在中、大批量生產(chǎn)中，常常可以通過工序集中來提高機(jī)床的生產(chǎn)效率。工序的集中，除了采用多軸加工外，采用裝有多個切削刀刃的專用刀具（復(fù)合刀具）則是提高機(jī)床生產(chǎn)率的另一個重要途徑。由于復(fù)合刀具往往可以替代好多把常規(guī)刀具，并且往往是在工件的一次裝夾下和刀具的一次工作行程中完成多道工序的加工，因此可以減少換刀次數(shù)，消除工件或刀具的重復(fù)定位誤差，從而可顯著減少輔助時間、提高加工精度和減少測量過程。此外，專用刀具還可以用來解決常規(guī)刀具難于進(jìn)行的一些加工任務(wù)。由于這些優(yōu)點(diǎn)，這類刀具不僅在組合機(jī)床和自動線上得到廣泛應(yīng)用，而且近年來也愈來愈多地應(yīng)用于高速加工中心。長期以來的生產(chǎn)實(shí)踐表明，在中、大批量生產(chǎn)中采用專用刀具對工件的多個相關(guān)功能表面進(jìn)行綜合加工，或?qū)﹄y于接近的功能表面進(jìn)行加工是實(shí)現(xiàn)加工合理化的有效手段。
圖1（上）圖2（下）
孔加工專用刀具的結(jié)構(gòu)分類

在中、大批量生產(chǎn)中，專用刀具除少量是屬于專用銑刀外，絕大部分是用于孔加工的專用刀具。在生產(chǎn)中，有很多加工任務(wù)不僅要通過專用刀具來制造精密孔，而且往往需要借助于這類刀具來加工與精密孔相關(guān)的功能表面，如加工配合孔的凸臺端面、止口和環(huán)槽等。有些工件，特別是箱體件，有不少這類功能表面的加工往往要通過刀具的徑向走刀來實(shí)現(xiàn)（圖1）。

在加工時，并要確保配合孔相對于某一基準(zhǔn)面或另一個配合孔的位置精度（垂直度、同軸度）。從這里可以看出，專用刀具在孔和相關(guān)功能表面的綜合加工中無疑是起著十分關(guān)鍵的作用。

從刀具結(jié)構(gòu)上，專用刀具可分為刀具固定式和刀具移動式兩大類（表1）。

這種復(fù)合刀具可分為整體式、裝配式和機(jī)夾式三種。這些復(fù)合刀具的結(jié)構(gòu)相對比較簡單。整體式復(fù)合刀具由兩個或更多相同或不同類型的刀具組成，如復(fù)合鉆、復(fù)合擴(kuò)孔鉆、復(fù)合鉸刀和復(fù)合鏜鉸刀等。這類復(fù)合刀具的制造和刃磨十分不便，這樣的缺點(diǎn)可以通過采用裝配式復(fù)合刀具而得到改善（圖2）。但是裝配式復(fù)合刀具由于增加了機(jī)械連接部位，刀具的剛性會受到一定程度的影響。機(jī)夾式復(fù)合刀具的優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)?shù)毒吣p后，只需將可轉(zhuǎn)位刀片相應(yīng)轉(zhuǎn)過一個角度或更換刀片，復(fù)合刀具又可重新使用。
圖3
刀具移動式專用刀具

這種刀具一般稱作受控致動刀具，從驅(qū)動方式上又可分為機(jī)械受控刀具和電子受控刀具，前者主要是采用推（拉）桿、撞靠、離心力、冷卻潤滑液等驅(qū)動方式來使刀具實(shí)現(xiàn)橫向、斜向或軸向進(jìn)給運(yùn)動。后者則采用裝在刀體中的伺服電動機(jī)來驅(qū)動這些進(jìn)給運(yùn)動。

1機(jī)械受控刀具

推（拉）桿致動刀具

這種刀具通過機(jī)床主軸中的推（拉）桿（由裝在主軸箱末端的油缸或伺服電動機(jī)推動）既可經(jīng)齒條—齒條、齒條—齒輪—齒條和斜塊驅(qū)動刀體中的滑動刀架實(shí)現(xiàn)橫向（或斜向）走刀（圖3a），經(jīng)齒條—齒輪—扇形齒輪實(shí)現(xiàn)刀具的圓周進(jìn)給（圖3b），也可借助推桿上的螺旋槽來驅(qū)動偏心安裝（相對主軸中心線）的刀桿進(jìn)行回轉(zhuǎn)，使刀桿上的刀具在從起始位置轉(zhuǎn)動到終點(diǎn)位置的過程中實(shí)現(xiàn)徑向進(jìn)給（圖3c），或經(jīng)另一個與刀盤偏心連接的傳動桿來推動刀盤實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給（圖3d）。這類推（拉）桿致動的專用刀具，可適應(yīng)很廣的加工任務(wù)，用來加工凸臺端面、止口、內(nèi)外環(huán)槽、錐面和球面等功能表面。

在高速加工時，對于推（拉）桿驅(qū)動滑動刀架的致動刀具，即使裝有配重滑板，也難于達(dá)到相應(yīng)的動平衡品質(zhì)，并且在高轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，作用在拉桿上的力對于主軸軸承也是難于承受的。而對于采用偏心工作的致動刀具，由于回轉(zhuǎn)刀桿上切削刀刃從起始位置到終點(diǎn)位置的位置變化不會影響到刀具重心的改變，因此，這種偏心工作的專用刀具可用來進(jìn)行高速加工。 #p#分頁標(biāo)題#e#

采用伺服電動機(jī)驅(qū)動推（拉）桿的致動刀具，通過伺服電動機(jī)與CNC控制系統(tǒng)的連接，可以由CNC控制系統(tǒng)直接控制切削刀刃的進(jìn)給運(yùn)動。
圖4　　　　　圖5
由于加工中心在主軸中不能設(shè)置推（拉）桿，所以在加工中心上主要是通過撞靠、離心力、冷卻潤滑液和伺服電動機(jī)等驅(qū)動方式來推動刀具移動。

撞靠式致動刀具

這種刀具（圖4）的工作原理是：機(jī)床主軸向前移動，當(dāng)?shù)扼w上的刀具到達(dá)預(yù)定加工部位時，一個用軸承支承在刀體上的環(huán)形套就頂靠在工件的端面或夾具的止靠面上，使刀體不再向前移動，而主軸仍繼續(xù)向前移動，此時通過傳動元件（如齒條—齒輪—齒條或斜滑塊，或傳動桿等）將機(jī)床的軸向進(jìn)給運(yùn)動轉(zhuǎn)換為刀具的軸向、斜向或圓周進(jìn)給運(yùn)動。

撞靠式致動刀具與推（拉）桿致動刀具一樣，在生產(chǎn)中是應(yīng)用頻率較高的專用刀具。

離心力致動刀具

這是一種很有創(chuàng)意的專用刀具，這種刀具是巧妙地利用了在高速加工時產(chǎn)生的離心力來推動刀具的移動或進(jìn)給運(yùn)動。

圖5所示是利用離心力致動的加工氣門閥座和導(dǎo)管孔的專用刀具。這種刀具在加工時，刀具先是以1000r/min的轉(zhuǎn)速锪削閥座工作錐面，锪削完后，刀具后退約0.2mm，接著刀具轉(zhuǎn)速提高到5000r/min，此時刀體油腔中的活塞由于離心力的作用而徑向外移，擠壓油腔中的油去推動中心油腔中的活塞，從而推動鉸刀對導(dǎo)管孔進(jìn)行加工。在內(nèi)部油路中設(shè)有節(jié)流閥，以便使鉸刀保持恒定的進(jìn)給速度。當(dāng)導(dǎo)管孔加工完畢后，專用刀具的轉(zhuǎn)速又降至1000r/min，鉸刀在彈簧力的作用下自動退回到起始位置。

采用上述專用刀具，氣門閥座與導(dǎo)管孔的同軸度可達(dá)＜10μm。

冷卻潤滑液致動的刀具

這種刀具是利用機(jī)床冷卻潤滑液（約106Pa的壓力）通過活塞來推動刀具的移動或轉(zhuǎn)位。在生產(chǎn)中，這類致動刀具應(yīng)用不多。
圖6　　　　　　　　圖7
2電子受控刀具

這種刀具是在刀柄或刀體內(nèi)裝有伺服電動機(jī)進(jìn)行工作的專用刀具，這種刀具通過非接觸式（感應(yīng)）的能量（電流）和數(shù)據(jù)傳輸，將刀體中的伺服電動機(jī)與機(jī)床的CNC控制系統(tǒng)連接起來，由機(jī)床CNC系統(tǒng)直接控制刀具的進(jìn)給運(yùn)動。微電子技術(shù)和刀具技術(shù)的結(jié)合，不僅為專用刀具的開發(fā)開拓了新的途徑，并且更為刀具的智能化提供了可能。這就使這類電子受控刀具（圖6）不僅能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)刀具通常不能完成、需由機(jī)床或由設(shè)在機(jī)床主軸中的附加裝置來完成的一些功能，并且還能實(shí)現(xiàn)NC技術(shù)所具有的一些功能，從而為這種刀具的多方面應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

由于集成NC軸，使這類電子受控刀具成為加工中心的一個附加的和可更換的U軸。

這類電子受控刀具，既可用來實(shí)現(xiàn)車端面、切槽、擴(kuò)孔和鉸孔等工序，又可與Z軸進(jìn)行直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)而用來進(jìn)行輪廓加工（斜面、圓弧、球面等）。

這類電子受控刀具，當(dāng)裝上相應(yīng)的傳感器（測量加工的實(shí)際直徑和切削力）就可對刀具的磨損進(jìn)行補(bǔ)償或?qū)Φ毒叩哪陀枚冗M(jìn)行監(jiān)控。

目前，這種電子受控刀具已應(yīng)用于對缸蓋的氣門閥座和導(dǎo)管孔的綜合加工（如德國Makino和Grob公司在加工缸蓋的設(shè)備上已應(yīng)用了這種刀具）。

利用NC插補(bǔ)的復(fù)合刀具

這種復(fù)合刀具在加工中心上可以通過X軸和Y軸的圓弧插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)刀具的圓周進(jìn)給運(yùn)動，利用X-，Y-，和Z軸的插補(bǔ)可實(shí)現(xiàn)刀具的螺旋進(jìn)給運(yùn)動。利用刀具的圓周進(jìn)給就可以將切槽、倒角和鏜孔工序集中在一把刀具上，而利用螺旋進(jìn)給運(yùn)動就可以將鉆孔和銑螺紋集中在一把鉆銑螺紋刀具上。 #p#分頁標(biāo)題#e#

預(yù)粗鏜（去除鑄造飛邊）、粗鏜、精鏜、倒角和圓周銑削孔中的環(huán)槽。采用這種復(fù)合刀具與采用單個刀具進(jìn)行加工相比，這種刀具顯著減少了輔助時間，從而大大縮短了加工時間。

目前，像加工連桿大頭孔、鏈節(jié)鉸鏈孔的復(fù)合刀具，也都利用機(jī)床軸的圓弧插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)孔的倒角加工。

專用刀具應(yīng)用實(shí)例

加工缸蓋氣門閥座和導(dǎo)管孔用的專用刀具

圖7所示的是一把采用車削閥座工作錐面和鉸削導(dǎo)管孔的專用刀具（應(yīng)用于組合機(jī)床），刀體上裝有平衡滑板，以平衡車削刀架進(jìn)給運(yùn)動時所產(chǎn)生的不平衡力。

閥座工作錐面的加工，通常有锪削和車削兩種工藝。采用锪削工藝時，由于閥座是淬硬材料（HRC50～58），刀刃的磨損較快，這種刀刃磨損的輪廓會復(fù)制在工作錐面上，這會影響到閥座工作時的密封性。在這里所示的專用刀具由于采用車削工藝加工閥座工作錐面從而可避免锪削時出現(xiàn)的缺陷。

專用刀具加工開始時，固定安裝在刀體上的三個切削刀刃首先锪閥座端面（刀刃Ⅱ）和倒棱（刀刃Ⅲ和Ⅳ）。接著整個刀具后退0.2mm，使刀刃Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ脫離已加工表面，使裝在傾斜滑板上的車刀處于待加工位置，此時通過外層推桿使滑板實(shí)現(xiàn)進(jìn)給，對閥座工作錐面進(jìn)行精車。精車完后，主軸轉(zhuǎn)速變?yōu)榘淬q削設(shè)定的轉(zhuǎn)速，內(nèi)推桿推動鉸刀對導(dǎo)管孔進(jìn)行鉸削加工，當(dāng)鉸削結(jié)束后，內(nèi)、外推桿退回并使刀刃回到起始位置。
圖8　　　　　　圖9
加工變速箱體的專用刀具

為加工變速箱體內(nèi)的三個端面Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，這里采用了一把由液壓推桿致動的專用刀具（圖8）。加工時，推桿向前移動通過螺旋槽迫使偏心安置的回轉(zhuǎn)刀架旋轉(zhuǎn)，使刀架上的車端面刀具（2）、（3）和（4）從它的起始位置（位于端面的最大直徑處）向內(nèi)車削，加工出三個端面，加工的基本時間僅19秒，端面的平面度達(dá)6μm。

加工螺紋孔的復(fù)合刀具

目前，可采用一把鉆銑螺紋復(fù)合刀具（通過NC機(jī)床的螺旋插補(bǔ)）加工螺紋孔（圖9）， 在刀具的一次工作行程中完成鉆螺紋底孔、倒角和銑螺紋。如采用這種刀具加工缸蓋上深度為14.1mm的M6螺孔，在主軸轉(zhuǎn)速20000r/min，進(jìn)給量為700mm/min的情況下，一個螺孔的加工時間僅需1.2秒，這種刀具在同一螺距的情況可用于加工不同直徑的螺孔。

結(jié)語：大量切削加工表明，刀具對生產(chǎn)工藝流程的優(yōu)化起著關(guān)鍵作用。在中、大批量生產(chǎn)中，采用專用刀具（復(fù)合刀具）進(jìn)行綜合加工則是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)合理化的重要手段。

復(fù)合刀具和受控刀具的開發(fā)與許多因素有關(guān)，除刀具材料、涂層和刀具幾何形狀外，機(jī)床技術(shù)也起著重要作用。近年來，利用CNC加工中心的插補(bǔ)功能、高速加工時所產(chǎn)生的離心力和微電子技術(shù)的成果所開發(fā)出來的富有創(chuàng)造性的各種復(fù)合刀具和受控刀具大大擴(kuò)展了這類刀具的品種和使用范圍，并為高速加工中心進(jìn)入中、大批量生產(chǎn)領(lǐng)域提供了技術(shù)支持。特別是微電子技術(shù)對受控刀具的開發(fā)，尤其是對刀具的智能化將起著關(guān)鍵性作用。