鏜削加工基礎知識

關于鏜削加工已有許多技術文章，其中一些文章寫得很不錯，但也有一些文章存在明顯的謬誤。為了有效完成這種重要的內孔精加工，必須消除有關鏜削的一些錯誤觀念。
　　鏜削是一種用刀具擴大孔或其它圓形輪廓的內徑車削工藝，其應用范圍一般從半粗加工到精加工，所用刀具通常為單刃鏜刀（稱為鏜桿）。
　　鏜刀有三個基本元件：可轉位刀片、刀桿和鏜座。鏜座用于夾持刀桿，夾持長度通常約為刀桿直徑的4倍。裝有刀片的刀桿從鏜座中伸出的長度稱為懸伸量（鏜刀的無支承部分）。懸伸量決定了鏜孔的最大深度，是鏜刀最重要的尺寸。懸伸量過大會造成刀桿嚴重撓曲，引起振顫，從而破壞工件的表面質量，還可能使刀片過早失效。這些都會降低加工效率。
　　對于大多數加工應用，用戶都應該選用靜剛度和動剛度盡可能高的鏜刀。靜剛度反映鏜刀承受因切削力而產生撓曲的能力，動剛度則反映鏜刀抑制振動的能力。
　　本文的第一部分主要分析鏜刀的靜剛度。文中資料來源于作者對鏜刀撓曲的研究。鏜刀的撓曲取決于刀桿材料的機械性能、刀桿直徑和切削條件。
切削力
　　作用于鏜刀上的切削力可用一個旋轉測力計進行測量。被測力包括切向力、進給力和徑向力。與其它兩個力相比，切向力的量值最大。
　　切向力垂直作用于刀片的前刀面，并將鏜刀向下推。需要注意，切向力作用于刀片的刀尖附近，而并非作用于刀桿的中心軸線，這一點至關重要。切向力偏離中心線產生了一個力臂（從刀桿中心線到受力點的距離），從而形成一個力矩，它會引起鏜刀相對其中心線發(fā)生扭轉變形。
　　進給力是量值第二大的力，其作用方向平行于刀桿的中心線，因此不會引起鏜刀的撓曲。徑向力的作用方向垂直于刀桿的中心線，它將鏜刀推離被加工表面。
　　因此，只有切向力和徑向力會使鏜刀產生撓曲。已沿用了幾十年的一種經驗算法為：進給力和徑向力的大小分別約為切向力的25％和50％。但如今，人們認為這種比例關系并非“最優(yōu)算法”，因為各切削力之間的關系取決于特定的工件材料及其硬度、切削條件和刀尖圓弧半徑。推薦采用以下公式來計算切向力Ft：
Ft＝396000×切削深度×進給率×功率常數
加工不同工件材料時鏜刀所受徑向力的計算公式見表1。
表1 鏜刀徑向力的計算
工件材料－布氏硬度－徑向力計算公式
碳鋼，合金鋼，不銹鋼，工具鋼－80～250－Fr＝0.308×Ft
碳鋼，合金鋼，不銹鋼，工具鋼－250～400－Fr＝0.672×Ft
球墨鑄鐵，灰鑄鐵－150～300－Fr＝0.331×Ft
鏜刀的撓曲
　　鏜刀類似于一端固定（鏜座夾持部分）、另一端無支承（刀桿懸伸）的懸臂梁，因此可用懸臂梁撓曲計算公式來計算鏜刀的撓曲量：
y=（F×L3）/（3E×I）
式中：F為合力，L為懸伸量（單位：英寸），E為彈性模量（即刀桿材料的楊氏模量）（單位：psi，磅/平方英寸），I為刀桿的截面慣性矩（單位：英寸4）。
鏜刀桿截面慣性矩的計算公式為：
I=（π×D4）/64
式中：D為鏜刀桿的外徑（單位：英寸）。
鏜刀撓曲計算實例：
加工條件：工件材料：AISI 1045碳鋼，硬度HB250；切削深度：0.1″，進給量：0.008英寸/轉；刀桿直徑：1″，刀桿的彈性模量：E＝30×106psi，刀桿的懸伸量：4″。
（1）切向力的計算
Ft＝396000×切削深度×進給量×功率常數＝396000×0.1×0.008×0.99＝313.6 lbs
（2）徑向力的計算
Fr＝0.308×Ft＝0.308×313.6＝96.6 lbs
（3）合力的計算
F＝328.1 lbs
（4）截面慣性矩的計算：
I＝（π×D4）/64＝0.0491 in.4
（5）鏜刀撓曲的計算
y=（F×L3）/（3E×I）=0.0048″
分析鏜刀撓曲和截面慣性矩的計算公式可知，在鏜削加工時應遵循以下原則：
（1）鏜刀的懸伸量應盡可能小。因為隨著懸伸量的增大，撓曲量也會隨之增大。例如，當懸伸量增大1.25倍時，在刀桿外徑和切削參數保持不變的情況下，撓曲量將增大近2倍。
（2）鏜刀桿的直徑應盡可能大。因為當刀桿直徑增大時，其截面慣性矩也會增大，撓曲量將會減小。例如，當刀桿直徑增大1.25倍時，在懸伸量和切削參數保持不變的情況下，撓曲量將減小近2.5倍。
（3）在懸伸量、刀桿外徑和切削參數保持不變時，采用高彈性模量材料的鏜刀桿可以減小撓曲量。
鏜刀桿的材料
　　鏜刀桿由鋼、鎢基高密度合金或硬質合金制成。合金鋼是最常用的刀桿材料，也有一些鏜刀桿制造商采用AISI 1144碳高速鋼。無論何種牌號的碳鋼和合金鋼，都有相同的彈性模量：E＝30×106psi。一種常見的誤解是認為采用高硬度或高品質鋼制造鏜刀桿可以減小撓曲量。而從撓曲計算公式可以看出，決定撓曲的變量之一是彈性模量而非硬度。
　　鎢基合金是采用粉末冶金技術加工制成。鎢、鎳、鐵、銅等高純度金屬粉末是燒結各種合金的典型元素，其中有些合金可用于制作鏜刀桿和其它刀柄。用于制作鏜刀桿的典型鎢基高密度合金牌號是K1700（E=45×106psi）和K1800（E=48×106psi），用它們制成的鏜刀桿在以相同切削參數進行鏜削加工時，其撓曲量可比相同直徑和懸伸量的鋼制刀桿減小50％～60％。
　　用硬質合金制成的鏜刀桿撓曲量非常小，因為其彈性模量比鋼和高密度鎢基合金高得多。制作鏜刀桿的典型硬質合金牌號的碳化鎢含量為90％～94％，鈷含量為10％～6％，根據行業(yè)編碼規(guī)定，此類牌號屬于C-1（E=82×106～84×106psi）、C-2（E=85×106～87×106psi）或C-3（E=89×106psi）系列。
鏜刀片的材料及幾何參數
　　鏜刀片可采用硬質合金、陶瓷、金屬陶瓷、PCD、PCBN等不同刀具材料制成。硬質合金鏜刀片大多采用PVD或CVD涂層。例如，PVD TiN涂層適于加工高溫合金和奧氏體不銹鋼；PVD TiAlN涂層用途廣泛，適于加工大部分鋼、鈦合金、鑄鐵及有色金屬合金。這兩種涂層都涂覆于具有良好抗熱變形和抗斷續(xù)切削能力的硬質合金基體上。此類硬質合金基體含有約94％的碳化鎢和約6％的鈷，屬于行業(yè)編碼規(guī)定中的C-3和C-4系列，相當于ISO標準的K-10～K-20、M-10～M-25及P-10～P-20系列。
　　CVD涂層硬質合金牌號適用于大部分鋼和鑄鐵材料的鏜削加工。CVD涂層是由TiN、Al2O3、TiCN及TiC等多層成分組成的復合涂層，其中每一層涂層都具有特定功能，不同的涂層組合能抵抗不同的磨損機制。典型的硬質合金牌號由碳化鎢、碳化鉭及含鈷TiC等多元碳化物組成，屬于行業(yè)編碼規(guī)定中的C-1～C-4、C-5～C-7系列，相當于ISO標準中的K-10～K-30、M-10～M-45和P-05～P-45系列。
　　陶瓷刀片牌號包括氧化鋁（Al2O3）基和氮化硅（Si3N4）基兩大類。氧化鋁基陶瓷刀片又分為未涂層和PVD TiN涂層兩類牌號。未涂層牌號具有較好的韌性和耐磨性，推薦用于合金鋼、工具鋼和硬度大于HRC60的馬氏體不銹鋼的鏜削加工。涂層牌號則用于淬硬鋼、鑄鐵（硬度HRC45或更高）、鎳基及鈷基合金的精鏜加工。
　　氮化硅基陶瓷刀片包括雙層CVD涂層（一層是TiN，另一層是Al2O3）牌號和未涂層牌號。涂層牌號兼具良好的韌性和刃口耐磨性，推薦用于灰鑄鐵和球墨鑄鐵的鏜削加工。某些未涂層牌號具有優(yōu)異的抗熱沖擊性及抗斷裂韌性，而另一些牌號能夠吸收機械沖擊和保持良好的刃口耐磨性，此類牌號適于高溫合金的鏜削加工。具有高韌性的未涂層牌號推薦用于灰鑄鐵的粗鏜加工和斷續(xù)鏜削。
　　金屬陶瓷是由陶瓷材料（鈦基硬質合金）與金屬（鎳、鈷）結合劑組合而成的復合材料。金屬陶瓷分為涂層牌號和未涂層牌號兩類。未涂層牌號硬度較高，具有良好的抗積屑瘤和抗塑性變形能力，用于光潔度要求較高的合金鋼精鏜加工。多層PVD涂層牌號（兩層TiN涂層之間夾一層TiCN涂層）可用于大部分碳鋼、合金鋼及不銹鋼的高速精鏜和半精鏜加工；用于加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵時，也可獲得較長的刀具壽命和良好的表面光潔度。
　　聚晶金剛石（PCD）是由金剛石微粉、結合劑和催化劑在高溫、高壓下制成的超硬材料。PCD刀片是將PCD刀尖焊接在硬質合金基體上制成的。PCD刀具最有效的用途是加工過共晶鋁合金（硅含量超過12.6％）。PCD刀具的切削刃能長久保持鋒利，超過了任何其它刀具材料。此外，PCD刀具適用于高速切削。
　　聚晶立方氮化硼（PCBN）的硬度僅次于PCD。市場供應的PCBN刀片有多種結構型式，如焊接式PCBN刀片（將或大或小的PCBN刀尖焊接在硬質合金刀片上）、整體PCBN刀片、采用硬質合金基體的全加工面PCBN刀片等。PCBN刀片牌號通常用于淬硬鋼、工具鋼、高速鋼（HRC45～60）、灰鑄鐵、冷硬鑄鐵以及粉末冶金材料的精鏜加工。PCBN的一個獨特性能是其室溫硬度與切削時的高溫硬度基本相同，這就使PCBN刀具在高速加工中可獲得比加工相同工件的其它類型刀具更長的刀具壽命。
　　用于鋼制鏜刀桿的鏜刀片型號有：CNMG 332、CNMG432和CNMG542；DNMG 332和DNMG 442；SNMG 432；TNMG 332和TNMG 432；VNMG 332和VNMG 432；WNMG 332和WNMG 432。鏜刀片的主要幾何角度有前角、刃傾角和余偏角。前角和刃傾角為負值，典型的前角值為－6°；刃傾角根據刀片形狀的不同，在－10°～－16°之間取值；余偏角與刀片形狀有關：CNMG和WNMG為－5°，DNMG和VNMG為－3°，TNMG為－1°，SNMG為15°。
　　用戶通過對刀片材料及幾何參數、刀桿材料及切削力進行認真權衡和優(yōu)選，就會使鏜刀的撓曲減至最小，加工出符合要求的孔。