金屬加工微信往期發(fā)布過資深金粉華斌的文章《斷絲錐36條原因、8個(gè)處理方式、6個(gè)浪費(fèi)，太有價(jià)值了！趕緊收藏！》，探討了絲錐和應(yīng)用過程中的因素對(duì)斷絲錐的影響與針對(duì)性分析和改善方式，并對(duì)切削液中雜質(zhì)與斷絲錐的影響機(jī)理和改善方式進(jìn)行了闡述。應(yīng)廣大金粉們的要求，再次邀請(qǐng)作者華斌為我們深入介紹有關(guān)設(shè)備與零件系統(tǒng)對(duì)斷絲錐的影響。
看了以前別人關(guān)于斷絲錐的論述，都是關(guān)于選型、絲錐材料、絲錐質(zhì)量，甚至有類似拋向天空五米后自由落體法測(cè)試刀具的杯具式方法，很是反感，都什么年代了，還在憑個(gè)人感觀判決刀具。故有此文。
本文針對(duì)設(shè)備和零件系統(tǒng)對(duì)斷絲錐問題的影響以及各類攻絲刀柄的應(yīng)用分析，包括設(shè)備方面的原因和夾具、工件系統(tǒng)的位移和變形造成斷絲錐的問題。希望能通過此文，提高大家對(duì)系統(tǒng)問題對(duì)加工作業(yè)的影響，起到觸類旁通作用，增加對(duì)整個(gè)夾具、零件、設(shè)備系統(tǒng)的細(xì)節(jié)認(rèn)識(shí)，提高加工的穩(wěn)定性，降低單件成本，提高加工效率。
加工中心在加工螺紋孔的時(shí)候牽涉到主軸和Z軸之間的匹配問題，一般的攻螺紋功能，主軸的轉(zhuǎn)速和Z 軸的進(jìn)給是獨(dú)立控制，因此實(shí)際的同步精度還是會(huì)有差異：當(dāng)每轉(zhuǎn)進(jìn)給與理論值發(fā)生偏差，就是同步精度誤差，誤差越大，產(chǎn)生的軸向分力就越大，對(duì)產(chǎn)品精度而言，可能會(huì)造成中徑值的偏差；這對(duì)剛性攻絲的絲錐而言，幾乎就是折斷絲錐的前奏。
在CNC設(shè)備上用絲錐進(jìn)行剛性模式加工螺紋，理論上是可行的，但實(shí)際上的控制系統(tǒng)的誤差是引起故障的重要原因。
包括：
1、設(shè)備系統(tǒng)的因素：設(shè)定的設(shè)備速度，軸向精度（垂直度、旋轉(zhuǎn)軸、C軸），設(shè)備的機(jī)械系統(tǒng)條件狀況；
2、螺紋刀具的因素：刀具相關(guān)的螺距公差，螺紋刀具加工深度的變化，也會(huì)加劇該誤差帶來的軸向力變化。
并且即使經(jīng)過專業(yè)人員的精心調(diào)試，隨著設(shè)備的使用磨耗和系統(tǒng)一樣會(huì)產(chǎn)生誤差，為更好的消除同步誤差，每半年進(jìn)行調(diào)整一次可以更好的穩(wěn)定加工，了解設(shè)備同步誤差變化，根據(jù)變化周期規(guī)律制定設(shè)備維護(hù)計(jì)劃，從而消除絲錐斷裂問題的基礎(chǔ)變化點(diǎn)。
在現(xiàn)在CNC設(shè)備上大量使用的格局下，多數(shù)設(shè)備都會(huì)擁有相對(duì)較好的工作精度，但設(shè)備、夾具系統(tǒng)畢竟會(huì)有微量的變形，造成剛性刀柄不能適合工況，要用微量浮動(dòng)刀柄；正常情況下，同步刀柄加工螺紋會(huì)比剛性攻絲時(shí)：1、（在微量調(diào)整的范圍內(nèi)時(shí)）可以大幅降低機(jī)床負(fù)載至普通攻絲刀柄的 1/10；2、保持機(jī)床主軸的精度和壽命（特別是大螺紋加工設(shè)備）；3、提高螺紋加工的質(zhì)量，可以使用很高的加工參數(shù)，加工效率較高。
微量浮動(dòng)刀柄
浮動(dòng)刀柄，一般有分為兩種結(jié)構(gòu)：1、軸向浮動(dòng)刀柄：根據(jù)加工范圍，軸向浮動(dòng)范圍從壓縮5~16.5mm，拉伸從7~23.5mm。對(duì)一些浮動(dòng)刀柄的檢測(cè)，能夠產(chǎn)生0.1°以上的角向浮動(dòng)。2、徑向浮動(dòng)刀柄：這是一種通常用于多軸機(jī)床和自動(dòng)傳輸線的刀柄；根據(jù)加工直徑范圍的不同，有分為徑向浮動(dòng)值從0.08~1.4~2.5mm。但這種刀柄沒有軸向浮動(dòng)功能。浮動(dòng)刀柄高速時(shí)會(huì)有震動(dòng)問題，不能使用高的加工參數(shù)；浮動(dòng)刀柄壓縮量，會(huì)制約螺紋加工的深度精度的穩(wěn)定性，對(duì)高精度孔深的螺紋要慎重考慮使用。
適用的條件有5種：1、主軸回轉(zhuǎn)精度良好，但Z軸移動(dòng)有微量的偏差；2、Z軸移動(dòng)精度良好，但主軸回轉(zhuǎn)精度有誤差；3、主軸回轉(zhuǎn)和Z軸移動(dòng)同步功能都有誤差；4、工件-夾具系統(tǒng)在加工中有微量的變化偏差（包括①、旋轉(zhuǎn)又分為工件的旋轉(zhuǎn)和四軸的旋轉(zhuǎn)精度；②、工件的X、Y軸少量松動(dòng)；③、工件彈性變形）；5、以上問題的綜合。
工件的彈性變形，很多工件的彈性變形，只有在加工時(shí)才能檢測(cè)到，當(dāng)加工完成，單純用平面測(cè)量法并不能檢測(cè)到，必須在加工后用杠桿表檢測(cè)底孔內(nèi)壁的直線度，才能發(fā)現(xiàn)“微量”的誤差,而這種誤差并不是微量浮動(dòng)刀柄的性能一定能夠覆蓋。由此可見，第五種的情況是最復(fù)雜，也是較為隱蔽的問題根源。
浮動(dòng)刀柄不能直接安裝絲錐，而是要安裝一個(gè)夾頭,夾頭有分為可調(diào)扭矩夾頭和無調(diào)整夾頭。
快換夾頭中增加了一個(gè)定扭矩的結(jié)構(gòu)，成為定扭矩夾頭。如安裝的是無調(diào)節(jié)的快換夾頭，則無扭矩保護(hù)功能，只發(fā)揮刀柄的功能和快換功能。
使用可調(diào)扭矩夾頭時(shí)，當(dāng)扭矩過大，主軸和刀柄旋轉(zhuǎn)，而夾頭與絲錐連接的部分和絲錐不旋轉(zhuǎn)，防止過大的扭矩折斷絲錐；主軸的軸向移動(dòng)用浮動(dòng)刀柄的浮動(dòng)量消除。各品牌可調(diào)扭矩夾頭調(diào)整裝置基本類似，但調(diào)整后都要進(jìn)行檢測(cè)，確保與加工環(huán)境條件匹配，否則會(huì)出現(xiàn)斷絲錐或批量螺紋深度不夠的情況。因里面有摩擦機(jī)構(gòu)，此類夾頭建議備用一個(gè)。
通常在此情況下，同步攻絲或浮動(dòng)攻絲系統(tǒng)的絲錐壽命在系統(tǒng)剛性不良時(shí)要比直接使用剛性攻絲的長(zhǎng)。
可假設(shè)一個(gè)工況幫助分析。
如圖擬設(shè)的零件所示：零件的定位軸是直徑φ50，定位銷分度圓是φ75，定位銷直徑是φ13；僅僅是在定位銷磨損0.06mm的情況下，在100長(zhǎng)度上加工兩端的螺紋孔，螺紋底孔軸線可能最大會(huì)有±0.05°的誤差，折合每個(gè)孔會(huì)有0.026mm的誤差；
圖示：當(dāng)一面兩銷裝夾時(shí)，當(dāng)夾緊力不足或是加工時(shí)工件彈性變形，在分度圓直徑75mm的φ13定位銷小了0.06mm的情況下，平面下沉位移0.1mm，距離軸心100mm位置的孔的最大偏移角度為0.05°
從圖示的模擬效果中，可以發(fā)現(xiàn)在裝夾系統(tǒng)不穩(wěn)定的時(shí)候，微量刀柄不足以消除誤差而失去應(yīng)有的效果，導(dǎo)致斷絲錐。
因此在決定是否投入使用微量浮動(dòng)刀柄的時(shí)候還是要進(jìn)行檢測(cè)和驗(yàn)證；或是在設(shè)計(jì)零件、工裝的時(shí)候?qū)α慵?、夾具必須考慮如何保證必要的剛性能力。
用該模型來理解工件系統(tǒng)微量變化對(duì)斷絲錐的貢獻(xiàn)值。根據(jù)EMUGE公司的研究，在絲錐指定位置和機(jī)床主軸實(shí)際位置之間超過17μｍ,將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)約為2800N的軸向力；按此分析，在此模型中工件偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度后，產(chǎn)生的26μｍ誤差，M10絲錐將會(huì)施加一個(gè)大于2800N的軸向力，這時(shí)絲錐折斷的概率會(huì)增加很多；壓緊不可靠會(huì)加劇這種現(xiàn)象。當(dāng)然，前面說設(shè)備會(huì)有軸向進(jìn)給誤差，加上絲錐加工的阻力，會(huì)將工件壓向鉆孔的狀態(tài)，也會(huì)有將工件拉出的傾向。當(dāng)加工一個(gè)大的螺紋底孔時(shí)，軸向力并不是很小，單純進(jìn)給切削力至少也會(huì)有400N，加上當(dāng)同步精度不夠造成的動(dòng)輒2800N以上的軸向力，還是足以克服壓緊工件的力量，而造成絲錐折斷。
對(duì)此，可以用一個(gè)最簡(jiǎn)單的方式驗(yàn)證：打表在工件垂直方向，記錄表針位置，并輕輕抬起表針，另一人用一磅的小榔頭，輕輕敲擊工件可能的旋轉(zhuǎn)方向，放下表針，觀察表針的相對(duì)移動(dòng)位置，就是工件可能的移動(dòng)范圍，并計(jì)算對(duì)孔系的角度偏差，即可對(duì)選用刀柄類型做到心中有數(shù)。定位銷的磨損是很正常的現(xiàn)象，因此適當(dāng)改善定位銷的磨耗更換標(biāo)準(zhǔn)，將可能的工件偏轉(zhuǎn)角度控制好，也能改善斷絲錐的現(xiàn)象。為此我設(shè)計(jì)了一種無間隙定位銷，可將定位銷與工件的實(shí)際間隙為零間隙，重復(fù)定位精度為0.02mm以內(nèi)。
其實(shí)還有很多影響的因素未在圖中繪制出來，包括1、定位套與定位桿之間的間隙，該間隙將會(huì)放大上圖中的角度誤差；2、細(xì)長(zhǎng)工件（準(zhǔn)確的說應(yīng)該是剛性差的工件），在加工中的上下偏擺，是動(dòng)態(tài)變化的，實(shí)際誤差可能比加工后檢測(cè)的偏差大的多。3、設(shè)備X、Y向絲杠的間隙，因?yàn)楹芏嗲闆r下會(huì)有設(shè)置的間隙補(bǔ)償，實(shí)際加工中會(huì)有間隙范圍的移動(dòng)，導(dǎo)致實(shí)際不同軸，并且這種間隙用單純的打表法，基本是檢測(cè)不出來的；4、主軸在導(dǎo)軌上的X、Y方向的偏擺，主軸也是要移動(dòng)的，要移動(dòng)就要有間隙，當(dāng)接觸面磨損后，這個(gè)間隙量產(chǎn)生的偏差，對(duì)小絲錐加工也是不可忽視的嚴(yán)重缺陷。
在對(duì)一個(gè)剛性攻絲斷絲錐問題的案例中，查找原因頗費(fèi)周折，設(shè)備系統(tǒng)和零件的剛性問題都排查過，一直都沒有找到原因；后來注意到斷絲錐總有一個(gè)切削刃的切屑堵塞嚴(yán)重，如下圖所示；繼續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)孔加工工序前的過中心平面锪刀加工后留有一個(gè)凸尖，后續(xù)細(xì)長(zhǎng)桿刀柄安裝（零件干涉無法更改結(jié)構(gòu)）的鉆頭加工螺紋底孔將這個(gè)凸尖切除了，無法直觀檢視。而由此凸尖與鉆尖先接觸，造成鉆孔后孔軸線偏移，孔軸線偏移（直線度差）的結(jié)果是絲錐切削阻力劇增，頻繁無規(guī)律斷絲錐，因?yàn)橥辜獾男螤詈透叨纫彩遣灰?guī)則的；根據(jù)這個(gè)問題，改善方式是更換新的能保證中心無凸尖的锪刀，消除了鉆孔前的凸尖后，斷絲錐現(xiàn)象減少了70%，檢測(cè)計(jì)算后確認(rèn)工件的偏移量較小，可改進(jìn)夾緊可靠性及更換微量浮動(dòng)攻絲刀柄繼續(xù)改善斷絲錐問題。
綜上所述：剛性攻絲的刀具夾持系統(tǒng)通常比同步攻絲的刀具夾持系統(tǒng)價(jià)格低一些，同步刀柄加工的螺紋精度在高速加工時(shí)比浮動(dòng)攻絲好，螺紋長(zhǎng)度的控制也更為精確。浮動(dòng)刀柄的種類多，可轉(zhuǎn)接扭矩保護(hù)的夾頭，對(duì)設(shè)備和夾具的要求低，浮動(dòng)范圍也比較大，但一般不能高速加工，在專機(jī)和低精度的夾具和設(shè)備上應(yīng)用廣泛。對(duì)高精度的重要零件可用無線發(fā)射技術(shù)報(bào)警監(jiān)控的刀柄系統(tǒng)。
本文結(jié)合上次寫的《斷絲錐36條原因、8個(gè)處理方式、6個(gè)浪費(fèi)，太有價(jià)值了！趕緊收藏！》，可以看出：我們?cè)诮鉀Q斷絲錐問題，必須綜合考量，逐個(gè)排查，具體分析，依次改善，根據(jù)條件，利用資源。列舉的斷絲錐問題原因包羅萬象，但在現(xiàn)場(chǎng)我們可以做到有跡可循，有理可依，處理方式萬變不離其中。
在撰寫本文的過程中感觸頗多，許多小問題很容易被忽略，但后果都是絲錐的損壞或是工件的報(bào)廢，加工成本的升高，加工效率的損失；希望通過本文的分析能為大家減少斷絲錐提供綿薄之力。
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作者：江鈴車橋廠 華斌（金粉江西群群管）
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