鉸孔技術(shù)的研究及應(yīng)用

劉龍?zhí)?/p>

(中航工業(yè)西安航空動力控制有限公司，陜西 西安 710077)

在機械制造工藝中，鉸削是一種被廣泛使用的加工方法，尤其是在批量生產(chǎn)的產(chǎn)品中被應(yīng)用得相當(dāng)普遍。它是一種精加工或半精加工的方法，我們所生產(chǎn)的零件中，它被作為精密零件的中間加工工序來使用。

但是在實際應(yīng)用中，鉸孔加工的缺點及問題也是明顯的，且不易解決。主要問題是被加工孔的形狀誤差不易控制，孔內(nèi)容易劃傷，精密零件孔的尺寸不好保證，特別是細長孔鉸削加工，上述問題更加嚴(yán)重。在生產(chǎn)加工中，圖中的這個零件是比較典型的工件，其形狀及要求如下:

圖1 工件工藝加工圖

圖1 是該零件的一道中間工序的工藝加工圖，該工件最后要求其內(nèi)孔的錐度、橢圓度、棱圓度、直線度誤差不大于0.002 mm，粗糙度要求不大于0.1 μm，由圖1 中可以看出，該加工零件屬細長孔的鉸削(下面的分析主要以圖1之問題進行)。

在實際加工過程中，除發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔經(jīng)常劃傷外，還發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔的形狀是彎曲的。根據(jù)誤差積累效應(yīng)，這樣的內(nèi)孔質(zhì)量要保證后面的加工精度肯定是不行的。在這種情況下，內(nèi)孔鉸削方法的研究是實際生產(chǎn)中必須解決的問題。

1 分析鉸削加工產(chǎn)生誤差的原因

在細長孔的鉸削加工中，從理論上分析，孔的加工誤差與機床的精度、鉸孔的余量及其鉸刀都有關(guān)系?？椎恼`差用Δδ 表示，機床的精度用ε 表示，鉸孔的余量用ψ 表示，鉸刀因素用η 表示，它們的函數(shù)關(guān)系可以表示為Δδ=f(ε，ψ，η)。以圖1 工件為試驗工件，經(jīng)過大量、重復(fù)性的試驗，可以得出結(jié)論:選用數(shù)控機床的精度、鉸孔的余量對孔的加工誤差影響不大，鉸刀的選取對孔的加工誤差影響是主要矛盾。鉸孔加工孔徑一般在Φ1～100 mm 之間，尺寸精度一般可達H8～H7 級，表面粗糙度Ra值1.6～0.2 μm，在本零件加工中所使用的鉸刀為普通的標(biāo)準(zhǔn)多齒鉸刀，見圖2，它是由工作部分、頸部和柄部3 部分組成。工作部分包括切削部分和校準(zhǔn)部分，切削部分起主切削作用，其上有主偏角Kr;校準(zhǔn)部分起校準(zhǔn)、修光和導(dǎo)向作用，一般做成倒錐形狀。

常用的標(biāo)準(zhǔn)鉸刀鉸孔時存在如下問題:

(1)因切削與導(dǎo)向都由一個刀齒承擔(dān)，所以加工出來的孔的圓度、直線度誤差較大，預(yù)鉆孔常常因為和鉸刀不同心，當(dāng)鉸刀各刀齒在孔內(nèi)所承受的切削力不同時，鉸刀軸心必然會偏離主軸軸心，所以加工出的孔必然直線度和圓度較差。

圖2 鉸刀示意圖

(2)刀桿直徑因受到工件孔徑尺寸的限制，剛度較低，加工中易產(chǎn)生讓刀、振動等現(xiàn)象，從而影響鉸孔質(zhì)量，并使切削速度也很難提高。通常采用的高速鋼鉸刀，鉸削速度都不超過15～20 m/min。

(3)因采用注入式方法供給切削液，所以鉸孔(尤其是鉸深孔)時，切削液很難引入到切削區(qū)，致使刀具壽命降低，加工質(zhì)量也難保證。

(4)退刀時易在孔中產(chǎn)生劃痕。

因此，如何獲得理想的鉸孔質(zhì)量是生產(chǎn)中經(jīng)常碰到的難題?，F(xiàn)就此問題進行全面、深層次的研究。

2 提高鉸孔質(zhì)量的方法

2.1 改進鉸刀的幾何參數(shù)

由于鉸刀主要用于孔的精加工和半精加工，故應(yīng)將切削層的厚度減薄，并且切削厚度愈小，刀刃參加工作部分長度相應(yīng)增大，鉸刀切入時的導(dǎo)向性愈好，刀具耐用度也愈高。

如圖3 所示，鉸削時的切削厚度

式中:af為鉸刀每齒進給量，Kr為鉸刀主偏角。

由此可見，為了提高鉸孔的質(zhì)量和刀具的耐用度，鉸刀上的主偏角Kr應(yīng)取小值為宜，根據(jù)一般的經(jīng)驗表明，Kr角愈小，孔的表面粗糙度參數(shù)值Ra也愈小。所以，一般來說鉸刀采用小的Kr角，以使刀具工作時能保持良好的導(dǎo)向并減小軸向力。通常來說，鉸刀的導(dǎo)向和軸向力均由機床和夾具來保證。為了減小切屑變形，故使用較大的主偏角。目前標(biāo)準(zhǔn)手冊及本零件所用鉸刀推薦使用高速鋼鉸刀的主偏角為15°(硬質(zhì)合金鉸刀切削鋼材料時亦為15°)，但是經(jīng)過上述分析，通常所用的鉸刀主偏角值，并不完全合適。所以，我們認為在生產(chǎn)中將鉸刀的主偏角改小(5°左右)，無論是加工質(zhì)量與鉸刀耐用度均有望提高。

圖3 改進鉸刀示意圖

2.2 鉸刀和切削用量的合理選用

合理使用鉸刀是提高鉸孔質(zhì)量的關(guān)鍵。鉸刀的合理使用，除應(yīng)對鉸刀進行仔細的刃磨與研磨外，還應(yīng)選擇合適的切削用量與切削液。

2.2.1 鉸刀的使用

一般標(biāo)準(zhǔn)鉸刀均未經(jīng)研磨，影響鉸孔的表面粗糙度。因此，必須對鉸刀進行研磨。研磨時要注意切削部分、倒角、圓錐和圓柱校準(zhǔn)部分的交界處，因為內(nèi)孔最后在這里成形。刀具的粗糙度也在該處被反映到鉸孔的孔內(nèi)壁。所以，研磨鉸刀時應(yīng)特別注意用油石將該處輕輕地仔細研磨，使交界處成圓滑過渡(見圖4)。要求倒圓處后刀面上的表面粗糙度Ra為0.1～0.2 μm。倒圓半徑R 的大小沒有嚴(yán)格要求，但要求各齒上的R 值大小應(yīng)均勻一致，必須注意倒圓時不允許破壞刃口的鋒利性或?qū)⑷锌诘顾?/p>

鉸刀退刀時，常會在孔中產(chǎn)生劃痕，破壞內(nèi)孔粗糙度。故對于鉸削質(zhì)量要求高的孔，在孔鉸完后，最好將主運動停止，再把鉸刀從孔內(nèi)沿進給方向拉出孔外。

圖4 鉸刀修磨示意圖

2.2.2 切削用量

鉸削余量主要根據(jù)工件材料、鉸孔的精度和表面粗糙度等具體要求確定，余量過小，往往不能把前面的加工痕跡去除;余量過大，因切削負荷大，容易破壞鉸刀工作的穩(wěn)定性，引起振動，將孔擴大，并使刀具耐用度下降。通常粗鉸余量(直徑上)為0.2～0.4 mm，精鉸余量為0.05～0.2 mm。

鉸削速度和進給量也要選擇恰當(dāng)，應(yīng)在保證質(zhì)量的前提下，提高加工效率。一般來說，提高鉸削速度和增大進給量，會使鉸孔精度下降，表面粗糙度值增大。經(jīng)驗表明，當(dāng)鉸削鑄鐵孔時，切削速度由8 m/min 提高到30 m/min，表面粗糙度值將由Ra0.4 μm 增大到Ra0.6 μm，而鉸削鋼件孔時，則由Ra0.8 μm 增大到Ra3.2 μm，并且速度提高后，會使鉸刀磨損加劇，容易引起振動，情況嚴(yán)重時，甚至使硬質(zhì)合金刃口崩裂。

表1 常用刀具參數(shù)

鉸孔進給時，進給量通常取0.05～0.6 mm/r，加工孔的要求高及孔小時應(yīng)取小值，切削速度可取3～20 m/min，如切鋼時為避免產(chǎn)生積屑瘤，選用較小的數(shù)值。表1 是通常情況下的切削用量數(shù)值，供參考。

上面對一般情況下的鉸孔加工進行了分析。為了解決前面所提的深孔鉸孔(圖1)直線度不好保證、加工后內(nèi)孔呈彎曲狀的問題，課題組還作了專門的試驗。當(dāng)用硬質(zhì)合金鉸刀加工時，取消了粗鉸，直接采用精鉸，余量加大至0.25 mm，切削速度提高到20 m/min，進給量加大至0.4 mm/r，試驗結(jié)果，內(nèi)孔的直線度問題基本解決，且粗糙度Ra值減小(有時粗糙度Ra值未見明顯減小，但內(nèi)孔加工紋路比較均勻)，為后面的精細加工打下了良好的基礎(chǔ)。對這樣一個特殊的例子，為什么有這種現(xiàn)象，我們分析后認為，第一，當(dāng)切削速度和進給量加大時，鉸刀沒有時間產(chǎn)生變形;第二，鉸刀軸向產(chǎn)生了較大的沖擊力;第三，鉸刀的校準(zhǔn)部分對工件內(nèi)孔起了一種擠光的作用。

但是上面所說的方法，其缺點也是明顯的，這就是刀具的磨損急劇加大。但在產(chǎn)品生產(chǎn)批量小，產(chǎn)品質(zhì)量要求比較嚴(yán)的情況下，它仍不失為一種可行的加工方法。

2.2.3 切削液的選用

鉸孔時正確選擇切削液十分重要，它不但能提高刀具耐用度和改善表面粗糙度，而且還能起到抑制振動的作用。所以用鉸刀無論是鉸削鋼件還是鑄鐵，一般都要選好切削液。

鉸鋼材料工件時，通常用乳液或硫化油:鉸較軟的鋼時常用濕潤性好、粘性較小的硫化油，因為用硫化油時，噪聲小、振動也小、又能延長刀具壽命;鉸較硬的鋼材料工件時，宜采用乳化液，其冷卻效果好;在用硬質(zhì)合金鉸刀鉸孔時，也應(yīng)使用切削液，而且必須連續(xù)充分地供給，不然容易引起刃口的崩裂。

若用充足的乳化液冷卻時，加工出的工件的孔徑尺寸全變小，其縮小程度要大于采用油類切削液加工時的變小量。原因是乳化液是一種水基切削液，水的導(dǎo)熱性好，故刀具的熱膨脹小;另外，乳化液的潤滑性比油類切削液差，所以刀具對工件的擠壓作用也大，加工后工件的回彈量也就增加，因而孔徑尺寸減小。

利用上述規(guī)律，實際生產(chǎn)中就可通過改變切削液的種類和成分來控制實際加工的尺寸，以滿足鉸孔加工精度和質(zhì)量的要求。

切削液一般都用注入式方法供給(圖5)，此方法簡單、方便，故在生產(chǎn)中應(yīng)用最普遍。其缺點是因切削液大部分流失，切削得不到充分的冷卻和潤滑，從而影響了加工的效果。

圖5 切削液的注入法示意圖

圖6 切削液的內(nèi)冷卻供給法

圖6 為采用內(nèi)冷卻方法供給切削液，冷卻效果好，雖刀具結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜。但在生產(chǎn)中并不難實現(xiàn)。有條件時，應(yīng)盡量采用內(nèi)冷卻的方式供給切削液。

2.2.4 改進現(xiàn)有鉸刀的結(jié)構(gòu)

通常采用的普通鉸刀，由于切削齒多(≥4)，而且切削齒部分與導(dǎo)向部分連為一體，故鉸出的孔容易造成內(nèi)孔的圓度和直線度誤差，內(nèi)孔就容易劃傷。為避免這些現(xiàn)象，在鉸刀的刀齒上進行改進是有必要的。

在生產(chǎn)實踐中，我們知道:鏜孔加工出的內(nèi)孔，其內(nèi)孔圓度及直線度的質(zhì)量是比較高的，但鏜孔的工作效率比較低，因為鏜刀只有軸向運動;在鏜孔的加工中，如果我們能利用鏜孔加工的優(yōu)點與鉸削加工相配合，則對鉸孔質(zhì)量是有望提高的。

設(shè)想做一種單刃鉸刀，將其切削與導(dǎo)向兩部分分開，由鉸刀上的兩個不同部分來承擔(dān)，以硬質(zhì)合金鉸刀為例，按圖7 所示做成一種鉸刀，刀具上的一個切削刃(刀齒)和兩個導(dǎo)向塊，在徑向剖面上構(gòu)成了“三點成一個圓”的定位原理。刀具切入工件后能自行導(dǎo)向，因而有可能加工出較高的尺寸精度和形狀精度，尺寸精度可達H8～H7 級，表面粗糙度在Ra1.6 μm 以下(與鏜孔加工類比推出)，切削時，如果有條件，可用較大壓力供給切削液，還可提高鉸孔速度，提高加工效率。

圖7 改進鉸刀剖面示意圖

3 結(jié)語

上面所述的加工方法既有鏜孔加工的特點，而且刀具自身又可自己調(diào)整和導(dǎo)向，所以其加工質(zhì)量及工作效率都可望獲得提高。前面針對硬質(zhì)合金鉸刀進行了分析，對于高速鋼鉸刀來說，我們可以根據(jù)擴孔加工的經(jīng)驗將鉸刀做成雙刃(齒)對角形，這樣就可以解決內(nèi)孔圓度及直線度差的問題，但這種方法缺點也很多，主要是其導(dǎo)向性不好，粗糙度也不會很理想，其刀具磨損亦嚴(yán)重。

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