復式組合刀具的設計及應用

四工位自動刀架結構簡單、容易制造、品種多且規格全，可滿足我國經濟型數控車床、簡易數控和電子車床的使用要求。然而，在長期使用中尤其是大批量生產使用中，暴露出較為嚴重的缺陷，如：刀架不能起動，刀架連續運轉、到位不停，刀架越位過沖或轉不到位，以及不能正常夾緊等。為了解決四工位自動刀架在加工中存在的這些問題，筆者設計了一種不換刀位即可完成內外徑加工的刀具。

筆者公司某零件內外徑加工要求：內徑76mm，外徑130mm，頭部有R400mm圓弧需要加工，加工余量較大，如圖1所示。原加工工藝為1號外圓弧車刀、3號端面內孔車刀分別加工外圓弧及端面內孔，1號刀位加工完成后需經過2號刀位換刀后換到3號刀位，3號刀位加工完成后需經過4號刀位換刀換到1號刀位，1～4號刀位刀架如圖2所示。這種方式空運行時間較長，同時由于頻繁刀位轉換導致刀架定位銷磨損，切削液的使用導致換位接觸盤接觸不良，因此故障率較高且維修困難，維修后故障重復率較高，刀位經常歸位不準確，造成廢品^[1,2]。此外順序換刀使用兩種型號刀片（見圖3），增加了生產成本。

圖1　零件結構及尺寸

圖2　1～4號刀位刀架

a）外圓加工刀片

b）內孔加工刀片

圖3　兩種型號刀片

通過工藝分析和優化，設計出復式組合刀具（見圖4、圖5）。該復式組合刀具是在一個刀體上設置兩個刀片安裝位，其下刀位對端面內孔進行加工，上刀位加工R400mm外圓弧，刀具寬度為60mm。此刀具可加工φ65mm以上內孔，適用于加工外徑，該刀具兩個刀位共用CNMG120412刀片（見圖6），采用上壓鎖緊方式^[3]，這種鎖緊方式適用于大進給量切削，端面內孔使用80°刀片尖角，外圓弧使用其側邊100°余角，當下刀位刀片磨損后可給上刀位使用。

圖4　復式組合刀具結構

圖5　復式組合刀具實物

圖6　CNMG120412刀片

該復式組合刀具80°與100°刀片尖角的主要參數見表1。

表1　80°與100°刀片尖角的主要參數

用新設計的復式組合刀具進行試加工，可加工的零件數量有較大提高，且刀具單價下降，批量生產中具有較高的經濟價值。加工現場如圖7所示。

圖7　加工現場

刀具兩個刀尖相對位置是固定的，刀具在一個工位上可以設定兩組刀具偏置號——T0101、T0102，各取自用互不影響，下刀位T0101加工完成端面內孔時，返回安全換刀點后換上刀位T0102號繼續加工外圓弧，使其在一個工位上一次完成產品內外加工，其內外尺寸刀補調整靈活方便^[4,5]，程序如下。

00120

G98G54G21G40;

M03S500;

T0101;1號刀補下刀位加工

G0X200Z0;

......

G0X200Z100;

T0102;2號刀補上刀位加工

G0X120Z0;

……

M30

1）刀體長寬為170mm×60mm，由四方刀臺上3個緊固螺栓固定，因此刀體強度高，裝夾穩定，抗振性好。通過試驗對比發現，此刀具適合大切削量加工，切削次數由原來的兩次提升為一次，有效提高了加工效率，且零件表面質量穩定。

2）由于復式組合刀具是在刀臺一個工位上安裝，因此加工中不需換刀旋轉刀臺，解決了頻繁轉位換刀造成的故障問題，降低了設備使用故障率，提高了產品質量與加工效率。

3）復式組合刀具共用一種型號刀片，尤其外圓弧是利用廢棄刀片側邊100°余角來加工，有效降低了成本。通過復式組合刀具對兩個品種10000多件產品的實際生產，發現該刀具與同組兩工位刀具對比有效提高了產量20%，且避免了因刀臺轉位產生的故障，與同組兩工位刀具對比節省240h以上，刀具費用降低一半。

4）通過復式組合刀具的設計與應用，為后續開發復式組合多用途刀具提供了借鑒經驗及技術保障。在此基礎上可以開發出內外螺紋、切槽等多用途組合刀具，有效增加四方刀臺工位，同時使用4種復式組合刀具相當于刀位數量提高一倍，使該數控設備更適用于復雜零件的生產加工。

復式組合刀具在生產中有效彌補了四方刀臺的使用缺陷，提高了加工效率，降低了刀具成本，并且有效減少了刀具庫存，優化了工藝，提高了經濟效益，使5S管理精益生產更加科學。