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金屬加工微信往期發布過資深金粉華斌的文章《斷絲錐36條原因、8個處理方式、6個浪費，太有價值了！趕緊收藏！》，探討了絲錐和應用過程中的因素對斷絲錐的影響與針對性分析和改善方式，并對切削液中雜質與斷絲錐的影響機理和改善方式進行了闡述。應廣大金粉們的要求，再次邀請作者華斌為我們深入介紹有關設備與零件系統對斷絲錐的影響。
4 o4 m* a0 l1 W3 o2 x I% x: _ 看了以前別人關于斷絲錐的論述，都是關于選型、絲錐材料、絲錐質量，甚至有類似拋向天空五米后自由落體法測試刀具的杯具式方法，很是反感，都什么年代了，還在憑個人感觀判決刀具。故有此文。 + Z7 Z3 ]3 g' \. R- ]; l1 ^8 E
本文針對設備和零件系統對斷絲錐問題的影響以及各類攻絲刀柄的應用分析，包括設備方面的原因和夾具、工件系統的位移和變形造成斷絲錐的問題。希望能通過此文，提高大家對系統問題對加工作業的影響，起到觸類旁通作用，增加對整個夾具、零件、設備系統的細節認識，提高加工的穩定性，降低單件成本，提高加工效率。
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1 剛性刀柄安裝絲錐加工螺紋的設備需求
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加工中心在加工螺紋孔的時候牽涉到主軸和Z軸之間的匹配問題，一般的攻螺紋功能，主軸的轉速和Z 軸的進給是獨立控制，因此實際的同步精度還是會有差異：當每轉進給與理論值發生偏差，就是同步精度誤差，誤差越大，產生的軸向分力就越大，對產品精度而言，可能會造成中徑值的偏差；這對剛性攻絲的絲錐而言，幾乎就是折斷絲錐的前奏。 ) P; T5 X7 X9 L7 S& b: f3 }
２ 設備同步功能的意義與檢測調整頻次
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, W! r& A* D" g' ~7 P( g 在CNC設備上用絲錐進行剛性模式加工螺紋，理論上是可行的，但實際上的控制系統的誤差是引起故障的重要原因。
& V/ ^& F' m" ~+ [! k, Y; ?- C 包括： 1、設備系統的因素：設定的設備速度，軸向精度（垂直度、旋轉軸、C軸），設備的機械系統條件狀況； 2、螺紋刀具的因素：刀具相關的螺距公差，螺紋刀具加工深度的變化，也會加劇該誤差帶來的軸向力變化。 , p+ @8 Y% l( l% f2 J7 @
并且即使經過專業人員的精心調試，隨著設備的使用磨耗和系統一樣會產生誤差，為更好的消除同步誤差，每半年進行調整一次可以更好的穩定加工，了解設備同步誤差變化，根據變化周期規律制定設備維護計劃，從而消除絲錐斷裂問題的基礎變化點。 2 u: R$ ]' P% Z* k' |) V
３ （微量浮動）同步刀柄的使用條件與效果 + K( X6 H8 i" c4 X( z; @
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在現在CNC設備上大量使用的格局下，多數設備都會擁有相對較好的工作精度，但設備、夾具系統畢竟會有微量的變形，造成剛性刀柄不能適合工況，要用微量浮動刀柄；正常情況下，同步刀柄加工螺紋會比剛性攻絲時：1、（在微量調整的范圍內時）可以大幅降低機床負載至普通攻絲刀柄的 1/10；2、保持機床主軸的精度和壽命（特別是大螺紋加工設備）；3、提高螺紋加工的質量，可以使用很高的加工參數，加工效率較高。 M0 Z# w( d( R2 w3 U
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微量浮動刀柄 ４ 浮動刀柄的應用范圍
8 u. y( N- P2 A5 F" t' k3 i; q 浮動刀柄，一般有分為兩種結構：1、軸向浮動刀柄：根據加工范圍，軸向浮動范圍從壓縮5~16.5mm，拉伸從7~23.5mm。對一些浮動刀柄的檢測，能夠產生0.1°以上的角向浮動。2、徑向浮動刀柄：這是一種通常用于多軸機床和自動傳輸線的刀柄；根據加工直徑范圍的不同，有分為徑向浮動值從0.08~1.4~2.5mm。但這種刀柄沒有軸向浮動功能。浮動刀柄高速時會有震動問題，不能使用高的加工參數；浮動刀柄壓縮量，會制約螺紋加工的深度精度的穩定性，對高精度孔深的螺紋要慎重考慮使用。
, v' a9 _2 o4 v& ]8 R2 ~4 x, f' t 適用的條件有5種：1、主軸回轉精度良好，但Z軸移動有微量的偏差；2、Z軸移動精度良好，但主軸回轉精度有誤差；3、主軸回轉和Z軸移動同步功能都有誤差；4、工件-夾具系統在加工中有微量的變化偏差（包括①、旋轉又分為工件的旋轉和四軸的旋轉精度；②、工件的X、Y軸少量松動；③、工件彈性變形）；5、以上問題的綜合。 ' h- i9 Z* I# T' s0 D9 h& @
工件的彈性變形，很多工件的彈性變形，只有在加工時才能檢測到，當加工完成，單純用平面測量法并不能檢測到，必須在加工后用杠桿表檢測底孔內壁的直線度，才能發現“微量”的誤差,而這種誤差并不是微量浮動刀柄的性能一定能夠覆蓋。由此可見，第五種的情況是最復雜，也是較為隱蔽的問題根源。 3 Q( u2 h' U; K; `- [) b% ^5 `
浮動刀柄不能直接安裝絲錐，而是要安裝一個夾頭,夾頭有分為可調扭矩夾頭和無調整夾頭。 ５ 定（可調）扭矩夾頭配合浮動刀柄的應用與注意事項 7 _1 R5 x* R+ c3 x9 l
3 ~$ A+ z, o. I l5 `% M0 w: m 快換夾頭中增加了一個定扭矩的結構，成為定扭矩夾頭。如安裝的是無調節的快換夾頭，則無扭矩保護功能，只發揮刀柄的功能和快換功能。
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3 F5 Q) n) k' k: i% h/ ]# q 使用可調扭矩夾頭時，當扭矩過大，主軸和刀柄旋轉，而夾頭與絲錐連接的部分和絲錐不旋轉，防止過大的扭矩折斷絲錐；主軸的軸向移動用浮動刀柄的浮動量消除。各品牌可調扭矩夾頭調整裝置基本類似，但調整后都要進行檢測，確保與加工環境條件匹配，否則會出現斷絲錐或批量螺紋深度不夠的情況。因里面有摩擦機構，此類夾頭建議備用一個。 ; u N, p+ ^5 l& Y% F" T: }
通常在此情況下，同步攻絲或浮動攻絲系統的絲錐壽命在系統剛性不良時要比直接使用剛性攻絲的長。 ６ 數據分析和實踐案例 ) t3 \, M: }( q/ _* j2 G9 H/ f
9 |- k* s& B( S# Z- M& A 可假設一個工況幫助分析。
( {: ]& N3 E) e, u" \6 H) M 如圖擬設的零件所示：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長度上加工兩端的螺紋孔，螺紋底孔軸線可能最大會有±0.05°的誤差，折合每個孔會有0.026mm的誤差； / x! I& g1 w6 j/ E
$ p+ K! H7 p$ k y 圖示：當一面兩銷裝夾時，當夾緊力不足或是加工時工件彈性變形，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°
& E2 J: ]# j" p% }# Z. Z0 k 從圖示的模擬效果中，可以發現在裝夾系統不穩定的時候，微量刀柄不足以消除誤差而失去應有的效果，導致斷絲錐。
r" G/ A. e& |# }5 m% \ 因此在決定是否投入使用微量浮動刀柄的時候還是要進行檢測和驗證；或是在設計零件、工裝的時候對零件、夾具必須考慮如何保證必要的剛性能力。
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* L1 R- Z" V/ y& [# I 用該模型來理解工件系統微量變化對斷絲錐的貢獻值。根據EMUGE公司的研究，在絲錐指定位置和機床主軸實際位置之間超過17μｍ,將會導致一個約為2800N的軸向力；按此分析，在此模型中工件偏轉一個角度后，產生的26μｍ誤差，M10絲錐將會施加一個大于2800N的軸向力，這時絲錐折斷的概率會增加很多；壓緊不可靠會加劇這種現象。當然，前面說設備會有軸向進給誤差，加上絲錐加工的阻力，會將工件壓向鉆孔的狀態，也會有將工件拉出的傾向。當加工一個大的螺紋底孔時，軸向力并不是很小，單純進給切削力至少也會有400N，加上當同步精度不夠造成的動輒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。
5 u0 {" |( m) C 對此，可以用一個最簡單的方式驗證：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方向，放下表針，觀察表針的相對移動位置，就是工件可能的移動范圍，并計算對孔系的角度偏差，即可對選用刀柄類型做到心中有數。定位銷的磨損是很正常的現象，因此適當改善定位銷的磨耗更換標準，將可能的工件偏轉角度控制好，也能改善斷絲錐的現象。為此我設計了一種無間隙定位銷，可將定位銷與工件的實際間隙為零間隙，重復定位精度為0.02mm以內。
0 U; R+ U" X" B5 O6 |* b 其實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，該間隙將會放大上圖中的角度誤差；2、細長工件（準確的說應該是剛性差的工件），在加工中的上下偏擺，是動態變化的，實際誤差可能比加工后檢測的偏差大的多。3、設備X、Y向絲杠的間隙，因為很多情況下會有設置的間隙補償，實際加工中會有間隙范圍的移動，導致實際不同軸，并且這種間隙用單純的打表法，基本是檢測不出來的；4、主軸在導軌上的X、Y方向的偏擺，主軸也是要移動的，要移動就要有間隙，當接觸面磨損后，這個間隙量產生的偏差，對小絲錐加工也是不可忽視的嚴重缺陷。
4 s/ E$ Z: P: _- y4 \: z 在對一個剛性攻絲斷絲錐問題的案例中，查找原因頗費周折，設備系統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切削刃的切屑堵塞嚴重，如下圖所示；繼續觀察發現孔加工工序前的過中心平面锪刀加工后留有一個凸尖，后續細長桿刀柄安裝（零件干涉無法更改結構）的鉆頭加工螺紋底孔將這個凸尖切除了，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）的結果是絲錐切削阻力劇增，頻繁無規律斷絲錐，因為凸尖的形狀和高度也是不規則的；根據這個問題，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，斷絲錐現象減少了70%，檢測計算后確認工件的偏移量較小，可改進夾緊可靠性及更換微量浮動攻絲刀柄繼續改善斷絲錐問題。
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' J1 w" T% K: h4 Y圖示：絲錐在出口處折斷、卡死停機 * e0 A' y3 @. F7 I
" I9 O* [) D' d; B圖示：鉆孔前的锪平面留有凸尖
$ K2 l) a& D p. J# Q9 n5 o７ 結語 / N4 b) A) V4 M. ?: b6 D
綜上所述：剛性攻絲的刀具夾持系統通常比同步攻絲的刀具夾持系統價格低一些，同步刀柄加工的螺紋精度在高速加工時比浮動攻絲好，螺紋長度的控制也更為精確。浮動刀柄的種類多，可轉接扭矩保護的夾頭，對設備和夾具的要求低，浮動范圍也比較大，但一般不能高速加工，在專機和低精度的夾具和設備上應用廣泛。對高精度的重要零件可用無線發射技術報警監控的刀柄系統。
9 O+ b1 m& z0 z$ ` 本文結合上次寫的《斷絲錐36條原因、8個處理方式、6個浪費，太有價值了！趕緊收藏！》，可以看出：我們在解決斷絲錐問題，必須綜合考量，逐個排查，具體分析，依次改善，根據條件，利用資源。列舉的斷絲錐問題原因包羅萬象，但在現場我們可以做到有跡可循，有理可依，處理方式萬變不離其中。
5 C' {1 ~% T. a9 B: [& r3 } 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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發表于 2016-10-1 23:00:45
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