高精度焊接式双刃PCD刀具刃磨技术

HEATS · 发表于 2010-9-12 15:55:11

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随着PCD、CBN等超硬材料刀具在汽车、摩托车、空调压缩机、木材加工等行业的广泛应用，对此类刀具的市场需求日益增加。目前国内已有约20家企业从事超硬刀具的开发、加工与刃磨，但其中大部分厂家都局限于低端产品(如精度要求不高的刀片装夹式超硬刀具等)的加工，导致此类产品市场竞争激烈。而一些高端产品(如高精度焊接式PCD刀具等)却因为技术要求高、加工难度大而少有厂家问津，产品仍主要依靠进口。据统计，2001年上海大众汽车有限公司的2VQS发动机生产线消耗的进口高精度焊接式PCD刀具费用已超过100万元人民币(Passat、Polo车型的发动机加工刀具费用尚未统计在内)。一汽大众的2VQS发动机生产线与上海大众基本相同，对此类刀具的消耗量也很大，再加上全国其它汽车、摩托车制造厂及相关行业的刀具消耗，可见对于高精度焊接式PCD刀具有着巨大的市场需求。为降低生产成本，企业迫切希望实现此类刀具的国产化加工与刃磨。

1 高精度焊接式PCD刀具技术要求

高精度焊接式PCD刀具的技术要求较高。刀柄采用HSK接柄或安装在HSK液压夹头中的直柄；PCD刀具长度小于150mm，直径在50mm以内，刀刃直径公差为0.003mm，精度等级IT2～IT3，IT3精度的同轴度公差为0.003mm。

焊接式PCD刀具刃口与刀柄的同轴度误差由磨削加工误差和刀具安装误差综合而成，要将其控制在0.003mm范围内相当困难。为了保证0.003mm的刀具外径公差，对加工机床和磨削工艺方法的加工精度也提出了很高要求。此外，为了实现高精度焊接式PCD刀具的准确测量，要求测量仪器的综合测量精度达到微米级，且作用于刀具刃口的测量力应控制在150mN以内。

2 高精度PCD刀具磨床

现以远山机械股份有限公司生产的FC-500D型PCD&CBN刀具磨床为例，简要介绍高精度PCD刀具磨床的结构特点与加工性能。

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机床特点 8 O; ~% M1 s( V! v1 M- G; |
FC-500D型PCD&CBN刀具磨床的砂轮行程为500mm，可满足长度为150mm刀具的磨削行程要求。利用机床的旋转工作台及其转角显示功能，可实现刀具刃口1:1000～1:1500的倒锥磨削要求。砂轮座和工作台导轨均采用瑞士Schnee Berger高精度滚柱线性导轨。工作台进给方式为气压柔性进给，手柄每格进给量为1µm(显示器显示)。刃磨时砂轮与刀具的接触压力可调。磨头高度位置可调，可磨削大直径PCD锯片铣刀。磨床上配置了高精度摄像系统(CCD)，可通过屏幕清晰显示刀具刃磨加工情况(放大倍率15～120倍)，同时可通过显示器屏幕检测刀具刃口圆弧(可测最小圆弧R0.05mm)。
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分度工作头 9 Q. E% ~& {* {7 n! T7 j8 M
为实现高精度PCD刀具的精密刃磨，磨床上设计了可微调角度的分度工作头。该工作头采用SK40主轴内孔和蜗轮蜗杆副传动的主轴微调机构。当蜗杆与蜗轮脱开时，主轴可实现快速转动。24等分的分度盘与主轴可空套或联锁。固定在夹具体上的插销可插入分度盘缺口内，使分度盘与主轴在圆周上定位固定(此时分度盘与主轴处于联锁状态)。24等分分度盘适用于加工2、3、4、6、8等分的刀具，如需加工5、7等分的刀具，则需改用20等分或28等分的分度盘。 0 W) W7 P7 p0 ?. @" G. j' g* ~2 d! e9 x$ `0 e/ G7 W1 D' M5 d$ w9 d' Q5 A) ?# b/ Z4 B: @- Z' K2 e# v8 k. J$ \. m

1,2.紧定螺钉 3.小平面(×4) 4.内六角螺钉(×4)
图1 可调中心变径套结构示意图
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变径套 $ ~4 g, N$ S0 C; E5 F# d. |
由于分度工作头采用SK40主轴内孔，因此加工HSK柄部的刀具时，必须利用变径套才能将刀具固定在工作头主轴内孔中(加工直柄刀具时，也可先将刀具装在HSK柄的液压直柄夹具中，然后通过变径套装入工作头主轴内孔中)。由于主轴内孔和变径套均存在同轴度误差，因此为满足刀具加工的同轴度要求(0.003mm)，采用了国外开发的可调中心变径套新技术。该变径套结构(见图1)由两部分组成，左边为SK40部分，可安装到分度工作头主轴内孔中；右边为HSK部分，可与刀具的HSK柄部联接。左、右两部分之间采用轴、孔定位联接，由四个内六角螺钉4固定。轴与孔之间为间隙配合，配合间隙即为中心调整范围。轴上有四个小平面3。左、右两部分轴线的同轴度偏差由正对小平面3的内六角紧定螺钉1调整，轴线的平行度由紧定螺钉2调整。变径套调整好后，应在SK40柄部和与之配合的分度工作头SK40内孔的圆周上作出标记，以确定变径套安装位置，避免重新安装变径套时重复调整同轴度。
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刀具在线测量装置

笔者与有关单位合作研制的高精度PCD刀具在线测量装置的结构见图2。测量装置安装在机床工作台的侧面并可随工作台一起移动，它与安装在工作台上分度工作头中的刀具相对位置保持不变。测量装置的立柱1可上、下移动，将测量头部件4调整至与刀具中心等高。立柱1还可作180°回转，当测量装置不工作时，可使测量头部件远离刀具。立柱1的顶部装有十字拖板2，测量不同长度刀具时，纵向小拖板可沿刀具轴线方向移动(行程可达150mm)；横向小拖板可沿刀具径向移动(行程可达50mm)。测量不同直径刀具时，测量头部件4的径向位置可调。测量臂3安装在十字拖板2上，测量头部件4安装在测量臂3上。测量刀具直径时，测量头部件的轴线必须与刀具轴线垂直，否则测量结果将大于刀具实际直径，为此，在测量头部件上方安装了可沿垂直轴线回转的微调装置5，以保证测量头轴线与刀具轴线垂直。

1.立柱 2.十字拖板 3.测量臂 4.测量头部件 5.微调机构 6. 支架 7.弓形臂 8.固定测量头 9.光栅尺 10.移动测量头 11.刀具 12.工作台 13.回转工作台 14.分度工作头 15.变径套
图2 PCD刀具在线测量装置结构示意图

如图2所示，测量头部件4由支架6、弓形臂7、固定测量头8、光栅尺9和移动测量头10组成。固定测量头安装在弓形臂上，移动测量头安装在光栅尺9上，光栅尺9可在支架上移动。固定测量头和移动测量头采用行程为3～5mm的测量光栅，光栅尺9的测量行程则为50mm，光栅测量精度均为1µm。

该测量装置可测量PCD刀具的直径和圆跳动，测量力小于150mN。测量时，首先移动光栅尺9使移动测量头10与固定测量头8接触并置零，然后打开移动测量头10(以不接触刀具为准)；转动分度工作头使刀具刃口略低于水平面，调整轴向小拖板使被测刃口部位处于两个测量头之间，锁紧轴向小拖板；调整径向小拖板使固定测量头8与刀具接触约1mm(可通过显示器观察)；移动光栅尺9使移动测量头10与刀具接触，锁紧径向小拖板，调整微调机构5直至显示器显示的直径尺寸最小(即测量头轴线与刀具轴线垂直)；缓慢转动刀具，使刀刃与固定测量头接触，当测量头触测到刀具容屑槽时，测量装置记录到的最大值即为刀具直径尺寸，此时显示器显示出刀具直径值和固定测量头的最大读数值。然后将刀具转过180°，按相同方法再测量一次(此时可退出移动测量头)，固定测量头又可测得一个最大值，两次测量值之差即为刀具刃口圆跳动量。测量刀具刃口圆跳动时，整个测量系统在两次测量过程中不应发生位移或振动，否则将影响测量结果的准确性。如测量系统刚度不够，测量值波动较大，也可采用另一方法测量圆跳动，即将测量头固定在磁性表座上，磁性表座安装在机床床身上，分别测量刀具的两个刃口，也可测出刀具的圆跳动量。

图3 挺杆孔刀具78-33C-205026

3 PCD刀具的精密刃磨工艺

国外有关研究文献指出，高精度PCD刀具的刃磨加工不能采用先磨外圆再磨后角的传统刃磨方法，因为这种刃磨方法易导致刀具刃口崩刃，且加工同轴度难以保证。对于小直径PCD刀具，其刀杆中心孔在加工PCD刀片的刀片槽时已被破坏，因此也无法采用传统方法刃磨外圆。为保证PCD刀具外圆和同轴度的加工精度，必须采用单边修整法进行刃磨加工。现以挺杆孔刀具78-33C-205026(见图3)的加工为例，说明高精度PCD刀具磨床刃磨工艺步骤。

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装刀 `4 ^* q8 W0 W$ H9 T# \9 f) I% s! d5 [
将待加工刀具装入变径套，然后装入可微调角度的分度工作头中。注意：刀柄、变径套和分度工作头内孔必须擦拭干净，否则难以保证安装同轴度。
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调整安装同轴度 / n! ^1 ^* k i, M2 X
将千分表置于刀具的调整环A和B上(见图3)，调整紧定螺钉2(见图1)，使刀具轴线与工作头主轴轴线平行；调整紧定螺钉1(见图1)，使刀具轴线与工作头主轴轴线重合。调整后的安装同轴度误差应小于1µm。
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调整刀具刃口位置 6 x" f$ V! I% `4 r% w* w% V6 H
转动刀具使刃口处于水平面上(比水平面略低)，调整好砂轮后角，在刀具两个刀刃的后角处磨出刃口。用测量装置的两个测量头与刀具后面接触，然后缓慢移动刀具，使刀具刃口与测量头接触，当显示的测量数据为最大值时，刀具位置前角为0°。将分度工作头插销插入等分盘缺口内，并使等分盘与工作头主轴联锁。
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刃磨端面后角 2 k+ r3 U1 Z9 m: _, E
脱开测量装置，将回转工作台转过90°，将砂轮调整到端面后角，刃磨端面两个刃口；然后将刀具从变径套中拆下，用光学对刀仪测量刃口的等高性和180°顶角，并通过回转工作台进行调整，直至达到加工要求；然后测量HSK基准面到刃口的距离，通过刃磨达到112±0.03mm的尺寸要求(如果是阶梯刀具，则按照图纸磨削出阶梯长度和阶梯角)。
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刃磨刀具圆周刃口 * x5 Y" ]% o3 \. i/ q( w: k
将回转工作台按顺时针方向转过90.086°，经调整后磨出的刀具有1.5×10-3的倒锥；将砂轮角度调整为刀具圆周后角，分别刃磨出两个刃口的后角。按前述测量方法测出刀具直径D和圆跳动d，并判别两个刃口的半径大小。设刀具的大边半径为R₂，小边半径为R₁，则有D=R₁+R₂，d=R₂-R₁；R₂=(D+d)/2，R₁=(D-d)/2。设刀具公称半径为R₀，则大边修磨余量为R₂-R₀，小边修磨余量为R₁-R₀。根据测量计算结果，对两个刃口边刃磨边测量，直至刀具的直径尺寸和同轴度均符合加工要求为止。

图4 刀具切削加工中的磨损规律

4 PCD刀具的刃口处理

新刀具在切削加工中的磨损规律通常如图4所示。图中，横坐标为加工零件数，纵坐标为刀具磨损量。刀具磨损过程可分为三个阶段：初始磨损阶段1、尺寸稳定阶段2和急剧磨损阶段3。在PCD刀具的刃磨加工中，刃口处理对于提高刀具使用寿命十分重要。以加工发动机气门孔用PCD刀具为例，进口刀具的正常使用寿命为3万件，但未经刃口处理的自制刀具仅加工300件后零件尺寸即偏小超差，其主要原因是刀具初始磨损阶段的磨损量超过了刀具公差，当刀具磨损进入尺寸稳定阶段时，加工零件尺寸已超差，虽然刀具刃口状况良好，但不得不报废。刃口处理的目的就是刃磨时预留初始磨损量，当刀具磨损进入尺寸稳定阶段时其加工尺寸正好处于公差范围内，以延长刀具使用寿命。

刀具刃口处理的具体方法可根据加工情况而定，可采用手工方法钝化刀具刃口，去掉毛刺和锋口；也可在原有后角上再刃磨出1°的第一后角，后角棱边宽度0.08～0.10mm。刃口处理时应将磨床的砂轮更换为粒度更细的超精级砂轮，如PCD刀具加工铝合金时的第二后角为11°，则刃口单边预留量应为14～18µm。

5 PCD刀具的动平衡

超硬刀具通常用于高速切削，切削速度可达普通切削的5～10倍，因此制作新刀具时必须经过动平衡。刀具应安装在刀辅具上一起作动平衡。根据ISO 1940/4的要求，刀具允许的动平衡量U(gmm)为 U=9549GW/n式中：G——动平衡等级，对于刀具，G=2.5

W——刀具加上刀辅具的重量(kg)

n——刀具加工时的转速(r/min)

如检测表明动平衡超差，可在刀具或刀辅具上钻孔以去掉不平衡量，具体操作可在刀具动平衡机上进行。

6 加工环境要求

高精度PCD刀具的刃磨加工对加工环境提出了较高要求。安装机床时，应设置避震沟，以减小外界震动对机床加工精度的影响。加工车间内应有恒温设备，以保持20～25℃的加工环境温度(与高精度PCD刀具的使用环境温度一致)，以减小刀具尺寸的温度误差。在装夹刀具时，应使用专用工具将刀具与变径套、变径套与工作头之间的接触面仔细擦拭干净，否则夹杂其间的灰尘(虽然粒度仅几个微米)可能导致刀具同轴度超差。此外，灰尘和高湿度易使测量装置发生故障，因此测量装置未使用时应包上布袋防尘，布袋内放上干燥剂防潮。

由于高精度PCD刀具刃磨机床采用手工操作，因此操作者的加工技术及经验是保证加工精度的关键因素，对操作者的技术培训也是高精度PCD刀具刃磨加工技术的重要环节。【MechNet】

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