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切削刀具必备知识点之孔加工篇

切削刀具必备知识点之孔加工篇

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发布时间:
2019/12/23
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   与外圆表面加工相比,孔加工的条件要差得多,加工孔要比加工外圆困难。这是因为:

 

 孔加工所用刀具的尺寸受被加工孔尺寸的限制,刚性差,容易产生弯曲变形和振动;
 用定尺寸刀具加工孔时,孔加工的尺寸往往直接取决于刀具的相应尺寸,刀具的制造误差和磨损将直接影响孔的加工精度;

 加工孔时,切削区在工件内部,排屑及散热条件差,加工精度和表面质量都不易控制。

 

一、钻孔与扩孔

 

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1、钻孔

 

钻孔是在实心材料上加工孔的第一个工序,钻孔直径一般小于80mm。钻孔加工有两种方式(图1),一种是钻头旋转,例如在钻床、镗床上钻孔。另一种是工件旋转,例如在车床上钻孔。上述两种钻孔方式产生的误差是不相同的。在钻头旋转的钻孔方式中,由于切削刃不对称和钻头刚性不足而使钻头引偏时,被加工孔的中心线会发生偏斜或不直,但孔径基本不变;而在工件旋转的钻孔方式中则相反,钻头引偏会引起孔径变化,而孔中心线仍是直的。

 

图1  两种钻孔方式

a)钻头旋转          b)工件旋转

常用的钻孔刀具有:麻花钻、中心钻、深孔钻等。其中最常用的是麻花钻,其直径规格为Φ0.1~Φ80mm。标准麻花钻的结构如图2所示,其柄部是钻头的夹持部分,并用来传递扭矩;钻头柄部有直柄与锥柄两种,前者用于小直径钻头,后者用于大直径钻头。

图2  标准麻花钻的结构

a)锥柄          b)直柄

颈部供制造时磨削柄部退砂轮用,也是钻头打标记的地方,为制造方便直柄麻花钻一般不设颈部。工作部分包括切削部分和导向部分,切削部分担负着主要切削工作,钻头有两条主切削刃,两条副切削刃和一条横刃,如图3-29所示;螺旋槽表面为钻头的前刀面,切削部分顶端的锥曲面为后刀面;刃带为副后刀面;横刃是两主后刀面的交线。对称的两主切削刃和两副切削刃可视为一正一反安装的两把外圆车刀。

 

图3  麻花钻的切削部分

如图中虚线所示。导向部分有两条对称的螺旋槽和刃带,螺旋槽用来形成切削刃和前角,并起排屑和输送冷却液作用;刃带起导向和修光孔壁的作用;刃带有很小的倒锥,由切削部分向柄部每100mm长度上直径减小0.030.12mm,以减小钻头与孔壁的摩擦。

麻花钻的主要几何角度有顶角2Φ、前角af、后角af、横刃斜角ψ和螺旋角β,如图4所示。顶角2Φ是两条主切削刃在与其平行的平面M-M上投影的夹角,加工钢料和铸铁的钻头顶角取为118°±2°。前角af是在O-O剖面(正交剖面Po)内测量的,由于前刀面是螺旋面,因此沿主切削刃上任一点的前角大小是变化的(由+30°到-30°),越靠近钻心,前角越小。

图4  标准麻花钻的几何角度

为测量方便,钻头后角规定为在轴向剖F-F面内测量的af,主切削刃上各点的后角也是变化的,由钻头外缘向钻心后角逐渐增大。横刃斜角ψ是在端面投影中横刃与主切削刃之间的夹角,它是刃磨后角时形成的,一般为50°~55°。后角越大,ψ越小,横刃越长,钻削时轴向力越大。螺旋角β是钻头刃带棱边螺旋线展开成直线后与钻头轴线的夹角,β越大,钻削越容易,但β过大,会削弱切削刃的强度,使散热条件变差。标准麻花钻的螺旋角一般取为25°~32°。

由于构造上的限制,钻头的弯曲刚度和扭转刚度均较低,加之定心性不好,钻孔加工的精度较低,一般只能达到IT13~IT11;表面粗糙度也较差, Ra一般为50~12.5μm;但钻孔的金属切除率大、切削效率高。钻孔主要用于加工质量要求不高的孔,例如螺栓孔、螺纹底孔、油孔等。对于加工精度和表面质量要求较高的孔,则应在后续加工中通过扩孔、铰孔、镗孔或磨孔来达到。

 

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2、扩孔

 

扩孔是用扩孔钻对已经钻出、铸出或锻出的孔作进一步加工(图5),以扩大孔径并提高孔的加工质量,扩孔加工既可以作为精加工孔前的预加工,也可以作为要求不高的孔的最终加工。扩孔钻与麻花钻相似,但刀齿数较多,没有横刃,图6为整体式扩孔钻的结构。

图5  扩孔

图6  扩孔钻

与钻孔相比,扩孔具有下列特点:

 

 扩孔钻齿数多(3~8个齿)、导向性好,切削比较稳定;

扩孔钻没有横刃、切削条件好;

 加工余量较小,容屑槽可以做得浅些,钻芯可以做得粗些,刀体强度和刚性较好。扩孔加工的精度一般为IT11~IT10级,表面粗糙度Ra为12.5~6.3μm。扩孔常用于直径小于Φ100mm孔的加工。在钻直径较大的孔时(D≥30mm),常先用小钻头(直径为孔径的0.5~0.7倍)预钻孔,然后再用相应尺寸的扩孔钻扩孔,这样可以提高孔的加工质量和生产效率。

 

扩孔除了可以加工圆柱孔之外,还可以用各种特殊形状的扩孔钻(亦称锪钻)来加工各种沉头座孔和锪平端面,如图7所示。锪钻的前端常带有导向柱,用已加工孔导向。

图7  锪钻

 

二、铰孔

 

铰孔是孔的精加工方法之一,在生产中应用很广。对于较小的孔,相对于内圆磨削及精镗而言,铰孔是一种较为经济实用的加工方法。

 

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1、铰刀

 

铰刀一般分为手用铰刀及机用铰刀两种。手用铰刀柄部为直柄,工作部分较长,导向作用较好。手用铰刀又分为整体式(图8a)和外径可调整式(图8b)两种。机用铰刀可分为带柄的(图8c,Φ120mm为直柄,Φ1032为锥柄)和套式的(图8d)。铰刀不仅可加工圆形孔,也可用锥度铰刀加工锥孔(图8e)。

图8  铰刀

铰刀由工作部分、颈部及柄部组成。工作部分又分为切削部分与校准(修光)部分,如图9所示。

图9  铰刀的结构

铰刀切削部分的主偏角Kr对孔的加工精度、表面粗糙度和铰削时轴向力的大小影响很大。Kr值过大,切削部分短,铰刀的定心精度低,还会增大轴向力;Kr值过小,切削宽度增宽,不利于排屑;手用铰刀Kr值一般取为0.5°~1.5°,机用铰刀Kr值取为5°~15°。

校准部分起校准孔径、修光孔壁及导向作用,增加校准部分长度,可提高铰削时的导向作用,但这会使摩擦增大,排屑困难。对于手用铰刀,为增加导向作用,校准部分应做得长些;对于机用铰刀,为减少摩擦,校准部分应做得短些。校准部分包括圆柱部分和倒锥部分,被加工孔的加工精度和表面粗糙度取决于圆柱部分的尺寸精度和形位精度等;倒锥部分的作用是减少铰刀与孔壁的摩擦。

 

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2、铰孔的工艺特点及应用

 

铰孔余量对铰孔质量的影响很大,余量太大,铰刀的负荷大,切削刃很快被磨钝,不易获得光洁的加工表面,尺寸公差也不易保证;余量太小,不能去掉上工序留下的刀痕,自然也就没有改善孔加工质量的作用。一般粗铰余量取为0.35~0.15mm,精铰取为0.150.05mm

铰孔通常采用较低的切削速度(高速钢铰刀加工钢和铸铁时,v<8m/min)以避免产生积屑瘤。进给量的取值与被加工孔径有关,孔径越大,进给量取值越大,高速钢铰刀加工钢和铸铁时进给量常取为0.31mm/r

铰孔时必须用适当的切削液进行冷却、润滑和清洗,以防止产生积屑瘤并减少切屑在铰刀和孔壁上的粘附。与磨孔和镗孔相比,铰孔生产率高,容易保证孔的精度;但铰孔不能校正孔轴线的位置误差,孔的位置精度应由前工序保证。铰孔不宜加工阶梯孔和盲孔。

铰孔尺寸精度一般为IT9~IT7级,表面粗糙度Ra一般为3.2~0.8μm。对于中等尺寸,精度要求较高的孔(例如IT7级精度孔),钻—扩—铰工艺是生产中常用的典型加工方案。

 

三、镗孔

 

镗孔是在预制孔上用切削刀具使之扩大的一种加工方法,镗孔工作既可以在镗床上进行,也可以在车床上进行。

 

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1、镗孔方式

 

镗孔有三种不同的加工方式。

(1)工件旋转,刀具作进给运动  在车床上镗孔大都属于这类镗孔方式(图10)。它的工艺特点是:加工后孔的轴心线与工件的回转轴线一致,孔的圆度主要取决于机床主轴的回转精度,孔的轴向几何形状误差主要取决于刀具进给方向相对于工件回转轴线的位置精度。这种镗孔方式适于加工与外圆表面有同轴度要求的孔。

图10  工件旋转、刀具进给的镗孔方式

(2)刀具旋转,工件作进给运动   图11a所示为在镗床上镗孔的情况,镗床主轴带动镗刀旋转,工作台带动工件作进给运动。这种镗孔方式镗杆的悬伸长度L一定,镗杆变形对孔的轴向形状精度无影响。但工作台进给方向的偏斜会使孔中心线产生位置误差。镗深孔或离主轴端面较远孔时,为提高镗杆刚度和镗孔质量。镗杆由主轴前端锥孔和镗床后立柱上的尾座孔支承。

图11  刀具旋转、工件进给的镗孔方式

1—镗杆    2—镗刀    3—工件    4—工作台5—主轴    6—拖板    7—镗模

图11b为用专用镗模镗孔的情形,镗杆与机床主轴采用浮动联接,镗杆支承在镗模的两个导向套中,刚性较好。当工件随同镗模一起向右进给时,镗刀离左支承套的距离由L变为L';如果用普通镗刀来镗孔,则镗杆的变形会使工件孔产生纵向形状误差;若改用双刃浮动镗刀(参见图14)镗孔,因两切削刃的背向力可以相互抵消,可以避免产生上述纵向形状误差。在这种镗孔方式中,进给方向相对主轴轴线的平行度误差对所加工孔的位置精度无影响,此项精度由镗模精度直接保证。

(3)刀具旋转并作进给运动  采用这种镗孔方式(图12)镗孔,镗杆的悬伸长度是变化的,镗杆的受力变形也是变化的,镗出来的孔必然会产生形状误差,靠近主轴箱处的孔径大,远离主轴箱处的孔径小,形成锥孔。此外,镗杆悬伸长度增大,主轴因自重引起的弯曲变形也增大,孔轴线将产生相应的弯曲。这种镗孔方式只适于加工较短的孔。

图12  刀具既回转又进给的镗孔方式

1—镗杆    2—镗刀    3—工件    4—工作台    5—主轴

 

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2、高速细镗(金刚镗)

 

与一般镗孔相比,高速细镗的特点是背吃刀量小,进给量小,切削速度高,它可以获得很高的加工精度(IT7~IT6)和很光洁的表面(Ra0.4~0.05μm)。由于高速细镗最初是用金刚石镗刀加工,故又称金刚镗;现在普遍采用硬质合金、CBN和人造金刚石刀具进行高速细镗。高速细镗最初用于加工有色金属工件,现在也广泛用于加工铸铁件和钢件。

高速细镗常用的切削用量为:背吃刀量预镗为0.2~0.6mm,终镗为0.1mm;进给量为0.010.14mm/r;切削速度加工铸铁时为100250m/min,加工钢时为3002000m/min,加工有色金属时为3002000m/min

为了保证高速细镗能达到较高的加工精度和表面质量,所用机床(金刚镗床)须具有较高的几何精度和刚度,机床主轴支承常用精密的角接触球轴承或静压滑动轴承,高速旋转零件须经精确平衡。此外,进给机构的运动必须十分平稳,保证工作台能做平稳低速进给运动。

高速细镗的加工质量好,生产效率高,在大批大量生产中它被广泛用于精密孔的最终加工。

 

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3、镗刀

 

按不同结构,镗刀可分为单刃镗刀和双刃镗刀。单刃镗刀(图13)的结构与车刀类似,只有一个主切削刃。用单刃镗刀镗孔时,孔的尺寸是由操作者调整镗刀头位置保证的。双刃镗刀有两个对称的切削刃,相当于两把对称安装的车刀同时参加切削;孔的尺寸精度靠镗刀本身的尺寸保证。图14所示的浮动镗刀是双刃镗刀的一种,镗刀片插在镗杆的槽中,依靠作用在两个切削刃上的背向力自动平衡其位置,可消除因镗刀安装误差或镗杆偏摆引起的误差;但它与铰孔相似,只能保证尺寸精度,不能校正铰孔前孔轴线的位置误差。

图13  单刃镗刀

a)通孔单刃镗刀    b)盲孔单刃镗刀

图14  浮动镗刀

 

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4、镗孔的工艺特点及应用范围

 

镗孔和钻—扩—铰工艺相比,孔径尺寸不受刀具尺寸的限制,且镗孔具有较强的误差修正能力,可通过多次走刀来修正原孔轴线偏斜误差,而且能使所镗孔与定位表面保持较高的位置精度。

镗孔和车外圆相比,由于刀杆系统的刚性差、变形大,散热排屑条件不好,工件和刀具的热变形比较大;因此,镗孔的加工质量和生产效率都不如车外圆高。

综上分析可知, 镗孔工艺范围广,可加工各种不同尺寸和不同精度等级的孔,对于孔径较大、尺寸和位置精度要求较高的孔和孔系,镗孔几乎是唯一的加工方法。镗孔的加工精度为IT9~IT7级,表面粗糙度Ra3.20.8μm。镗孔可以在镗床、车床、铣床等机床上进行,具有机动灵活的优点。在单件或成批生产中,镗孔是经济易行的方法。在大批大量生产中,为提高效率,常使用镗模。

 

四、珩磨孔

 

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1、珩磨原理及珩磨头

 

珩磨是利用带有磨条(油石)的珩磨头对孔进行精整、光整加工的方法。珩磨时,工件固定不动,珩磨头由机床主轴带动旋转并作往复直线运动。在相对运动过程中,磨条以一定压力作用于工件表面,从工件表面上切除一层极薄的材料,其切削轨迹是交叉的网纹(图15)。为使砂条磨粒的运动轨迹不重复,珩磨头回转运动的每分钟转数与珩磨头每分钟往复行程数应互成质数。

图15  珩磨原理

a)成形运动    b)砂条磨削轨迹展开图    c)合成速度

珩磨轨迹的交叉角θ与珩磨头的往复速度Va及圆周速度Vc有关,由图15知,tanθ/2=Va/Vc。θ角的大小影响珩磨的加工质量及效率,一般粗珩时取θ=4060°,精珩时取θ=1545°。为了便于排出破碎的磨粒和切屑,降低切削温度,提高加工质量,珩磨时应使用充足的切削液。

为使被加工孔壁都能得到均匀的加工,砂条的行程在孔的两端都要超出一段越程量(图15中的△1和△2),越程量过小,会造成两端孔径比中间偏小;越程量过大则使两端孔径偏大;越程量一般取为磨条长度的30%~50%。为保证珩磨余量均匀,减少机床主轴回转误差对加工精度的影响,珩磨头和机床主轴之间大都采用浮动连接。

珩磨头磨条的径向伸缩调整有手动、气动和液压等多种结构形式,图16为手动调整结构,磨条4用结合剂与砂条座6固结在一起,装在本体5的槽中,砂条座的两端用弹簧卡箍8箍住。向下旋转螺母1时,推动调整锥3下移,调整锥3上的锥面顶销7使砂条胀开,以调整珩磨头的工作尺寸及磨条对工件孔壁的工作压力。珩磨过程中,由于孔径扩大、砂条磨损等原因,砂条对孔壁的工作压力逐渐减小,需随时调整。手动调整工作压力,不但操作费时,生产效率低,而且还不容易将工作压力调整得合适,只适用于单件小批生产。在大批大量生产中广泛采用气动或液动珩磨头。

 

图16  珩磨头

1—螺母    2—弹簧      3—调整锥  4—磨条  5—本体    6—砂条座    7—销    8—弹簧卡箍

 

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2、珩磨的工艺特点及应用范围

 

(1)珩磨能获得较高的尺寸精度和形状精度,加工精度为IT7~IT6级,孔的圆度和圆柱度误差可控制在35μm的范围之内,但珩磨不能提高被加工孔的位置精度。

(2)珩磨能获得较高的表面质量,表面粗糙度Ra0.20.025μm,表层金属的变质缺陷层深度极微(2.525μm)。

(3)与磨削速度相比,珩磨头的圆周速度虽不高(Vc=16~60m/min),但由于砂条与工件的接触面积大,往复速度相对较高(Va=8~20m/min),所以珩磨仍有较高的生产率。

珩磨在大批大量生产中广泛用于发动机缸孔及各种液压装置中精密孔的加工,孔径范围一般为φ15500mm或更大,并可加工长径比大于10的深孔。但珩磨不适用于加工塑性较大的有色金属工件上的孔,也不能加工带键槽的孔、花键孔等断续表面。

 

五、拉孔

 

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1、拉削与拉刀

 

拉孔是一种高生产率的精加工方法,它是用特制的拉刀在拉床上进行的。拉床分卧式拉床和立式拉床两种,以卧式拉床最为常见。图17, 是在卧式拉床上拉削圆孔的加工示意图。拉孔时,先将拉刀1的头部插入工件9待加工孔中,并把工件的端面贴紧在拉床的球面支承垫圈11上(参见图17b),然后由机床主轴上的夹头5将拉刀7的头部夹住,并强制使拉刀从工件孔中通过,让拉刀上尺寸逐齿增大的刀齿顺序通过工件孔,从孔壁上一层一层地切除余量,最后加工出满足一定要求的孔。拉削时拉刀只作低速直线运动(主运动)。

图17 在卧式拉床上拉孔

a)卧式拉床            b)圆孔拉削

1—压力表    2—液压缸    3—活塞拉杆    4—随动支架     5—夹头    6—床身7——拉刀    8—靠板      9—工件        10—滑动托架    11—球面支承垫圈

图18表示拉刀刀齿尺寸逐齿增大切下金属的过程。图中af是相邻两刀齿半径上的高度差,即齿升量。齿升量一般根据被加工材料、拉刀类型、拉刀及工件刚性等因素选取,用普通拉刀拉削钢件圆孔时,粗切刀齿的齿升量为0.0150.03mm/齿,精切刀齿的齿升量为0.0050.015mm/齿。刀齿切下的切屑落在两齿间的空间内,此空间称为容屑槽。拉刀同时工作的齿数一般应不少于3个,否则拉刀工作不平稳,容易在工件表面产生环状波纹。为了避免产生过大的拉削力而使拉刀断裂,拉刀工作时,同时工作刀齿数一般不应超过6~8个。

图18  拉刀的切削部分

拉孔有三种不同的拉销方式,分述如下:

(1)分层式拉削  

这种方式的特点是拉刀将工件加工余量一层一层顺序地切除。图19所示为分层式圆孔拉刀切削部分、拉削图形及切屑形状。为了便于断屑,刀齿上磨有相互交错的分屑槽。按分层式拉削方式设计的的拉刀称作普通拉刀。

图19  分层式拉削

a)拉削图形    b)切削部分齿形    c)切屑

(2)分块式拉削  

这种方式的特点是加工表面的每一层金属是由一组尺寸基本相同但刀齿相互交错的刀齿(通常每组由2-3个刀齿组成)切除的。每个刀齿仅切去一层金属的一部分。图203个刀齿一组的圆孔拉刀切削部分齿形及其拉削图形。第一齿与第二齿的截形相同,但切削位置互相错开,各切除圆周上的几段金属,剩下的未切除部分由一组中的第三个刀齿切除。第三个齿不开分屑槽,为使第三齿不切整圈材料,其外径应较同组其它刀齿直径小0.020.05mm。按分块拉削方式设计的拉刀称为轮切式拉刀。

图20  分块式拉削

1—第一齿    2—第二齿    3—第三齿    4—被第一齿切除的金属层    5—被第二齿切除的金属层     6—被第三齿切除的金属层

(3)综合式拉削  

这种方式集中了分层及分块式拉削的优点,粗切齿部分采用分块式拉削,精切齿部分采用分层式拉削。这样既可缩短拉刀长度,提高生产率,又能获得较好的工件表面质量。按综合拉削方式设计的拉刀称为综合式拉刀。

圆孔拉刀的结构如图21所示,它由下列几个部分组成:

头部——夹持刀具、传递动力的部分;

颈部——连接头部与其后各部分,也是打标记的地方;

过渡锥部——使拉刀前导部易于进入工件孔中,起对准中心作用;

前导部——工件以前导部定位进入切削部位;

切削部——担负切削工作,包括粗切齿、过渡齿与精切齿三部分;

校准部——校准和刮光已加工表面;

后导部——在拉刀工作即将结束时,由后导部继续支承住工件,防止因工件下垂而损坏刀齿和碰伤已加工表面;

支承部——当拉刀又长又重时,为防止拉刀因自重下垂,增设支承部,由它将拉刀支承在滑动托架上,托架与拉刀一起移动。

图21  圆孔拉刀的结构

1—头部      2—颈部      3—过渡锥部    4—前导部     5—切削部    6—校准部    7—后导部    8—支承部

拉刀切削部分的几何参数有:齿升量af、齿距p、刃带宽度ba1、前角af、后角ao(参见图3-44)。拉刀常用牌号为W18Cr4V的高速钢制造,切削部热处理后的硬度要求为63~66HRC

 

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2、拉孔的工艺特征及应用范围

 

(1)拉刀是多刃刀具,在一次拉削行程中就能顺序完成孔的粗加工、精加工和精整、光整加工工作,生产效率高。

(2)拉孔精度主要取决于拉刀的精度,在通常条件下,拉孔精度可达IT9~IT7,表面粗糙度Ra可达6.31.6μ

(3)拉孔时,工件以被加工孔自身定位(拉刀前导部就是工件的定位元件),拉孔不易保证孔与其它表面的相互位置精度;对于那些内外圆表面具有同轴度要求的回转体零件的加工,往往都是先拉孔,然后以孔为定位基准加工其它表面。

(4)拉刀不仅能加工圆孔,而且还可以加工成形孔,花键孔。

(5)拉刀是定尺寸刀具,形状复杂,价格昂贵,不适合于加工大孔。

拉孔常用在大批大量生产中加工孔径为Ф10~Ф80、孔深不超过孔径5倍的中小零件上的通孔。

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