孔加工方法與導(dǎo)條式刀具優(yōu)勢分析

■尚亞（上海）國際貿(mào)易有限公司 （230106） 章宗城

孔加工方法與導(dǎo)條式刀具優(yōu)勢分析

■尚亞（上海）國際貿(mào)易有限公司 （230106） 章宗城

摘要：孔加工是在工件體內(nèi)進(jìn)行，刀具懸伸，剛性差，易變形，其容屑排屑、冷卻及潤滑等條件均差。采用導(dǎo)條式孔加工刀具，能較好地解決相關(guān)問題。其在汽車、零部件加工中，已取得優(yōu)質(zhì)高效的顯著成果。本文從原理上分析了其優(yōu)勢所在。

孔加工時(shí)刀具在工件體內(nèi)工作，其結(jié)構(gòu)與尺寸受孔徑大小、深度制約，加工中容屑、排屑、強(qiáng)度、剛性、導(dǎo)向、冷卻及潤滑等問題需妥善解決。加工過程因不能直觀看到，出現(xiàn)情況常難以及時(shí)預(yù)防，且孔越深刀具懸伸越長，剛性越差，刀具變形、磨損及加工不穩(wěn)定等問題極易發(fā)生。以上問題都是原有孔加工方法固有的不足。

通常的孔加工方法有：①鉆、擴(kuò)及鉸，加工精度可由IT11 ～I(xiàn)T14級逐漸提高至IT6～I(xiàn)T7級。②粗鏜、半精鏜及精鏜孔，精度由IT11～I(xiàn)T12級漸提高至IT6 ～I(xiàn)T7級。其他孔加工方法還有內(nèi)圓磨（多用于淬硬件的最后精加工）和拉削等方法。為了提高孔加工的精度和效率，德國MAPAL公司開發(fā)的帶導(dǎo)條孔加工刀具，如圖1a所示，相對于原有孔加工刀具顯示出多方面的杰出優(yōu)點(diǎn)，因而在汽車等許多工業(yè)領(lǐng)域的主要零件加工中，在提高孔及孔系加工質(zhì)量、效率方面做出了巨大的貢獻(xiàn)。

圖1　鏜孔示意圖

1. 傳統(tǒng)鏜孔刀具

如圖1b所示，傳統(tǒng)鏜刀處于懸伸狀態(tài)，設(shè)定鏜刀桿自由端剛度為C，C按懸臂梁計(jì)算為：C=3EI/L3。式中，E是鏜刀桿材料的彈性模量，I是鏜刀桿截面的慣性矩，L是懸伸的長度。常用圓斷面鏜刀桿的慣性矩是：I=d4/32。式中，d是鏜刀桿直徑，由公式知，圓鏜刀桿剛性與其直徑的4次方和與彈性模量成正比，與其懸伸長度的3次方成反比。為提高其剛性與零件加工精度，應(yīng)盡量縮短其伸長，加粗其桿徑，采用高彈性模量材料。但其直徑與伸長受需加工孔徑D與要求長度L限定，故懸臂加工鏜刀桿的缺點(diǎn)是：①剛性較差，易撓曲，致使加工后尺寸精度和形狀精度的圓度、直線度較差。②剛性不足易引起振動(dòng)，故無法使用銳利刀具，加工表面質(zhì)量不高。③從剛度C的計(jì)算公式知，為增強(qiáng)剛性，宜選彈性模量E值高的材料。硬質(zhì)合金彈性模量高于重金屬。重金屬的彈性模量高于合金鋼。故僅因此點(diǎn)不同，鏜孔深度限制不同；一般采用合金鋼鏜桿鏜孔深度應(yīng)在L/D=4以下，重金屬鏜桿應(yīng)在L/D=7以下，硬質(zhì)合金鏜桿應(yīng)在L/D=10以下。④斷續(xù)切削時(shí)，由于切削力波動(dòng)大，振動(dòng)大，一般鏜刀桿只好降低切削用量，難以高效加工。⑤一般鏜孔法，因生產(chǎn)線外調(diào)刀困難，需在機(jī)床上用試切方法來調(diào)整，較麻煩，調(diào)刀尺寸也難以控制在公差上限，難以延長刀具使用壽命。綜合以上的不足，此方法刀具的壽命不長，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，加工精度較差。

2. 帶導(dǎo)條鏜孔刀具

如圖1a所示，帶導(dǎo)條鏜孔刀具由于導(dǎo)條一直起到支承和導(dǎo)向作用，故其優(yōu)點(diǎn)為：①因?qū)l承

受切削力，懸伸長度短，剛性高，使加工尺寸與幾何精度大幅度提高。②有導(dǎo)條支承，抑制了振動(dòng)，就有可能采用銳利刀具，從而提高了加工表面質(zhì)量。③在加工中一直有導(dǎo)條支承，刀具伸長，剛性也沒有減弱，鏜孔長度幾乎不受限制。④導(dǎo)條支承使斷續(xù)切削造成的切削力波動(dòng)受到抑制，斷續(xù)孔不難加工。⑤導(dǎo)條的支承和導(dǎo)向，使切削穩(wěn)定，加工質(zhì)量穩(wěn)定。⑥可在生產(chǎn)線外進(jìn)行調(diào)刀，調(diào)整精確，能確保加工精度，并可使尺寸調(diào)到公差上限，使刀具壽命得以延長，且大大減少了停機(jī)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。

與精度較高的鉸刀作比較，鉸刀作為半精加工和精加工孔的刀具，一般具有6～12刃。分布在圓周的多個(gè)切削刃，除擔(dān)負(fù)切削作用外，也同時(shí)承擔(dān)了支承作用，因此刃口需要具有一定的鈍圓半徑，而不是磨出銳利的切削刃（見圖2）。另外，鉸削余量大小一般具體視直徑大小、工件材料和對鉸孔質(zhì)量等要求的不同而異。切削時(shí)當(dāng)圓弧角γn大于切深ach，前角γoc為負(fù)角，此時(shí)就會(huì)對工件產(chǎn)生擠壓作用，刀具隨其磨損。以上兩種原因，使鉸削后表面易產(chǎn)生細(xì)微的刮痕，降低加工表面質(zhì)量。另外，一般鉸刀由于安裝等因素引起的振擺也影響加工表面圓度。通常鉸刀結(jié)構(gòu)如圖3所示，前端呈兩段圓錐形，前段為引導(dǎo)錐，以便將鉸刀引入孔中，第二段圓錐由主偏角Kr作為錐角，是承擔(dān)主要切削作用的部分（刀具剛性較好時(shí)，前端只做出一段圓錐，同時(shí)承擔(dān)引導(dǎo)和切削作用，或只做出45°短倒角）；中間至最后是校準(zhǔn)部分，由圓柱部分和倒錐部分組成，圓柱部分起導(dǎo)向、校準(zhǔn)及擠光作用，倒錐部分減少摩擦并防止鉸刀將孔徑擴(kuò)大。在鉸削韌性材料時(shí)，甚至可在校準(zhǔn)部分全長做出倒錐，因此通常在加工鋼等韌性材料時(shí)，實(shí)際只有前端局部支承，使引導(dǎo)性、支承剛性等下降，并影響加工直線度和圓度。在斷續(xù)切削時(shí)，更難以保證精度。作為尺寸刀具，整體鉸刀加工后，孔徑精度很大程度決定于鉸刀自身的精度。鉸刀重磨后，尺寸減小達(dá)到最小極限尺寸的加工次數(shù)就會(huì)減少，使刀具壽命下降。鉸刀類型除整體式鉸刀外，尚有焊接刀片式、可換刀頭式及可轉(zhuǎn)位刀片式鉸刀等。

圖2　鉸刀刃齒圓弧同時(shí)具有支承作用

圖3　一般標(biāo)準(zhǔn)鉸刀各部分的組成

鉸刀的公稱直徑是指校準(zhǔn)部分的直徑，也指被加工孔直徑。其公差應(yīng)比工件孔公差嚴(yán)格，要考慮磨損備量，以使重磨數(shù)次后，尚能使加工后的工件孔徑在要求的孔公差范圍內(nèi)，還要考慮鉸削后可能產(chǎn)生的擴(kuò)張量或收縮量。形成擴(kuò)張收縮的原因是：切削振動(dòng)、刀具振擺、安裝誤差以及積屑瘤等，使鉸出的孔徑常大于鉸刀校準(zhǔn)部分外徑。但有時(shí)又由于工件的彈性變形或熱變形后的恢復(fù)（特別是在使用硬質(zhì)合金鉸刀鉸孔時(shí)，因切削溫度較高時(shí)），鉸后孔會(huì)縮小。到底是擴(kuò)大還是縮小以及數(shù)值大小，需按經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)確定。一般擴(kuò)張量約為0.003～0.02mm，收縮量約為0.005～0.02mm?？紤]以上這些因素后，制定的鉸刀制造公

差不能太大，否則磨損備量就會(huì)減小，刀具壽命變短。但公差太小，也會(huì)使制造成本提高。因此國家和公司有自己的標(biāo)準(zhǔn)。另外需要注意的是，鉸孔的質(zhì)量與前道工序的加工質(zhì)量也有關(guān)。

鉸刀結(jié)構(gòu)帶錐角的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，被MAPAL帶導(dǎo)條孔加工刀具采用（見圖4）。其刀片前面的錐刃分兩段，第一段錐角（即主偏角）較大，除有引導(dǎo)作用外，還作為粗加工刃，緊接著是第二段錐角（主偏角）較小的部分，加工是逐漸切入，這部分作為精加工刃。之后是校準(zhǔn)刃和倒錐部分，可因加工材料的不同，設(shè)計(jì)分配各部分長度及主偏角大小，非常靈活。多刃的MAPAL帶導(dǎo)條刀具，集中了鏜、鉸的優(yōu)點(diǎn)。MAPAL導(dǎo)條式孔加工刀具，除一次完成粗精加工外，也可做出臺階式，一次可做多個(gè)臺階孔的粗、精加工，從而合并了工序，一次完成，大大地提高了效率，也提高了各孔間的同軸度。刀片又采用了機(jī)夾式，更換方便、經(jīng)濟(jì)性好。

圖4　帶導(dǎo)條單刃孔加工刀具結(jié)構(gòu)示意圖

MAPAL的雙刃導(dǎo)條孔加工刀具兩刃不等高，約相差0.1～0.2mm，可分別承擔(dān)粗加工和精加工，各刃的負(fù)荷得以減輕，從而可使進(jìn)給量增大，提高生產(chǎn)效率。如用兩刃導(dǎo)條式刀具加工連桿大頭孔，加工后圓度可達(dá)3～5μm。后工序無珩磨時(shí)，若注意調(diào)整好刀片，選擇合理切削條件，Rz可達(dá)2～3μm，可連續(xù)加工2 600個(gè)孔。加工閥體孔，其圓柱度和直線度可達(dá)0.004mm以內(nèi)。加工曲軸孔等具有間斷、多支承深孔時(shí)，可用長、短兩種型式的導(dǎo)條式刀具，剛性好的短型導(dǎo)條式刀具將第1孔加工出后，可作為導(dǎo)引，再用長型刀具加工，以保證最終的高精度要求。

如圖5所示，為MAPAL各類導(dǎo)條式孔加工刀具。在汽車工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，如氣缸體的缸孔、曲軸孔及梃桿孔；氣缸蓋的凸輪軸孔、氣門導(dǎo)管孔及連桿的大小頭孔；活塞的銷孔、各種閥孔等，分別使用了單刃、雙刃及多刃等。刀片的形式也有多種多樣，有長形、六角形，可以快速更換。刀片材料除硬質(zhì)合金、涂層硬質(zhì)合金及金屬陶瓷外，也有PCD和CBN的。導(dǎo)條材料也有硬質(zhì)合金、金屬陶瓷及PCD等。

另外要特別說明一下孔加工刀具的調(diào)整問題。由粗加工到精加工，刀尖不僅在直徑方向的伸出量要精確，還應(yīng)使刀片在x和y方向調(diào)整到正確位置。MAPAL導(dǎo)條式鏜刀的結(jié)構(gòu)采用了兩點(diǎn)精確調(diào)整結(jié)構(gòu)，位置調(diào)整精確，加工孔徑精度高，可以穩(wěn)定地加工出IT5、IT6級精度，甚至IT3級精度，1～3μm圓柱度。且可在生產(chǎn)線外進(jìn)行刀具調(diào)整，減少了停機(jī)時(shí)間。

調(diào)整精度很重要，一種加工方法加工一大批工件，所有工件尺寸的正態(tài)分布規(guī)律是：最大、最小的尺寸件數(shù)很少，平均的中間尺寸μ的件數(shù)最多，形成如圖6所示的高斯曲線（即正態(tài)分布曲線，其范圍是3σ，σ是均方根偏差），縱坐標(biāo)表示各尺寸出現(xiàn)的個(gè)數(shù)、頻率。橫坐標(biāo)表示尺寸分布，曲線分布范圍越小，表示該加工方法可控尺寸波動(dòng)越小，加工精度越高，工藝能力越強(qiáng)。零件公差分布的中心AM與實(shí)際加工后工件尺寸的分布中心μ最好一致，但實(shí)際往往由于具有一些影響刀具正確位置及調(diào)整精度的因素，即系統(tǒng)誤差，使高斯曲線分布中心μ與要求的公差中心AM不一致，而出現(xiàn)中心偏差，使實(shí)際

加工尺寸分布可能超出公差范圍T，從而出現(xiàn)不合格品。圖6中Amax和Amin分別表示公差允許的最大和最小極限尺寸，此范圍之外的就是不合格品。

圖5　MAPAL各類導(dǎo)條式孔加工刀具

圖6　實(shí)際尺寸分布中心與公差分布中心的不一致

MAPAL帶導(dǎo)條孔加工刀具有可靠的調(diào)整精度方法，對刀儀精確，調(diào)整精度可達(dá)到1μm，可控工藝能力極高，加工尺寸分布中心趨近于要求的公差中心，減少了可能出現(xiàn)的廢品，甚至考慮到刀具磨損問題，預(yù)先做出更有利的調(diào)整，使刀具使用壽命延長，生產(chǎn)穩(wěn)定持續(xù)。一般傳統(tǒng)鏜刀因是單點(diǎn)調(diào)整，孔徑尺寸難以控制，線外調(diào)整難，常需在機(jī)器上以試切方法來調(diào)整，既麻煩又不精確。因此為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高精度孔加工，減少不合格品，導(dǎo)條刀具的優(yōu)勢十分明顯，很值得我們學(xué)習(xí)應(yīng)用。

收稿日期：（20141126）