Fagersta, 2019年3月 — 在当前制造业，使用加长刀具加工精密钻孔和进行车削变得愈发困难。 市场对更严密公差和可靠重复性的需求日益增长。新的高性能工件材料更难以加工，并且增大了加工系统内的应力。为了节省时间和成本，制造商正在将多个零件整合到单个整体工件中，但此类工件需要在多任务机床上加工深孔和车削复杂部件。

要克服这些挑战，制造商必须研究其加工系统中的所有要素，并采用可靠的加工技术和刀具。关键要素包括机床稳定性、刀具夹持、工件夹紧和刀具槽型。通常，坚固的夹具、刚性刀具和谨慎的刀具应用是精确高效镗削和长悬伸车削加工的基础。

石油天然气、发电和航空航天部件的生产商是新型加工刀具和技术的主要潜在买家，他们经常处理那些需要使用长悬伸刀具进行加工的大型复杂部件。这些部件大多是由难以加工的坚硬合金制成，需要施加高切削力，但容易引发振动。通常，如果能够改善长悬伸镗削加工的生产率和成本，几乎所有的制造商都会受益。

 

变形和振动

深孔镗削与其他切削加工的区别在于，切削刃在距离机床接口较远的孔内进行加工。长悬伸内圆车削加工具有类似的加工条件，并且这些镗削和车削加工均可能涉及断续切削的孔，比如在泵壳、压缩机壳体等工件中。所需的刀具悬伸量取决于孔的深度，并且可能导致镗杆或加长车刀弯曲变形。

变形会放大切削过程中的变力，引起振动和颤动，进而会损害零件表面质量、加快刀具磨损、造成刀具断裂以及损坏机床部件（例如主轴），并且被迫需要进行昂贵的维修和长时间停机。变力是由机床部件失衡、系统刚性不足或加工系统构件的共振引起的。此外，随着切屑的形成和断裂，刀具周期性地加载和卸载，因此切削压力也会随之变化。加工振动的不利影响包括表面质量变差、孔尺寸不准确、刀具磨损加快、材料利用率降低、生产成本增加以及刀柄和机床损坏。

 

机床刚性和工件夹紧

控制加工振动的基本方法是最大限度地提高加工系统的刚性。为了限制不必要的运动，机床应当采用坚固的重型构件制造而成，并用混凝土或其他吸振材料加固这些构件。机床轴承和衬套必须装配紧密、坚固耐用。

工件必须准确定位，并且牢靠地固定在机床内。夹具应以简约和刚性作为主要的设计考量，并且应尽可能靠近切削加工点。从工件角度来看，薄壁零件、焊接零件以及无支撑截面的零件在加工时容易产生振动。零件可以重新设计以提高其刚性，但这样会增加成品的重量并降低其性能。

 

刀柄

为了最大限度地提高刚性，镗杆或车杆必须尽可能短，但长度需确保能够加工整个长度的孔或部件。镗杆直径应尽可能大，但前提是适合镗孔并且仍然可以高效地排屑。

随着切屑的形成和断裂，切削力会上升和下降。力的变化成为振动的另一个来源，这种振动可能与刀柄或机床的固有振型发生共振，并会自我维持甚至增强。刀具磨损或走刀深度不够也会引起这种振动。这些因素会导致加工过程不稳定，或者与机床主轴或刀具的固有频率发生共振，进而产生有害的振动。

镗杆或车杆悬伸较长时可能触发加工系统发生振动。控制振动的基本方法包括使用较短的刚性刀具。刀杆长径比越大，发生振动的可能性就越高。

不同的刀杆材料具有不同的振动行为。长径比不超过 4:1 (L/D) 的钢制刀杆通常具有抗振性。由钨合金制成的重金属刀杆比钢制刀杆更致密，在长径比高达 6:1 时仍具有抗振性。整体硬质合金刀杆拥有更高的刚性，允许抗振长径比达到 8:1，但其缺点是成本较高，特别是在需要大直径刀杆的情况下，更是如此。

另一种减振方法是使用可调刀杆。这种刀杆具有内部减振块，能够与有害的振动异相共振、吸收其能量并使振动最小化。例如，山高刀具的 Steadyline 减振刀柄采用一个被动动态减振系统，内置预调过的重金属阻尼单元，包含一个由高密度材料制成的阻尼体，该阻尼体靠近刀柄前端，支撑在刀柄腔体内。当切削刀具将振动传递到杆体时，阻尼体会立即吸收振动，从而减少整个刀柄的振动变形。

在更加复杂和昂贵的主动刀具减振方法中，可采用电子驱动装置的形式来感测振动的存在，并使用电子致动器在刀柄中产生次级运动来消除有害运动。

 

工件材料

工件材料的切削特性可能引起振动。材料的硬度、形成积屑瘤的倾向、形成加工硬化的倾向或坚硬夹杂物的存在会改变或中断切削力，进而可能产生振动。在某种程度上，调整切削参数可以在加工某些材料时将振动降至最低。

 

刀具几何形状

切削刀具本身会发生切向和径向变形。径向变形会影响孔径精度。在切向变形时，刀片被迫向下远离零件中心线。尤其是镗削小直径孔时，孔内径的弯曲会减小刀片和孔之间的间隙角。

切向变形会向下推动刀具并远离所加工部件的中心线，进而减小间隙角。径向变形会减小切削深度、影响加工精度和改变切屑厚度。

刀片前角、主偏角、刀尖半径等几何特征会增强或减轻振动。例如，正前角刀片会产生较小的切向切削力。但正前角配置会使间隙变小，因此可能引起摩擦和振动。大前角和小切削刃角会产生锋利的切削刃，从而减少切削力。然而，锋利的切削刃容易受到冲击损坏或出现不均匀磨损，进而会影响孔表面质量。

较小的切削刃主偏角会产生较大的轴向切削力，而较大的主偏角会产生径向力。轴向力对镗削加工的影响有限，因此主偏角较小比较合适。但是，较小主偏角也会使切削力集中在切削刃的较小部分，这可能会对刀具寿命产生不利影响。此外，刀具主偏角会影响切屑厚度和切屑流动方向。刀片的刀尖半径应小于切削深度，以尽量减小径向切削力。

 

切屑控制

清除孔径中的切屑是镗削加工中的关键问题。刀片槽型、切削速度和工件材料的切削特性都会影响排屑。镗削时需要短切屑，这样可以更容易从孔中排屑并使切削刃受力最小。高度轮廓化的刀片槽型虽然专门用于切断切屑，但往往会消耗更多的动力并可能引起振动。

如果需要加工出良好的表面质量，可能需要采用较浅的切削深度，但这将产生更薄的切屑，从而增加了切屑控制难度。增加进给量可能有助于切断切屑，但会增加切削力并产生颤振，这会对表面质量产生不利影响。在加工低碳钢时，高进给量还会导致积屑瘤，因此在镗削这些更具韧性的合金钢时，增大切削进给量并采用最佳的内部冷却液供应可能是合适的切屑控制解决方案。

 

结论

使用长悬伸刀具进行深孔镗削和车削是非常重要的常见金属切削加工类型。为了高效地执行这些加工，需要对整个加工系统进行评估，以确保通过综合措施尽量减少振动并保证产品质量，从而实现最高的生产率和收益率。

 

通过减振刀具提升生产率

山高刀具的 Steadyline® 减振刀柄不仅可以使典型长悬伸加工的速度提高到非减振刀具的两倍，而且还可以改善零件表面质量、延长刀具寿命并减小机床所受应力。该系统的被动式动态减振技术可以实现某些特定的加工应用，例如使用长径比大于 6:1 的刀具，其他系统即使在最简单的加工参数下也无法实现这一点。对于深达 10xD 的大孔和小孔，车削和镗孔加工可靠且高效。

Steadyline® 被动式动态减振系统的工作原理基于振动力的相互作用。在加工中，切削力会引起刀柄运动（振动）。为了抵抗振动，Steadyline® 系统内置预调过的重金属阻尼单元，阻尼体具有与刀杆的外部包络层相同的固有频率。阻尼体可以与有害的振动异相共振、吸收其能量并使有害的运动减至最少。

在 Steadyline® 系统中，阻尼体靠近刀柄前端，因为该位置发生弯曲变形的可能性最大，阻尼体可以在振动从切削刃传递到刀杆主体时立即减振。此外，Steadyline® 系统还含有短小紧凑的山高 GL 刀头，可使切削刃靠近减振块，从而最大限度地提高吸振效果。该系统应用广泛，最适合粗镗和精镗以及轮廓加工、腔体加工和开槽。

山高刀具扩充了 Steadyline® 系列减振车削/镗削刀杆和刀头产品，使长悬伸车削和镗削解决方案更为完善。新增产品包括 D25 直径（1.00"）和 D100 直径（4.00"）的 Steadyline® 减振车刀杆、GL25 车削刀头和一系列 BA 镗头，适用于直径高达 115 毫米的粗加工和精加工。

通过使用 GL 接头，可以快速更换镗削和车削刀头，对中精度和可重复性达到 5 微米，并支持刀头 180°换向。

采用 GL25 接口、D25 直径（1.00"）的刀杆包括硬质合金增强刀杆，用于应对深达 250 毫米的最大刀具悬伸，并且还包括 Seco-CaptoÔ、HSK-T / A 和圆柱柄机床侧接口。D100 减振车刀杆（4.00"）可安装现有的 GL50 车刀头，并通过 BA至GL50 转接头引入了 Jetstream Tooling® 高压冷却液技术。

相比传统刀具，Steadyline® 减振刀柄可以提供精确、可靠的长悬伸加工，从而减少主轴应力、提高金属切除率、获得光滑的表面质量并延长刀具寿命。