离心式反向锪孔刀的程序处理与加工应用

作者：魏小钧　胡德煌　闫亮亮

单位：铁科院北京纵横机电技术开发公司

来源：《金属加工（冷加工）》2019年第9期

1.典型零件结构

如图1所示零件结构局部示意图，零件为典型的双侧孔对称结构，且单孔内、外侧端面均需加工，孔径30+0.0340mm，孔端面直径50mm，孔内侧端面边缘距右侧及下侧部位的最小距离分别为4.5mm与10.2mm。

零件毛坯为铸钢，材料为ZG230-450,其屈服强度≥230MPa，抗拉强度≥450MPa，有一定的强度和较好的塑性与韧性，可切削性能良好，无需热处理可直接进行机加工。

2.零件结构工艺性分析

由图1零件可知，孔内侧端面边缘距右侧部位的最小距离为4.5mm，如果采用立铣刀进行纵向铣削该孔内侧端面，则允许的刀具半径应＜4.5mm,允许的刀具刃长应＞50mm。若选用φ8mm的铣刀进行铣削，其刀具刃长应大于6.25倍的刀具直径，刀具悬伸长，必然存在振刀与让刀现象，并且存在过切风险，尺寸与加工精度难保证。同理，孔内侧端面边缘距下侧部位的最小距离为10.2mm，若采用立铣刀进行横向铣削，同样不能避免悬伸过长的问题，依然存在振刀、让刀及干涉风险，被加工面尺寸与精度不能有效保证。所以需通过其他方法对该面进行加工。

根据零件双侧孔对称结构，我司基于现有可回转工作台卧式加工中心对零件进行加工，在完成单侧孔的加工后，工作台旋转180°，以同样方式进行另一侧加工。

3.刀具方案与加工应用

（1）T形槽刀。T形槽刀穿过被加工孔后，通过底刃完成孔内侧端面的铣削加工。在批量生产中，将加工步骤分为粗加工半精加工精加工，以保证加工尺寸54+0.0540mm的稳定性与一致性。通过3把刀具完成切削加工，可减少因换刀产生的停机等待时间。另外，精加工刀具在使用至一定寿命后，虽不能满足精加工需求，但依然可以用于半精加工，这样，刀具可以二次利用，节省刀具成本。

程序处理方面，需通过圆周插补方式完成孔内侧端面的铣削，为避免边缘毛刺的产生，在选用或定制刀具时，其径向背吃刀量应＞10mm（图示刀具理论背吃刀量为11mm）,同样在进行圆周铣削时，其走刀轮廓直径也应＞50mm（图示刀具在圆周铣削时，走刀轮廓直径可按51mm编制）。

整体加工应用方面，由于孔内侧端面通过3次圆周插补铣削完成加工，且精铣刀刀杆尺寸相对头部切削刃尺寸较小，刚性相对较差，进一步提高切削参数会引起振刀与让刀风险，致使加工精度丢失，所以整体加工效率较低。

（2）偏心式单刃铣刀。利用偏心式单刃铣刀加工孔内侧端面时，注意需通过机床主轴定向与刀具偏移完成刀具进出孔。如图2所示为偏心式单刃铣刀，准备切削时，使偏心式单刃铣刀回转轴线与孔中心保持5.5mm的偏心距，主轴定向，穿过孔后，再使刀具回转轴线与孔中心重合，通过底刃完成孔内侧端面的铣削加工。完成切削后，同理，保持5.5mm偏心距，主轴定向，退刀。

偏心式单刃铣刀在加工方式与程序处理方面，与T形槽刀相似，都是通过铣削方式完成孔内侧端面的加工。不同之处在于，由于是单刃，一部分尺寸补偿了刀杆直径，刀杆强度明显优于T形槽刀。同样由于是单刃切削，其进给速度低于多齿切削时的速度，所以其整体加工效率一般低于T形槽刀。

（3）柔性加工刀具——离心式反向锪孔刀。离心式反向锪孔刀（见图3）是一种柔性刀具，刀具反向旋转，刀夹合拢；刀具正向旋转，刀夹打开。进退刀方式为机床主轴带动刀具反向旋转，进退刀，切削方式为刀具正向旋转，Z向锪孔。因刀具反向旋转，刀夹合拢，所以刀杆可以接近孔径，保留一定间隙即可进退刀，刀杆更结实，强壮的刀杆可以保证更大的径向背吃刀量。该刀具为非铣削类刀具，不能进行铣削加工。

在批量生产中，将加工步骤分为粗加工半精加工精加工，以保证加工尺寸的稳定性与一致性，通过3把刀具完成切削加工，可减少因换刀产生的停机等待时间。另外，精加工刀具在使用至一定寿命后，刀具可以二次利用，用于半精加工，节省刀具成本。

程序处理方面，只需结合主轴正、反转控制，进行简单的Z向直线运动点位计算与处理即可实现加工，但仍需注意，应精确控制刀片合拢或打开动作的坐标点，否则会造成干涉与撞刀风险。总结程序编排及切削过程注意事项如下。

刀具确认与调试：确认所装刀片的刀夹能够在刀杆上转动自如，且不存在轴向浮动（必要时通过刀具顶部螺钉调整）。将刀具安装于机床主轴上，通过主轴正、反转控制刀具旋转，验证并确认刀片打开状态与合拢状态所需的转速（我司在实际加工中，精加工刀具采用转速1 500r/min、进给量0.05mm/r,能保证良好的切削效果）。

进刀方式：使刀具快速移动至孔口安全距离，刀具回转中心与孔中心重合，主轴按已确定的转速反转（M04指令），在活动刀夹刚穿入孔前（刀夹与孔外侧端面保留3～5mm安全距离），以切削用进给参数缓慢进入，刀夹穿入孔后可提高进给，当活动刀夹完全穿过孔深，到达刀片与内侧端面的安全距离位置（刀片与孔内侧端面保留3～5mm安全距离），即完成进刀动作，如图4合拢状态所示。注意，此过程不开启切削液，特别是中心内冷。

刀具切削过程：经主轴暂停（M05指令）过渡，使主轴正转（M03指令）进入切削状态，如图4中的打开状态，准备切削。依尺寸要求设定好背吃刀量，开启中心内冷，为保证表面质量，在刀片达背吃刀量后，进给暂停几秒，完成切削动作。

退刀方式：切削动作完成，刀具回退1～2mm，使刀片与加工面分离，关闭中心内冷，经主轴暂停（M05指令）过渡，主轴反转（M04指令）退刀，以切削用进给参数使刀夹缓慢退入孔中，然后快速退出，结束该内侧面的加工，机床工作台旋转进行另一侧的加工。

在整体加工应用方面，由于离心式反向锪孔刀柔性的刀夹结构，使刀具具有足够的刀杆直径与强度，以满足大径向背吃刀量需求。又因为刀具切削方式为直接进退刀切削，相比T形槽刀的圆周插补铣削，效率明显提升。如图5所示为加工后的成品。

4.分析与总结

通过分析对比上述３种刀具方案可知，柔性加工刀具——离心式反向锪孔刀相比于T形槽刀与偏心式单刃铣刀，加工效率明显提升。因其刀夹柔性可合拢，使刀具有足够的刀杆直径与强度，从而保证可靠稳定切削。当然，离心式反向锪孔刀在切削中是满刃切削（刀片切削刃全刃同时接触工件进行切削），切削抗力相对较大，对机床及工装的可靠性与稳定性需求相对较高，所以在实际应用中，应根据实际加工工况，灵活应用上述加工方案，形成最适合的工艺解决方案。对于类似本文所述的零件结构，柔性加工刀具——离心式反向锪孔刀可以做为一种有效且高效的刀具方案应用于实际加工中。