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大直径孔的镗削加工
来源:《工具展望》   发表时间:2014/7/5 16:30:00  浏览次数:
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    镗削是一种常用的精密孔加工方法,但大直径孔的镗削加工却是一个并非人人皆可参与的利基市场。肯纳公司全球产品经理Ron West指出,“根据不同的行业,在某些制造领域,你可能只能找到为数不多的几家车间能够从事大直径镗削加工。长期从事这种加工需要有大型加工设备和专门的技术。”
    许多镗刀制造商认为,直径200mm以上的孔就属于大孔,这种尺度的镗孔加工相当普遍。不过,对大孔的定义并无统一标准。德国镗刀制造商Wohlhaupter公司总裁Karl Hochuli说,“大型镗刀的加工直径在1m以上,刀具行业通常将1m以下的孔径视为标准规格。但对我们来说,3.25m以下的孔径都属于标准规格。”
    需要对工件进行大直径镗削加工的领域包括能源、造船、采矿、建筑等行业。Big Kaiser精密工具公司加工经理Matt Tegelman表示,“在石油和天然气行业,我们需要对很多在大孔尺度范围内相对较小(直径500mm以下)的孔进行镗削加工,此类零件包括各种阀门、防喷装置、压裂泵等。”
    粗镗、半精镗和精镗
    在对大直径孔进行镗削加工之前,加工车间通常要用铣刀进行圆弧插补铣孔,以切除大部分毛坯余量,只留下刚好够粗镗和精镗的加工余量。
    粗镗刀通常都是双刃镗刀。Walter美国公司产品经理Pat Nehls说,“根据不同的加工条件,粗镗可以采用12.5mm或更大的切深。如果对孔的精度要求不太高(如尺寸公差为±0.13 mm时),则可考虑采用能在一次加工中同时完成粗镗和精镗的刀具。”
    镗削大直径孔时,金属切除能力可能会受到机床额定扭矩的限制。例如,如果要用直径1m的镗刀以13mm的单侧切深量切除工件材料,就需要大于3,000Nm的扭矩,而现在的机床不可能满足这一要求。加工这种孔径的大孔时,可以采用1.5-3mm的单侧切深量。开始时采用1.5mm的单侧切深量,然后逐渐加大,直到机床和刀具达到承受上限为止。
    精镗刀通常为单刃镗刀。精镗大孔时,需要切除的加工余量通常为0.5-0.8mm。
    也可以用组合式粗镗刀来替代粗镗刀和精镗刀。这种刀具采用安装在不同轴向平面上的两枚粗镗刀片,可通过一次走刀切除双倍的加工余量。用双刃粗镗刀加工时,两枚刀片具有相同的长度,并同时接触工件。而组合式粗镗刀的一枚刀片比另一枚刀片稍长一些(如长出0.30-0.38mm),两枚刀片交错切削。较长的刀片首先接触工件,并在工件一侧切除9.5-10mm的余量,然后由较短的刀片切除其余部分的加工量。两枚刀片在工件另一侧也可以切除相同的加工余量。因此,这种组合式粗镗刀可在一次走刀中切除更多的工件材料。
    同样的原理也可应用于粗镗和精镗加工。首先由粗镗刀片对工件进行粗镗,而精镗刀片的装刀直径使其能精确完成精镗加工。Hochuli说,“如果在工件一侧,粗镗刀片的轴向安装长度比精镗刀片长0.3-0.5mm,就能获得不错的表面光洁度,并在一次走刀中切除更多加工余量。我们将这种加工方式称为组合式半精镗和精镗。”
    然而,对表面质量要求很高的精镗加工则需要采用单刃镗刀。加工表面光洁度通常取决于刀尖圆弧半径。例如,用刀尖圆弧半径为0.2mm的精镗刀片加工时,如果进给量超过0.2mm(即大于刀尖圆弧半径),表面质量就会恶化。Hochuli说,“如果你的进给量始终小于刀尖圆弧半径值,就能获得不错的表面光洁度。进给量越大,光洁度就越差。”
    通常情况下,随着加工孔径的增大,尺寸公差要求也有所放宽。BIG Kaiser的Tegelman补充说,“当镗孔直径超过250mm时,要求尺寸公差小于1/1,000或2/1,000的情况并不多见。”
    大直径镗刀
    为了实现大孔镗削,镗刀制造商通常采用具有滑块和桥式结构的模块化镗削系统。这种镗刀可以快速而有效地改变镗孔直径,使用户不必定制各种尺寸的专用镗刀。
    Tegelman说,“例如,我们的精镗刀上通常有四个基本部件:凸缘、伸长滑块、精镗头和配重。如需镗削更大直径的孔,只需调整伸长滑块即可。”
    为了减轻负荷,一些镗刀部件采用铝合金制造。Hochuli说,“刀具重量至关重要。镗刀越重,机床主轴承受的负荷就越大。如果所用镗刀太重,当其伸入孔中时,刀具前部所在的高度(加工平面)就可能发生变化,从而产生较大的径跳误差。这就是所谓的‘角矩’。”
    自动换刀机械手也必须具有足够大的力量,才能将大型镗刀安装到机床主轴上和从主轴上卸下。而采用铝制部件可以减轻镗刀重量,使用户不必以手动方式或用桥式起重机来装卸庞大而沉重的大型镗刀。
    Walter美国公司的Nehls指出,将大型镗刀放回机床刀库时,可能会遮挡住相邻的刀座,从而减少可装载刀具的数量。他说,“我们采用一个转接器,将镗刀旋转90°,使其直立放置,这样就不会遮挡相邻的刀座。”
    镗削大孔时,机床的主轴转速通常并不高,约为2,000r/min以下(取决于加工孔径的大小)。因此,刀具的平衡不会成为大问题。由于双刃粗镗刀每侧各有一把刀具,因此基本上处于自然平衡状态。精镗刀的一侧设置了配重,用于平衡位于另一侧的刀片和夹头。加工孔径在200mm以上的精镗刀通常都会设置配重。
    镗孔机床
    大孔径镗削通常是在具有CAT50、HSK100或更大主轴尺寸的卧式镗铣床以及卧式和立式加工中心上进行。肯纳公司战略营销集团的投资组合经理Chris Merlin说,“如果需要镗削——比方说——φ250mm、φ300mm或φ350mm的孔,可以采用传统的铣床。采用何种机床更多取决于工件的尺寸。如果你能将工件装夹在机床上,就可以加工上面的孔。但如果需要加工真正的大型工件,就需要专用加工设备。所用的机床必须具备加工大型工件的能力。”
    由于大孔镗削的主轴转速较低,因此镗刀的振动也较小。不过,镗刀的长径比越大,振动也越大。Hochuli说,“通常,当镗刀的长径比不超过5∶1时,加工效果最好。”
    由于Z轴行程的限制,传统的机床在镗削深孔时可能会遇到困难。虽然可以采用带接长杆的刀具夹头,但它们可能会引起振动、刀具磨损、精度下降等问题。而在卧式镗铣床上,可以利用套筒来延长主轴长度,从而镗削加工更深的孔。Z轴(套筒)与W轴(工作台)可以相向移动。
    Tegelman说,“即使采用可减轻刀具重量的铝制部件,大直径镗刀仍然很重,很难实现深度超过500mm的大孔加工。采用套筒式主轴的机床为大直径深孔镗削提供了一个更为稳定的平台。”
    美国机床供应商Methods机床公司提供的Feeler卧式镗铣床具有很长的套筒行程。该公司Feeler产品经理Paul Hurtig介绍说,“该机床的Z轴行程长达1,700mm,再加上套筒在Z轴上的行程890mm,可以镗削加工非常深的孔。”该公司还提供各种套筒接长套,它们可以安装在主轴端面上,用于在套筒大部或全部伸出的镗削加工中加强对套筒的支撑。
    三菱重工美国公司提供了两种新型落地式MAF卧式镗铣床,其镗削主轴直径分别为150mm和180mm。该公司总经理尾谷崎润一郎介绍说,“该机床没有采用套筒式主轴。镗削加工由滑块(Z轴/头架)和镗削轴(W轴)共同完成。边长为420mm的方形滑块可以向外伸出和向内缩回,同时为镗削主轴提供支撑,使其能在狭窄的工作空间内完成最大深度达2,235mm的镗孔加工——该深度为滑块在Z轴的长度1,245mm与镗削主轴在W轴的长度990mm之和。”
    按照不同的孔径,用于大孔镗削的典型刀具夹头包括CAT 50、CAT 60、HSK 100、HSK 125等型号。加工非常大的孔径(通常超过1m)时,可用螺钉将镗刀直接紧固在主轴上。
    肯纳公司的ModBORE镗刀安装在标准的套式铣刀接头上,或直接夹持在主轴端部。Merlin说,“套式铣刀接头是一种常用的刀具接头。ModBORE镗刀也使用这种接头,通常是装夹铣刀的φ50.8mm或φ63.5mm接头。”
    冷却问题
    在可能有利于提高刀具寿命和帮助排屑的情况下,建议在镗削大孔时使用冷却液。不过,对于大孔镗削来说,排屑并不是什么大问题,因为孔很大,镗刀只会占用其中一小部分空间。
    Wohlhaupter公司的Hochuli说,“无论采用何种冷却方式,最好能保持前后一致。如果采用干切削(如镗削铸铁),应从头到尾都不使用切削液,并用压缩空气吹走切屑。”另一种选择是用雾化冷却剂冷却刀具切削刃,同时用压缩空气向前吹走切屑。
    在卧式镗铣床上镗削大孔时,冷却液的使用可能会成为一个问题。因为此类机床是开放式结构,因此不可能采用喷淋冷却方式。可以采用内冷却式镗刀进行加工,但必须对加工情况进行监控。Methods公司的Hurtig说,“内冷却加工需要精心控制。一般来说,换刀后不能像在加工中心上那样马上打开高压冷却液开关,而要在镗刀正好处于孔前加工位置,或在镗削加工开始后才开启冷却液。”
    大孔镗削加工能否成功,最终取决于机床本身。Hochuli说,“了解机床的加工能力十分重要,一切都取决于机床的质量和装调。即使镗刀具有十分优异的切削性能,也只能在机床的加工能力范围内运行。”
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