孔加工（鉆、鏜、鉸孔）復合刀具

前言

對零件的內(nèi)孔進行加工的工作，在機械廠、金工車間（特別是鉗工和車工工種）是家常便飯，也是不可或缺的事情，而不同零件的結(jié)構(gòu)特點和加工要求性質(zhì)以及現(xiàn)有設(shè)備的限制，那么所采取的工藝方法，所選擇的工種工人及其技能水平和刀具特點效能的發(fā)揮作用，都直接影響到零件的加工質(zhì)量（加工精度）和生產(chǎn)的成本（生產(chǎn)效益）。

鉗工工種進行孔加工的過程簡單，可達較高的加工精度，但是要使加工出來的孔其形位精度和表面粗糙度均較高時，體現(xiàn)出鉗工加工孔的難度和成效性就很明顯，若有精良的設(shè)備、刀具和技藝精湛的操作工人那是不費吹灰之力，輕而易舉就能滿足加工要求（確保高精度孔加工的要求），但是在通常的加工環(huán)境（條件），是不可能十全十美、應有盡有（包括設(shè)備、刀具和技藝精湛的操作工人），如標準刀具尺寸不符，設(shè)備技術(shù)參數(shù)規(guī)格不符合等，給加工帶來的困難，用常用的方法就難于完成零件內(nèi)孔的加工（勉為其難），但是就有限的資源（條件），也要完成產(chǎn)品的加工且要確保其加工質(zhì)量，那么只有針對現(xiàn)狀，考慮經(jīng)濟性改進不符的因素來滿足加工的條件（要求），才能使困難迎刃而解。

我加工了一批箱體（WS120型蝸桿減速器）的內(nèi)孔， 該孔的精度要求較高，， Ra =1.6μm，由于此孔的孔徑和精度要求校高，通常用的加工手段有兩種方法：方法一，先用鉆頭鉆出孔（粗加工）后，留出精加工余量，再由技術(shù)水平較高的工人師傅直接鏜出內(nèi)孔達到精度要求；方法二，先對工件鉆孔→擴孔→粗鉸（留0.1～0.2mm的鉸削余量）→精鉸，來保證孔的質(zhì)量。兩種方法的優(yōu)劣勢各有不同，方法一中，其操作過程簡單，加工出的孔，其直線度較好，刀具消耗低，但是對鏜孔工序的工人技能要求較高（在普通機床上加工并非數(shù)控機床設(shè)備上加工時），而且較容易產(chǎn)生廢品，工作效率也低；而方法二加工出來的孔徑取決于鉸刀的精度、尺寸相對穩(wěn)定，對操作工人的技能水平要求也相對不很高，但是加工出來的孔其表面粗糙度低，孔的直線度較差，鉸刀的消耗也很大，效率非常低，只適宜單件生產(chǎn)，不適合批量生產(chǎn)，若能綜合兩種加工方法的優(yōu)點，既保證零件的加工精度，工人技能要求也不需很高，且又能降低生產(chǎn)成本,提高效率的加工方法（措施）。那么就這批產(chǎn)品的生產(chǎn)特點（批量）和當時工廠的生產(chǎn)條件（設(shè)備非常欠缺，只有一臺Z525型鉆床）及采取常規(guī)的加工方法，進行生產(chǎn)的難度較大且效率較低的問題就可得到很好的改善。因此，通過查找資料、借鑒工藝、設(shè)計出一款將鉆孔、鏜孔、鉸孔容為一體的專用復合刀具。如圖1所示：

圖1 復合刀具實體結(jié)構(gòu)示意圖

⒈刀具設(shè)計的構(gòu)思

⑴就應工廠現(xiàn)有的加工條件，完成產(chǎn)品加工，保證質(zhì)量和提高效率及降低成本

⑵為減少裝拆刀具的時間，從鉆孔、擴孔（或鏜孔），到最后的鉸孔，一次性安裝刀具完成三道工序（孔的粗加工、半精加工和精加工），即將鉆頭和擴孔鉆（或鏜刀）及鉸刀三種刀具共用一刀體結(jié)構(gòu)。

⑶為減少刀具刃磨的輔助時間和提高刀具的耐用度，減少刀具消耗，降低生產(chǎn)成本，分別對鉆孔、鏜孔和鉸孔用刀具的切削部分針對各自加工特點（切削條件）而采用不同材質(zhì)型號特點的硬質(zhì)合金刀片。

⒉刀體結(jié)構(gòu)原理設(shè)計

根據(jù)鉆頭加工內(nèi)孔鉆削效率高的特點，刀頭部分用一塊材料為YG8 E225型合金刀片鑲嵌（銅焊）在刀桿一端而成為鉆頭部分，完成粗加工（鉆孔）工序，但是加工出的孔其表面粗糙度和孔經(jīng)直線度都較差，尺寸精度不高等缺陷，將具有修正孔徑直線度，穩(wěn)定孔徑尺寸的鏜刀部分，放在合金鉆頭后，將鉆削出的孔進行鏜削加工（由于鏜削余量較大，分單刀三級鏜削），利用鏜孔的優(yōu)點來保證加工出的孔徑直線度和穩(wěn)定孔徑尺寸，完成半精加工工序（包括粗鏜、半精鏜），為鉸孔工序做好準備工作（提高表面粗糙度和使鉸削余量均勻合理），鉸孔的鉸刀部分放在復合刀具體切削部分的最后來完成最后的精加工，保證孔的精度（孔的形位精度和表面粗糙度）、刀具體夾持部分制成莫氏3號錐柄。為了容易排屑和刀具不同時參與切削（減輕切削力），每一刀具的切削部分的起始點在軸向間隔大于或等于25 毫米（大于孔深），其中鉆與第一級鏜之間大于25 毫米（因鉆孔的鐵屑多），同時也增大了容屑空間，使排屑順暢，避免前后刀面切下的切屑互相干擾和阻塞，致使刀具崩刃及影響孔的質(zhì)量。

⒊鉆、鏜、鉸孔切削部分合金刀片材料的選擇

根據(jù)加工材料（灰口鑄鐵）的性質(zhì)，生產(chǎn)特點（批量），切削特點來選擇合適的刀具材料（鉆、鏜、鉸削的機床轉(zhuǎn)速，進給量相同時）。

⑴ 鉆削（刀頭）刀具部分，由于是粗加工，切削深度較大，刀具承受的切削力較大，切削速度不很高（照顧鉸孔部分的特點），同時材料的組織不均勻（有砂眼、氣穴的可能），再加上合金刀片的刃口在切削加工鑄鐵行程中欠鋒利，擠刮現(xiàn)象較嚴重，所以選用強度較高，抗沖擊性和抗振性能及耐磨性均較好的鎢鈷類硬質(zhì)合金（材料牌號為YG8 E225型焊接合金）

⑵ 鏜孔刀具部分，由于孔徑比鉆孔尺寸略大，根據(jù)V=（πDn）/1000，刀刃處切削速度會高于鉆孔刀具部分，切削深度比鉆孔的切削深度較小，切削過程相對穩(wěn)定些，為了提高刀具的耐用度，選用硬度，耐磨性及耐熱性均較好，且不用重磨切削角度可轉(zhuǎn)位的鎢鈷類硬質(zhì)合金機夾刀片（材料牌號為YG6，型號為31005V）。

⑶ 鉸孔刀具部分，由于是穩(wěn)定尺寸部分刀刃處的切削速度相對鉆削和鏜削時均更高，切削深度（鉸孔余量）較小，所以要求耐磨性和耐熱性也要相對鉆削和鏜削時更高，才能提高刀具的耐用度，從而保證尺寸精度，因而選擇鎢鈷類硬質(zhì)合金（材料牌號為YG3）。

⒋刀具切削部參數(shù)設(shè)定

刀具切削部分的切削角度和刃寬參數(shù)對刀具的使用壽命（耐用度）和加工的難易程度及加工的精度均起著至關(guān)重要的作用，也直接影響到加工成本、加工效率，所以刀具每部分的切削參數(shù)應合理選擇。

圖2 合金鉆頭部分示意圖

鉆削部分（如圖2所示 ），刀片厚度為4.5mm，保證鉆頭的鉆心強度，鋒角取116°比標準麻花鉆鋒角小，目的是減小主偏角，從而減少軸向抗力和振動，內(nèi)刃斜角約15°，內(nèi)刃前角取-15°，橫刃長度留2.5毫米來提高鉆孔的穩(wěn)定性，同時提高刀具的耐磨性，前角取γ取6°，后角α取18°，目的是為了容納切屑的空間較大，以防碎沫狀切屑堵塞壓迫，造成崩刃），同樣也是為了增大容納切屑的空間，減少鉆頭與孔壁的磨擦，而同時又要保證副切削刃的強度，所以取副后角為8°和副切削刃帶寬為0.25～0.3mm。

鏜削刀具部分，采用型號為31005V的YG6不重磨刀片，角度參數(shù)（如圖3所示 ）。

圖3 鏜孔用刀片示意圖

鉸削刀具部分，引導前錐取45°軸向長3毫米，便于切入已有孔，另為提高鉸削的穩(wěn)定性，切削錐角（2倍的主偏角）取3°～5°，軸向長3毫米，為提高刀具的耐用度和表面粗糙度及尺寸精度，引導部分與切削部分采用R1過渡，切削部分與校準部分采用R0.5過渡；因鉸削余量很小，切屑很薄，切屑與前刀面接觸很短，前角作用不大，為制造方便，前角取0°；引導部分和切削部分及校準部分的后角均取8°，引導部分和切削部分不留刃帶，校準（修光）部分留0.3mm的刃帶寬，以保證修光刃的強度又減少刃帶與孔壁的磨擦，達到良好的導向和修光作，同時也便于鉸刀制造和檢驗，刃傾角取-8°（相當于左向螺旋鉸刀），為使鉸刀工作平穩(wěn)，提高加工表面質(zhì)量，切削時切屑順利從鉸刀前方排出（向下），可避免切屑劃傷孔壁，并或減少孔的擴張量。

⒌刀具的制造

此復合刀具的精度直接影響到加工孔的質(zhì)量（形位精度和表面粗糙度），要充分發(fā)揮此復合刀具的效能，就必須要保證刀具本身的精度。因而必須對刀具本身擬定切實可行的加工工藝及刀體材料的選擇（要有良好的加工工藝性和綜合的機械性能，所以刀體選用45鋼（棒料），根據(jù)刀體要獲得良好的綜合機械性能（足夠的強度和高韌性相配合），確保刀體尺寸穩(wěn)定，大體上加工工藝為：粗車刀體→刀體進行調(diào)質(zhì)處理→修磨兩端中心孔→精車刀體→銑刀柄→磨刀體錐柄（為了使刀柄與機床主軸配合更好、更精確），最好配磨錐柄，采用涂抹紅丹的檢驗方法保證錐柄與錐孔的接觸面積不小于80%以上的面積→銑鑲嵌硬質(zhì)合金刀片的槽位→手工鉚定合金刀片→銅焊鉸刀部分的硬質(zhì)合金刀片→修磨硬質(zhì)合金刀具的切削角（在工具磨床上根據(jù)各圖所示切削角度刃磨）→研磨刀具→銅焊鉆頭部分硬質(zhì)合金刀片→修磨鉆頭部分硬質(zhì)合金刀片的切削角度。

⒍切削用量的選擇及完成每一孔的純切削加工時間

⑴ 鉆、鏜、鉸所用機床主軸不停（轉(zhuǎn)速相同）的情況下，選擇切削用量。

① 切削深度（ap ）由刀具制造后即定ap鉆 =12.5, ap鏜1 =3 , ap鏜2 =3 , ap鏜3 =1.4 , ap鉸 =0.1。

② 進給量（f），考慮機床動力，進給機構(gòu)強度，刀具強度，f按鉆孔時選擇f=0.10mm/r。

③ 切削速度（v）考慮刀具的壽命（耐用度），加工孔的質(zhì)量，v按鉸孔時選擇8～10m/mm（n=64～79r/min）,選Z525型鉆床最低轉(zhuǎn)速97r/min。

④ 完成每一孔所需的純切削加工時間（t）

t=153mm÷97r/min×0.1mm/r=16（min）

其中153mm為刀具加工完孔所需的行程

⑵ 鉆、鏜、鉸三部分獨立按各自加工特點，刀具特點來選擇切削用量（完成鉆或鏜后均停機待變速后再進行下一工序）。

① 切削深度（ap）由刀具制造決定是不變ap鉆 =12.5，ap鏜1 =3，ap鏜2 =3，ap鏜3 =1.4，ap鉸 =0.1。

② 進給量（f）的選擇

f鉆 =0.10mm/r，f鏜 =0.20mm/r，f鉸 =0.40mm/r。

③ 切削速度（v）的選擇：

④ 完成每一孔所需的純切削加工時間（t）

t鉆 =28mm÷(272r/min×0.1mm/r)=1(min)

t鏜 =(28mm×3＋25mm)÷(140r/min×0.2mm/r)=4(min)

t鉸 =28mm÷（97r/min×0.4mm/r）=1（min）

t= t鉆 ＋t鏜 ＋t鉸 =6（min）

其中28mm分別為刀具鉆孔和鉸孔所需的行程

(28mm×3＋25mm)為刀具鏜孔所需的行程

⒎鉆、鏜、鉸復合刀具的優(yōu)點

⑴ 能在最大鉆孔直徑為φ25鉆床（Z525型）上加工出φ40的孔。

⑵ 批量生產(chǎn)成本較低，刀具損耗較小，鏜孔處刀具鈍后可轉(zhuǎn)位無需刃磨，可集中工序，減少工位和機床數(shù)量及刀具數(shù)量，對工人技術(shù)要求較低。

⑶ 生產(chǎn)率高。減少了換刀和對刀及磨刀等輔助加工時間，批量生產(chǎn)中能大大提高生產(chǎn)效率（若鉆頭部分有機夾可轉(zhuǎn)位合金刀片效果更佳）。

⑷ 加工精度高，多次加工的基準不變（同軸心線），能保證每次加工的表面之間較高的位置精度，同時能保證較高的孔徑尺寸精度，孔壁的直線度和孔壁的表面粗糙度。

(5) 適用范圍廣，可在結(jié)構(gòu)和刀片材料上進行改造，實現(xiàn)可調(diào)徑鏜孔和在不同機床上加工不同材料的種類孔（臺階孔、锪孔等）。