精整加工,需要用到多刃导向块铰刀执行以下建议工艺(在此指定为1.0 选项):由导径铰刀完成首个行程;再由多刃铰刀进给完成初步至最终精整,即行程 2 到5 的加工。最后,回撤铰刀。

这种工艺的优点是,它适合于CNC 卧式或多轴加工中心,无需配备专用夹具的专用镗床。然而,机床必须具有与工件大小相适应的刚度,否则加工质量会急剧下降。同时, 铰刀在进给和回撤精修孔时必须缓慢而精准,否则会在切削边缘留下回缩痕或造成损伤。

加工这类孔的另一种方法是直线镗削(2.0 选项)。在这一选项中要解决的基本问题,是如何使刀刃及刀具导向块在中间行程中通过较小的孔径。CNC 机床制造商利用常规的直线镗杆及其设备上的“反向轴承”功能应对这一窘境。这一过程包括在机床上的工件区域将缸体升高。使直线镗杆穿过部件,进入另一端轴承;缸体调低并夹紧;曲轴孔粗修至完全精整,然后缸体升高,镗杆回撤。

由于刀具两端受支撑,这一过程会加速进给和回撤,与 1.0 选项相比,加工好的孔的几何质量有所提高。其缺点是提升功能需要专用夹具以及CNC 控制,而且由于固定装置需要反向轴承,因而无法进行任何额外的后端加工。

配备倾斜工作台和(或)倾斜主轴以及更高级镗杆的多轴机床,有利于 2.1 选项,借助可扩展导向块,该工艺按照以下顺序进行:导径铰刀进给并完成行程5;部件(或机器台面)旋转180;调整加工中心的x-y 轴使镗杆以偏心的方式进给;带导向块的镗杆对中进入行程5;导向块扩展; 行程 1 至4 初步直至最终完成;导向块回撤,最终镗杆偏心回撤。

2.1 选项利用了机床的多轴适应性。它保留了1.0 选项中无需提升功能或反向轴承的优点,以及2.0 选项中刀具两端支撑的优点。其缺点是,这类镗杆的内部机构复杂,十分昂贵且难以操控。在润滑不足的情况下使用会损伤精密的内部机构,而且如果监控不到位,刀具可能会在工件中卡住或挂住,并损伤机器、夹具、刀具和部件。

不对称解决方案

在与一家主要汽车制造商的发动机缸体业务合作中,该公司的工程技术人员将镗削功能提升到了3.0 选项,即不对称直线镗削。这是一次几何级数的飞跃,既突出了铰孔和直线镗削的优势,又几乎完全消除了两者的缺陷。与大多数最先进的解决方案一样,其原理却非常简单。通常,导向块直径相当于材料的全尺寸,或构建3 个甚至更多导向块,在进给或回撤时与孔壁间不会存在任何自由活动空间。

不对称解决方案可使导向块以类似于常规导向块铰刀的方式设置,但通常与刀刃成180°的导向块,通过旋转,使得导向块的设计具有进入和退出导向部件的自由,即使在通过原始孔时也是如此。这种几何形状可使镗杆沿偏心路径通过原始孔。这个过程可描述为:一个导径铰刀进给完成行程5; 部件(或机床台面)旋转180o;不对称镗杆利用加工中心的x-y 轴实现偏心进给;刀具移动到中心,同时完成行程1 到4; 刀具快速偏心回撤。

这种不对称直线镗削保留了先前各种高精度孔镗削的所有优势,刀具两端支撑,却无需高成本的升降功能以及会造成阻碍的反向轴承,刀具内部也无需复杂的机构。同时,完成进给和回撤动作的速度比传统加工中心更快,从而提高了加工效率。

作为一种不对称解决方案,这种偏心镗杆解决方案采用了先进的可转位刀具。高精度RI8 刀片有八个切削刃, 带预设的锥度,可以实现高速进给。直径可以调节到1 微米的精度。锥形夹持螺杆能提供高锁持力,避免任何不稳定造成的影响。

插刀和不对称镗杆的设计均可使插刀直接插入镗杆主体。无需托架,因而避免了所需的额外的公差和空间。

总结

简而言之,这种不对称直线镗削解决方案提高了加工的稳定性、加工速度,并减少了刀具的维护和处理需求,同时兼容数控加工中心。所有寻求改进工艺的制造商都会发现, 这正是镗削解决方案的不二之选。


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