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镗刀刀夹解析：提升内孔加工精度的关键

发布时间：

2024-09-20

镗刀刀夹解析：提升内孔加工精度的关键

在切削刀具中装有可转位插件的小刀夹已经使用多年。在现代制造环境中，小刀夹在镗、车、铣、钻等刀具中占有一席之地。小刀夹在车间流行的原因有很多:

当需要更精确的插入位置时，小刀夹允许刀具的可调整性。作为一个独立的组件，小刀夹可以与刀具的其他切削元件独立地精确移动，以补偿制造过程中的不完美。
卡匣可保护昂贵的刀具本体。碰撞是切削操作中常见的故障模式。即使在现代CAD/CAM系统改进的验证环境下，以及采用刀具监控系统，刀具的切削部分与工件之间发生碰撞的可能性仍然很高。卡匣的定位可避免所有“滥用”，并保护刀具本体免受严重损伤。
小刀夹使用公开市场上多个供应商生产的标准组件，从而降低了模具成本。
小刀夹采用经过适当热处理的优质合金钢，使刀具体材料更柔软、更轻便，从而提高了刀具的质量。
小刀夹允许用户在一个工具上建立多个站点，以便在单一路径中组合许多不同的操作。这种能力在提高材料切除率，特别是在大规模生产中起着重要的作用。

图 1 : 按照 ISO 5611 标准显示的典型小刀夹设计

ISO 5611卡匣的典型设计（参见图1）包括:

1由热处理合金钢制成的固体本体；2由硬质合金、陶瓷或超硬切削材料如PCD或CBN制成的切削插件；3.插件保持螺钉；4.无帽螺钉；5.轴向调整螺订；6.卡匣夹紧螺钉；7.垫圈；8.可选螺纹保持元件或螺旋线圈。

标准本身并不规定弹匣设计，而只规定主要尺寸。然而，随着时间的推移，不同的制造商联合起来创建一个主要设计，这就是为什么今天所有的弹匣看起来都一样。

过去三十年来，制造商对机床的设计和性能进行了显著的改进。纺锤变得更快，更刚性。准确度变得更高。通信和数据采集系统提高了机器的效率和产量。在开发新型硬质合金和超硬切削材料方面也取得了许多类似的突破。但切削刀具设计——尤其是使用ISO小刀夹的刀具——在行业其他领域落后于这一进步。

小刀夹类型和尺寸的主要标准ISO 5611（小刀夹，A型，可索引插件——尺寸）在2015年进行了重大更新，现在由12个子标准组成，从ISO 5611-1:2015到ISO 5611-12:2015。源自德标DIN 4985。

图2: 按ISO 5611标准通常安装的小刀夹

有几个因素特别过时（见图2），并剥夺了机床的成就:

使用螺纹间距大的标准插座固定螺钉，可产生低于现代要求的调整分辨率。例如，对于卡匣 10CA （10=距离切削刃的距离，以毫米为单位；C为卡匣；A为A型），螺纹的直径为M4 ，间距等于0.7mm。这意味着，为了完成螺钉的一次旋转，卡匣将径向移动0.7mm。
L/l>>1的比率进一步降低了调整的解决率。
由于筒体刚性，调整只能通过拉伸夹紧螺钉6来实现（见图1）。在实际操作中，较小的螺钉4与较大的螺钉6相对工作（见图2）。
由于弹壳体与弹壳底板间存在间隙，在切削力作用下，弹壳体不具有坚固的支撑。

这些缺点导致了一个繁琐的调整过程，需要多次重复。为了进行调整，操作员通常对夹紧螺钉6施加减小扭矩（见图1）。然后，他或她启动调整螺钉4，并把夹紧螺丝6固定到必要的规格。在这个过程中，弹丸体稍微变形，插件的目标位置改变。从这一点开始，一切取决于操作员的经验。一些操作员通过松开夹紧螺杆重新开始，而其他人使用径向螺钉来微调切削刃的位置。无法预测径向调整螺钉被夹紧螺纹卡住的程度。驱动螺钉的六角或扭矩工具的尺寸很小，可能不足以克服摩擦。

图3: 精细调节小刀夹的新概念是详细的。（Fr是径向切削力。）图为火狐电竞。

为了解决传统设计的缺陷，火狐电竞公司开发了一个卡匣概念（见图3），将新卡匣与机床领域的先进技术进行了重新组合。

如图 3 所示，这种新型盒式磁带是在柔性主体 1 平台上构建的。插入件 2 由盒式磁带前部的螺钉 3 固定。夹紧螺钉 6 带垫圈 7 和螺纹保持器 8 与原设计类似。游戏规则的变化在于集成差动螺钉 4 和推垫 9。差动螺钉上的螺纹由相同的铅制成，但节距不同。例如，一个螺纹可以是 M4 mm，另一个螺纹可以是 M4.25 mm。这使得节距为 0.25 mm，这比传统设计（0.7 mm）小得多。

此外，径向调节螺钉4位于角度a上。= 60度，以进一步精细调整的分辨率。10CA 弹匣的实际调整分辨率为0.019毫米（0.0007“）每旋转调整螺杆90度。在实际应用中，操作人员可以可靠地调整切削刃的位置，其精度可达0.001mm（0.00004）”).

推压垫的另一个优点是，在切削力（Fr）的径向矢量影响最大的区域具有强大的支撑力，并且减小了L/l的比率（见图4）。

图4: 改进的小刀夹的正常安装。

这种设计的一个典型特征是弹夹体的柔性，由凹槽10形成（见图3）。它要求并允许弹夹体和主机切削刀具之间保持恒定的预加载。这样做的一个积极效果是差动耦合零反弹，因此可以平滑地进行上下两个方向的调整。在进行调整时，也不需要松开弹夹螺丝。这大大减少了维护时间，使刀具更加人性化。

图 5 ： Von Mises 应力显示在最大变形时的凹槽区域。

在计算弹匣体的标称预载时，火狐电竞考虑了以下因素:

额外的最大变形为0.2毫米（0.008"）以补偿切削刃磨损。
离心力对高速应用的影响——例如，用PCD插件加工铝。
身体临界横截面上的最大应力（见图5）。

在整个操作过程中，为了补偿切削刃的尺寸磨损，需要最大限度地增加卡匣前部的变形。设计的目的是使卡匣保持在变形的线性范围内，防止疲劳失效。在对磨损的卡匣进行索引并调整到标称尺寸后，应力自动减小到标称。

在高速加工的情况下，筒体的前部按照方程（1）来利用离心力:

Fc = 0.01097 m r nrpm2 （1）2465

在哪里

m=质量（千克）

r=中心质量半径（以米为单位）

nrpm=每分钟转数

用于加工多个表面的典型镗刀如图6所示，前插件正在执行粗加工操作，而其他插件正在完成精加工和倒角。

图6:一个 普通的多工位镗床，全方位的内冷方案带有精细调整盒。

旋转速度 nrpm 以2的幂表示，说明了考虑离心力对弹匣标称预载的影响的重要性。一方面，离心力通过试图将弹匣的前部从托架上“抬起”来减少预载。另一方面，离心力的增加临界部分的应力。例如，如果这个工具以 nrpm =8，小刀夹000 rpm旋转，在0 rpm时，前部的质量是m=0.0199kg，那么离心力将达到489N（110磅）。

基于深层次的工程分析，火狐电竞建立了新小刀夹的几何约束，同时仍然符合ISO 5611标准的要求。新设计完全可以与原始互换，并已在实地得到证明。

火狐电竞公司的应用分析表明，在长度L=50 mm、高度F=14 mm、距离切削刃H=10 mm的10 CA型小刀夹中，75%的精加工作业可以完成。该公司还确定了三种主要的通用小刀夹类型，可以满足大多数应用。ISO 5611的其他类型和尺寸的小刀夹也可供选择。

火狐电竞建议尽可能使用经热处理至 60 HRC 的间隔件。这可通过防止凹坑底面和推块 9 之间的接触区域发生任何塑性变形，显著提高刀具的刀具寿命。（见图 3。）

间隔垫的另一个优点是能够磨削其厚度，以使卡匣适应不同的镗孔直径，以及能够使用铝、镁和碳纤维等更轻、更柔软的材料用于工装体。间隔垫在切削过程中吸收高压，并为切削体提供保护。为了允许冷却液自由流动，间隔垫具有一个缓冲区。

新的专利精细调整小刀夹设计的主要优点可归纳如下:小刀夹符合ISO 5611标准的要求，具有0.001毫米的高分辨率的调整；在调整系统中不存在反弹；在调整期间不需要解夹小刀夹；0.2毫米的足够范围可补偿切削刃的磨损；在切削刃下方的支撑小刀夹具有高稳定性。

这种新设计将产品提升到现代机床的技术水平，在现有操作中使用新的小刀夹可以将刀具寿命延长一倍以上，并显著改善最终用户的使用体验。