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金属加工微信往期发布过资深金粉华斌的文章《断丝锥36条原因、8个处理方式、6个浪费，太有价值了！赶紧收藏！》，探讨了丝锥和应用过程中的因素对断丝锥的影响与针对性分析和改善方式，并对切削液中杂质与断丝锥的影响机理和改善方式进行了阐述。应广大金粉们的要求，再次邀请作者华斌为我们深入介绍有关设备与零件系统对断丝锥的影响。 & u$ j3 b1 p& ~* V/ A) c
看了以前别人关于断丝锥的论述，都是关于选型、丝锥材料、丝锥质量，甚至有类似抛向天空五米后自由落体法测试刀具的杯具式方法，很是反感，都什么年代了，还在凭个人感观判决刀具。故有此文。 & g% u" [! d' W
本文针对设备和零件系统对断丝锥问题的影响以及各类攻丝刀柄的应用分析，包括设备方面的原因和夹具、工件系统的位移和变形造成断丝锥的问题。希望能通过此文，提高大家对系统问题对加工作业的影响，起到触类旁通作用，增加对整个夹具、零件、设备系统的细节认识，提高加工的稳定性，降低单件成本，提高加工效率。 ( K$ T, ^4 M6 |/ t$ a+ Q& ~2 n
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$ Y0 \" ]: ?* P6 T/ g3 Z& A/ z1 刚性刀柄安装丝锥加工螺纹的设备需求
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加工中心在加工螺纹孔的时候牵涉到主轴和Z轴之间的匹配问题，一般的攻螺纹功能，主轴的转速和Z 轴的进给是独立控制，因此实际的同步精度还是会有差异：当每转进给与理论值发生偏差，就是同步精度误差，误差越大，产生的轴向分力就越大，对产品精度而言，可能会造成中径值的偏差；这对刚性攻丝的丝锥而言，几乎就是折断丝锥的前奏。 n7 R' K' E7 O F* Z; f. W9 f
２ 设备同步功能的意义与检测调整频次
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在CNC设备上用丝锥进行刚性模式加工螺纹，理论上是可行的，但实际上的控制系统的误差是引起故障的重要原因。 , X( M" c2 B1 |/ f9 v8 G/ h! |
包括： 1、设备系统的因素：设定的设备速度，轴向精度（垂直度、旋转轴、C轴），设备的机械系统条件状况； 2、螺纹刀具的因素：刀具相关的螺距公差，螺纹刀具加工深度的变化，也会加剧该误差带来的轴向力变化。 2 g ~) w4 j+ W. {# Z
并且即使经过专业人员的精心调试，随着设备的使用磨耗和系统一样会产生误差，为更好的消除同步误差，每半年进行调整一次可以更好的稳定加工，了解设备同步误差变化，根据变化周期规律制定设备维护计划，从而消除丝锥断裂问题的基础变化点。
Q2 D- {" \- Z/ n2 Y n３ （微量浮动）同步刀柄的使用条件与效果
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3 m1 Q2 A1 {( @ 在现在CNC设备上大量使用的格局下，多数设备都会拥有相对较好的工作精度，但设备、夹具系统毕竟会有微量的变形，造成刚性刀柄不能适合工况，要用微量浮动刀柄；正常情况下，同步刀柄加工螺纹会比刚性攻丝时：1、（在微量调整的范围内时）可以大幅降低机床负载至普通攻丝刀柄的 1/10；2、保持机床主轴的精度和寿命（特别是大螺纹加工设备）；3、提高螺纹加工的质量，可以使用很高的加工参数，加工效率较高。 9 q9 H0 ^' L+ B& }# n5 j6 ^5 z) b
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微量浮动刀柄 ４ 浮动刀柄的应用范围
5 H v3 v+ [ S 浮动刀柄，一般有分为两种结构：1、轴向浮动刀柄：根据加工范围，轴向浮动范围从压缩5~16.5mm，拉伸从7~23.5mm。对一些浮动刀柄的检测，能够产生0.1°以上的角向浮动。2、径向浮动刀柄：这是一种通常用于多轴机床和自动传输线的刀柄；根据加工直径范围的不同，有分为径向浮动值从0.08~1.4~2.5mm。但这种刀柄没有轴向浮动功能。浮动刀柄高速时会有震动问题，不能使用高的加工参数；浮动刀柄压缩量，会制约螺纹加工的深度精度的稳定性，对高精度孔深的螺纹要慎重考虑使用。
7 C' O2 w7 F [$ T5 x" Y% i& k 适用的条件有5种：1、主轴回转精度良好，但Z轴移动有微量的偏差；2、Z轴移动精度良好，但主轴回转精度有误差；3、主轴回转和Z轴移动同步功能都有误差；4、工件-夹具系统在加工中有微量的变化偏差（包括①、旋转又分为工件的旋转和四轴的旋转精度；②、工件的X、Y轴少量松动；③、工件弹性变形）；5、以上问题的综合。 & B! N2 n9 i* l
工件的弹性变形，很多工件的弹性变形，只有在加工时才能检测到，当加工完成，单纯用平面测量法并不能检测到，必须在加工后用杠杆表检测底孔内壁的直线度，才能发现“微量”的误差,而这种误差并不是微量浮动刀柄的性能一定能够覆盖。由此可见，第五种的情况是最复杂，也是较为隐蔽的问题根源。 + d5 O \& B n: L C. V" U2 s
浮动刀柄不能直接安装丝锥，而是要安装一个夹头,夹头有分为可调扭矩夹头和无调整夹头。 ５ 定（可调）扭矩夹头配合浮动刀柄的应用与注意事项
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v4 B( ^& d: O' k 快换夹头中增加了一个定扭矩的结构，成为定扭矩夹头。如安装的是无调节的快换夹头，则无扭矩保护功能，只发挥刀柄的功能和快换功能。 3 d4 v. D" y0 [/ n e
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使用可调扭矩夹头时，当扭矩过大，主轴和刀柄旋转，而夹头与丝锥连接的部分和丝锥不旋转，防止过大的扭矩折断丝锥；主轴的轴向移动用浮动刀柄的浮动量消除。各品牌可调扭矩夹头调整装置基本类似，但调整后都要进行检测，确保与加工环境条件匹配，否则会出现断丝锥或批量螺纹深度不够的情况。因里面有摩擦机构，此类夹头建议备用一个。 0 _: ]7 t7 u+ P$ C; m
通常在此情况下，同步攻丝或浮动攻丝系统的丝锥寿命在系统刚性不良时要比直接使用刚性攻丝的长。 ６ 数据分析和实践案例 2 \( |! A$ z: H+ Y2 A \; a
; h! I* Y/ U6 m5 Z 可假设一个工况帮助分析。 1 I1 Y" Q3 \: C4 \' A i
如图拟设的零件所示：零件的定位轴是直径φ50，定位销分度圆是φ75，定位销直径是φ13；仅仅是在定位销磨损0.06mm的情况下，在100长度上加工两端的螺纹孔，螺纹底孔轴线可能最大会有±0.05°的误差，折合每个孔会有0.026mm的误差； " I, `4 Z* \& Y
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图示：当一面两销装夹时，当夹紧力不足或是加工时工件弹性变形，在分度圆直径75mm的φ13定位销小了0.06mm的情况下，平面下沉位移0.1mm，距离轴心100mm位置的孔的最大偏移角度为0.05° 5 [5 V5 |8 P6 s- ^8 D/ ?
从图示的模拟效果中，可以发现在装夹系统不稳定的时候，微量刀柄不足以消除误差而失去应有的效果，导致断丝锥。
$ r# B8 j: i/ F' T1 w/ L 因此在决定是否投入使用微量浮动刀柄的时候还是要进行检测和验证；或是在设计零件、工装的时候对零件、夹具必须考虑如何保证必要的刚性能力。 + a F$ s M6 v
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V& c. \( x: ?3 x 用该模型来理解工件系统微量变化对断丝锥的贡献值。根据EMUGE公司的研究，在丝锥指定位置和机床主轴实际位置之间超过17μｍ,将会导致一个约为2800N的轴向力；按此分析，在此模型中工件偏转一个角度后，产生的26μｍ误差，M10丝锥将会施加一个大于2800N的轴向力，这时丝锥折断的概率会增加很多；压紧不可靠会加剧这种现象。当然，前面说设备会有轴向进给误差，加上丝锥加工的阻力，会将工件压向钻孔的状态，也会有将工件拉出的倾向。当加工一个大的螺纹底孔时，轴向力并不是很小，单纯进给切削力至少也会有400N，加上当同步精度不够造成的动辄2800N以上的轴向力，还是足以克服压紧工件的力量，而造成丝锥折断。 * ]( q4 I7 `8 b; C0 y4 d u( f
对此，可以用一个最简单的方式验证：打表在工件垂直方向，记录表针位置，并轻轻抬起表针，另一人用一磅的小榔头，轻轻敲击工件可能的旋转方向，放下表针，观察表针的相对移动位置，就是工件可能的移动范围，并计算对孔系的角度偏差，即可对选用刀柄类型做到心中有数。定位销的磨损是很正常的现象，因此适当改善定位销的磨耗更换标准，将可能的工件偏转角度控制好，也能改善断丝锥的现象。为此我设计了一种无间隙定位销，可将定位销与工件的实际间隙为零间隙，重复定位精度为0.02mm以内。 * v' T) P8 R) `0 v2 s2 l8 j Q! Q
其实还有很多影响的因素未在图中绘制出来，包括1、定位套与定位杆之间的间隙，该间隙将会放大上图中的角度误差；2、细长工件（准确的说应该是刚性差的工件），在加工中的上下偏摆，是动态变化的，实际误差可能比加工后检测的偏差大的多。3、设备X、Y向丝杠的间隙，因为很多情况下会有设置的间隙补偿，实际加工中会有间隙范围的移动，导致实际不同轴，并且这种间隙用单纯的打表法，基本是检测不出来的；4、主轴在导轨上的X、Y方向的偏摆，主轴也是要移动的，要移动就要有间隙，当接触面磨损后，这个间隙量产生的偏差，对小丝锥加工也是不可忽视的严重缺陷。
* R) c/ a+ O' @$ [" ^ 在对一个刚性攻丝断丝锥问题的案例中，查找原因颇费周折，设备系统和零件的刚性问题都排查过，一直都没有找到原因；后来注意到断丝锥总有一个切削刃的切屑堵塞严重，如下图所示；继续观察发现孔加工工序前的过中心平面锪刀加工后留有一个凸尖，后续细长杆刀柄安装（零件干涉无法更改结构）的钻头加工螺纹底孔将这个凸尖切除了，无法直观检视。而由此凸尖与钻尖先接触，造成钻孔后孔轴线偏移，孔轴线偏移（直线度差）的结果是丝锥切削阻力剧增，频繁无规律断丝锥，因为凸尖的形状和高度也是不规则的；根据这个问题，改善方式是更换新的能保证中心无凸尖的锪刀，消除了钻孔前的凸尖后，断丝锥现象减少了70%，检测计算后确认工件的偏移量较小，可改进夹紧可靠性及更换微量浮动攻丝刀柄继续改善断丝锥问题。 2 n5 M, ^, }7 M+ r! L
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图示：丝锥在出口处折断、卡死停机 ! E+ @/ V2 N2 h; O( P* H
3 {4 Z. |/ m) ^; G; a; A图示：钻孔前的锪平面留有凸尖 ( H4 d; E# H3 q
７ 结语
0 P+ G+ o( q) ]4 A9 y 综上所述：刚性攻丝的刀具夹持系统通常比同步攻丝的刀具夹持系统价格低一些，同步刀柄加工的螺纹精度在高速加工时比浮动攻丝好，螺纹长度的控制也更为精确。浮动刀柄的种类多，可转接扭矩保护的夹头，对设备和夹具的要求低，浮动范围也比较大，但一般不能高速加工，在专机和低精度的夹具和设备上应用广泛。对高精度的重要零件可用无线发射技术报警监控的刀柄系统。 % [- D8 ^6 G+ }6 `4 U A
本文结合上次写的《断丝锥36条原因、8个处理方式、6个浪费，太有价值了！赶紧收藏！》，可以看出：我们在解决断丝锥问题，必须综合考量，逐个排查，具体分析，依次改善，根据条件，利用资源。列举的断丝锥问题原因包罗万象，但在现场我们可以做到有迹可循，有理可依，处理方式万变不离其中。
0 p) v; g$ r! G0 g5 g 在撰写本文的过程中感触颇多，许多小问题很容易被忽略，但后果都是丝锥的损坏或是工件的报废，加工成本的升高，加工效率的损失；希望通过本文的分析能为大家减少断丝锥提供绵薄之力。
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发表于 2016-10-1 23:00:45
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