1 高精度焊接式PCD刀具技术要求
2 高精度PCD刀具磨床
- 机床特点
- FC-500D型PCD&CBN刀具磨床的砂轮行程为500mm，可满足长度为150mm刀具的磨削行程要求。利用机床的旋转工作台及其转角显示功能，可实现刀具刃口1:1000～1:1500的倒锥磨削要求。砂轮座和工作台导轨均采用瑞士Schnee Berger高精度滚柱线性导轨。工作台进给方式为气压柔性进给，手柄每格进给量为1µm(显示器显示)。刃磨时砂轮与刀具的接触压力可调。磨头高度位置可调，可磨削大直径PCD锯片铣刀。磨床上配置了高精度摄像系统(CCD)，可通过屏幕清晰显示刀具刃磨加工情况(放大倍率15～120倍)，同时可通过显示器屏幕检测刀具刃口圆弧(可测最小圆弧R0.05mm)。
- 分度工作头
- 为实现高精度PCD刀具的精密刃磨，磨床上设计了可微调角度的分度工作头。该工作头采用SK40主轴内孔和蜗轮蜗杆副传动的主轴微调机构。当蜗杆与蜗轮脱开时，主轴可实现快速转动。24等分的分度盘与主轴可空套或联锁。固定在夹具体上的插销可插入分度盘缺口内，使分度盘与主轴在圆周上定位固定(此时分度盘与主轴处于联锁状态)。24等分分度盘适用于加工2、3、4、6、8等分的刀具，如需加工5、7等分的刀具，则需改用20等分或28等分的分度盘。
- 变径套
- 由于分度工作头采用SK40主轴内孔，因此加工HSK柄部的刀具时，必须利用变径套才能将刀具固定在工作头主轴内孔中(加工直柄刀具时，也可先将刀具装在HSK柄的液压直柄夹具中，然后通过变径套装入工作头主轴内孔中)。由于主轴内孔和变径套均存在同轴度误差，因此为满足刀具加工的同轴度要求(0.003mm)，采用了国外开发的可调中心变径套新技术。该变径套结构(见图1)由两部分组成，左边为SK40部分，可安装到分度工作头主轴内孔中；右边为HSK部分，可与刀具的HSK柄部联接。左、右两部分之间采用轴、孔定位联接，由四个内六角螺钉4固定。轴与孔之间为间隙配合，配合间隙即为中心调整范围。轴上有四个小平面3。左、右两部分轴线的同轴度偏差由正对小平面3的内六角紧定螺钉1调整，轴线的平行度由紧定螺钉2调整。变径套调整好后，应在SK40柄部和与之配合的分度工作头SK40内孔的圆周上作出标记，以确定变径套安装位置，避免重新安装变径套时重复调整同轴度。
- 刀具在线测量装置
- 笔者与有关单位合作研制的高精度PCD刀具在线测量装置的结构见图2。测量装置安装在机床工作台的侧面并可随工作台一起移动，它与安装在工作台上分度工作头中的刀具相对位置保持不变。测量装置的立柱1可上、下移动，将测量头部件4调整至与刀具中心等高。立柱1还可作180°回转，当测量装置不工作时，可使测量头部件远离刀具。立柱1的顶部装有十字拖板2，测量不同长度刀具时，纵向小拖板可沿刀具轴线方向移动(行程可达150mm)；横向小拖板可沿刀具径向移动(行程可达50mm)。测量不同直径刀具时，测量头部件4的径向位置可调。测量臂3安装在十字拖板2上，测量头部件4安装在测量臂3上。测量刀具直径时，测量头部件的轴线必须与刀具轴线垂直，否则测量结果将大于刀具实际直径，为此，在测量头部件上方安装了可沿垂直轴线回转的微调装置5，以保证测量头轴线与刀具轴线垂直。
1.立柱 2.十字拖板 3.测量臂 4.测量头部件 5.微调机构 6. 支架 7.弓形臂 8.固定测量头 9.光栅尺 10.移动测量头 11.刀具 12.工作台 13.回转工作台 14.分度工作头 15.变径套
图2 PCD刀具在线测量装置结构示意图- 如图2所示，测量头部件4由支架6、弓形臂7、固定测量头8、光栅尺9和移动测量头10组成。固定测量头安装在弓形臂上，移动测量头安装在光栅尺9上，光栅尺9可在支架上移动。固定测量头和移动测量头采用行程为3～5mm的测量光栅，光栅尺9的测量行程则为50mm，光栅测量精度均为1µm。
- 该测量装置可测量PCD刀具的直径和圆跳动，测量力小于150mN。测量时，首先移动光栅尺9使移动测量头10与固定测量头8接触并置零，然后打开移动测量头10(以不接触刀具为准)；转动分度工作头使刀具刃口略低于水平面，调整轴向小拖板使被测刃口部位处于两个测量头之间，锁紧轴向小拖板；调整径向小拖板使固定测量头8与刀具接触约1mm(可通过显示器观察)；移动光栅尺9使移动测量头10与刀具接触，锁紧径向小拖板，调整微调机构5直至显示器显示的直径尺寸最小(即测量头轴线与刀具轴线垂直)；缓慢转动刀具，使刀刃与固定测量头接触，当测量头触测到刀具容屑槽时，测量装置记录到的最大值即为刀具直径尺寸，此时显示器显示出刀具直径值和固定测量头的最大读数值。然后将刀具转过180°，按相同方法再测量一次(此时可退出移动测量头)，固定测量头又可测得一个最大值，两次测量值之差即为刀具刃口圆跳动量。测量刀具刃口圆跳动时，整个测量系统在两次测量过程中不应发生位移或振动，否则将影响测量结果的准确性。如测量系统刚度不够，测量值波动较大，也可采用另一方法测量圆跳动，即将测量头固定在磁性表座上，磁性表座安装在机床床身上，分别测量刀具的两个刃口，也可测出刀具的圆跳动量。
- 笔者与有关单位合作研制的高精度PCD刀具在线测量装置的结构见图2。测量装置安装在机床工作台的侧面并可随工作台一起移动，它与安装在工作台上分度工作头中的刀具相对位置保持不变。测量装置的立柱1可上、下移动，将测量头部件4调整至与刀具中心等高。立柱1还可作180°回转，当测量装置不工作时，可使测量头部件远离刀具。立柱1的顶部装有十字拖板2，测量不同长度刀具时，纵向小拖板可沿刀具轴线方向移动(行程可达150mm)；横向小拖板可沿刀具径向移动(行程可达50mm)。测量不同直径刀具时，测量头部件4的径向位置可调。测量臂3安装在十字拖板2上，测量头部件4安装在测量臂3上。测量刀具直径时，测量头部件的轴线必须与刀具轴线垂直，否则测量结果将大于刀具实际直径，为此，在测量头部件上方安装了可沿垂直轴线回转的微调装置5，以保证测量头轴线与刀具轴线垂直。
图1 可调中心变径套结构示意图
图3 挺杆孔刀具78-33C-205026
3 PCD刀具的精密刃磨工艺
- 装刀
- 将待加工刀具装入变径套，然后装入可微调角度的分度工作头中。注意：刀柄、变径套和分度工作头内孔必须擦拭干净，否则难以保证安装同轴度。
- 调整安装同轴度
- 将千分表置于刀具的调整环A和B上(见图3)，调整紧定螺钉2(见图1)，使刀具轴线与工作头主轴轴线平行；调整紧定螺钉1(见图1)，使刀具轴线与工作头主轴轴线重合。调整后的安装同轴度误差应小于1µm。
- 调整刀具刃口位置
- 转动刀具使刃口处于水平面上(比水平面略低)，调整好砂轮后角，在刀具两个刀刃的后角处磨出刃口。用测量装置的两个测量头与刀具后面接触，然后缓慢移动刀具，使刀具刃口与测量头接触，当显示的测量数据为最大值时，刀具位置前角为0°。将分度工作头插销插入等分盘缺口内，并使等分盘与工作头主轴联锁。
- 刃磨端面后角
- 脱开测量装置，将回转工作台转过90°，将砂轮调整到端面后角，刃磨端面两个刃口；然后将刀具从变径套中拆下，用光学对刀仪测量刃口的等高性和180°顶角，并通过回转工作台进行调整，直至达到加工要求；然后测量HSK基准面到刃口的距离，通过刃磨达到112±0.03mm的尺寸要求(如果是阶梯刀具，则按照图纸磨削出阶梯长度和阶梯角)。
- 刃磨刀具圆周刃口
- 将回转工作台按顺时针方向转过90.086°，经调整后磨出的刀具有1.5×10-3的倒锥；将砂轮角度调整为刀具圆周后角，分别刃磨出两个刃口的后角。按前述测量方法测出刀具直径D和圆跳动d，并判别两个刃口的半径大小。设刀具的大边半径为R2，小边半径为R1，则有D=R1+R2，d=R2-R1；R2=(D+d)/2，R1=(D-d)/2。设刀具公称半径为R0，则大边修磨余量为R2-R0，小边修磨余量为R1-R0。根据测量计算结果，对两个刃口边刃磨边测量，直至刀具的直径尺寸和同轴度均符合加工要求为止。
图4 刀具切削加工中的磨损规律
