镗刀、铰刀和复合刀具.doc

镗刀、铰刀和复合刀具（上海大学，机电工程及自动化学院，上海200072）摘要：镗刀是加工大孔的唯一精加工方法，对其展开研究具有重要的意义。铰刀的切削过程十分复杂，它的形状决定了切削精度。本文介绍了复合刀具在孔系加工中的选型，以及根据不同孔系情况对复合刀具的改进设计。在孔系加工中，选用复合刀具后，可以明显提高生产效率，降低劳动强度，保证零件的加工精度等。关键词： 镗刀，铰刀，复合刀具Boring cutter, reamer and Composite Tool（College of Mechatronics Engineering and Automation，Shanghai University, Shanghai 200072, China）Abstract: Since boring cutter is the only tool for large diameter holes machining and the study on it is of great significance. Reamer cutting process is very complicated, and its shape decided cutting accuracy. This article also describes the selection of composite tool working holes, and the improvement of the composite tool design according to the different holes. Working holes by composite tools, you can significantly improve production efficiency, reduce labor intensity and ensure the machining accuracy.孔加工是机械加工的一个重要分支，同时孔加工刀具也是机械加工研究的重要课题，分别以镗刀和铰刀为主要研究对象，分析镗刀和铰刀分类及加工形式，同时研究镗削运动形式，探究镗刀和铰刀设计基本理论。另外，两种或两种以上加工刀具组合起来使用的复合刀具，在生产实践中以其高生产率、高精度、低成本和加工范围广而获得了广泛的应用1。在工程机械阀类零件加工领域，复合刀具在国内外各知名厂家均被普遍使用，美国卡特和日本小松公司也大量采用复合刀具，并在设计上、工艺上标准化、系列化，形成公司内部标准，不但节约了生产成本，而且有效地保证了零件质量。1 镗刀镗刀是广泛使用的孔加工工具，一般镗孔达IT7IT6，精细镗达IT5，Ra为1.60.8um,镗孔能纠正孔的直线性误差,获得高的位置精度,特别适合于箱体零件的孔系加工.镗孔是加工大孔的唯一精加工方法,镗刀主要分为单刃镗刀、多刃2-3镗刀。1.1 单刃镗刀单刃刚性镗铰刀铰削加工是近年来发展较快的一种深孔加工方法，具有高速切削 自动导向 加工表面粗糙度低等一系列优点，目前正作为一种精密孔加工技术出现2在深孔的加工中，并显示了加工的优越性。而自激振动是深孔加工中普遍存在的现象，并严重影响孔的加工稳定性及加工质量。特别是在单刃刚性镗铰刀加工中表现得极为明显，并具有一定的特殊性。图1为镗床上用的机夹式单刃镗刀，它具有结构简单，制造方便，通用性好等优点。对于IT67级高精度的孔加工，可选用高精度的可微调节尺寸的镗刀,刀头微调可3-7控制的直径精度为0. 002 0. 004mm 其微调结构如图3 所示，其加工尺寸为23 42mm 对于小尺寸3 23mm 的精密孔，可选用精镗头或带有可调节配重块的高速精镗头。图1 单刃镗刀Fig1 Single blade boring tool1.2 多刃镗刀及其他镗刀双刃镗刀有两个切削刃参加切削，背向力相互抵消，不易引起振动，常用的有固定式镗刀块，滑槽式和浮动镗刀。3-5为提高镗孔效率，更多的是选用图2所示的双刃镗刀，两刀刃事先可调正到被加工孔的尺寸。双刃镗刀镗削范围 25270mm，镗削深度约6-8可达4倍孔径，加工精度可控制到 IT9 级，有的厂商提供三刃可调镗刀，其加工效率更高，如图2 所示。三刃镗刀镗削范围35 300mm，镗削深度也可达为4 倍孔径，加工精度达到 IT9 级。 （a）双刃镗刀 （b）三刃镗刀 Fig2 （a）Double-edged boring tool （b）Three blade boring tool 对于直径在300500mm的大型、重载镗削作业，可选用如图3所示大型、重载镗刀此外还可选用带刀卡和可调整加长滑板的镗刀头，可装粗镗头，也可装精镗头。将浮动镗刀装入镗杆的方孔中，通过作用在两侧切削刃上的切削力来自动定心，因此它能自动补偿由于刀具安装误差和机床主轴偏差而造成的加工误差，能达到IT7IT6，Ra为1.60.2m浮动镗刀无法纠正孔的直线性误差和位置误9-12差浮动镗刀结构简单,刃磨方便,但操作费事,加工孔径不能大小,镗杆上方孔制造困难,切削效率低,因引适用于单件,小批生产中加工直径较大的孔。2铰刀图3 大型、重载镗刀 Fig3 Large, heavy boring tool铰刀具有一个或多个刀齿、用以切除已加工孔表面薄层金属的旋转刀具，具有直刃或螺旋刃的旋转精加工刀具，用于扩孔或修孔。1,13铰刀用于铰削工件上已钻削（或扩孔）加工后的孔，主要是为了提高孔的加工精度，降低其表面的粗糙度，是用于孔的精加工和半精加工的刀具，加工余量一般很小。用来加工圆柱形孔的铰刀比较常用。用来加工锥形孔的铰刀是锥形铰刀，比较少用。按使用情况来看有手用铰刀和机用铰刀，机用铰刀又可分为直柄铰刀和锥柄铰刀。手用的则是直柄型的。数控机床多用组装式硬质合金铰刀，如图1所示，它由刀柄与切削头两部14-16分连接而成 这种结构特点是刀具精度高且能快速方便的更换切削头，属于高精度、高效刀具、刀具成本较高，适合大批量加工 H7 级精度的通孔 铰刀的孔径为 1030mm，铰孔的余量在半径方向约0. 10. 3mm，加工碳钢可选用v = 140180m/min，f = 0. 150. 25mm/ r，能获得高的表面质量。17图4 组装式硬质合金铰刀Fig 4 Assembled carbide reamers切削头与刀柄的连接设计成高精度的接口，可用圆柱体过渡配合或带圆锥体配合与法兰端面接触，使用特殊的扳手装卸或用特殊的拉钉装卸，能保证高刚度，重复装夹后具有3 mm 高精度的同轴度。为了保证铰刀刃口的冷却与排屑，刀柄内切削液通道在切削头的前端分成多个流出孔，保证每个铰刀的切削刃前面均喷到一束高压的切削液。切削头可选用整体涂层硬质合金刀头，也可用焊接刀片结构。铰削刃具有合理几何参数，保证铰出孔壁表面粗糙度值达到 Ra = 0. 40. 8 m组装式硬质合金铰刀加工精度稳定、可靠、效率很高，根据加工精度的要求还可选用高精度的液压刀柄，所以刀具与刀柄的成本均较高，宜在工艺要求高，加工批量大的情况下选用18-19。3复合刀具复合刀具是将两把或两把以上的同类或不同类的孔加工刀具组合成一体的专用刀具, 它能在一次加工的过程中,完成钻孔、扩孔、铰孔、锪孔和镗孔等多工序不同的工艺复合,具有高效率、高精度、高可靠性的成形加工特点20。3.1 复合刀具的分类、特点和适用范围复合刀具的结构形式有: 整体式、装配式、可转位式、组合式;组合类型有:复合钻、复合铰、复合扩、复合镗、复合锪;钻锪、钻扩、钻倒角、扩镗、钻扩铰、扩铰、扩锪、钻镗、钻扩锪、钻铰铰、镗铰等。复合刀具有以下特征: 1)可同时或顺序加工几个表面,减少机动和辅助时间, 提高生产率; 2) 可减少工件的安装次数或夹具的转位次数, 以减小和降低定位误差; 3)降低对机床的复杂性要求, 减少机床台数, 节约费用,降低制造成本; 4)可保证加工表面间21-22的相互位置精度,加工质量高。复合刀具在组合机床、自动线和专用机床上应用相当广泛,较多地用以加工汽车发动机、 摩托车、农用柴油机、箱体等机械零部件。3.2复合刀具的创新与发展随着机械工业的迅速发展, 机械加工难度愈来愈大,加工精度要求越来越高, 在自动线上的复合刀具,既要满足生产节拍要求, 又要具有可靠性和高寿命,要适应发展的需要,就要对传统的老式的复合刀具进行改革创新,就需要应用新技术、新材料来提23高复合加工刀具的使用性能。3.2.1 新材料在复合刀具上的应用传统的复合刀具一般采用的刀具材料为普通高速钢和硬质合金, 而新型的复合刀具则采用钛基硬质合金(金属陶瓷)、高性能高速钢(含Co高速钢、粉末高速钢、含Al高速钢)、复合陶瓷、CBN、PCD等新材料,对复合刀具实施不同材料的组合: 高性能高速钢与硬质合金的组合、通用高速钢与钛基硬质合金的组合、高性能高速钢与CBN刀片组合、硬质合金与PCD刀片组合、硬质合金与陶瓷刀片的组合,可使复合刀具在同一转速状态下,实现钻孔、 扩孔、铰孔、锪孔、镗孔不同工艺对可靠性的要求。3.2.2超精镜面磨削技术在复合刀具上的应用复合刀具的刃口质量及前、后刀面的表面粗糙度是影响加工工件的精度、表面粗糙度、加工一致性的主要因素。降低刃口及前、后刀面的表面粗糙度,提高其刃口及前、后刀面的表面质量,以减少切屑与刀具刃面摩擦和粘接,可实现复合加工代替磨削加工。应用超精镜面磨削技术,可解决刃口产生微形锯齿形的难题,使复合刀具的刃口质量达镜面, 被加工工件表面粗糙度可达0.05加工精度达IT5级。3.2.3高强度低温钎焊技术在复合刀具上的应用刀片钎焊式复合加工刀具或带导向结构型复合刀具,用一般钎焊技术易产生刀片裂纹和导向部分退火,严重影响刀具寿命。由于硬质合金具有高冷硬性(HRC7487)和高热硬性(可耐850 1400) , 但导热性差, 焊接性能不好的特点, 加以刀片与刀体材料不同,在高温钎焊结合时,产生较大的应力, 易产生刀片裂纹,一般高温钎焊又易造成带导向结构的复合刀具导向部分退火, 硬度降低,从而降低了刀具寿命和加工精度。采用高强度低温钎焊技术, 既保证了钎焊质量又有效减少了钎焊时所产生的内应力, 为提高复合刀具的寿命创造了有利条件。3.2.4 CAD在复合刀具上的应用复合加工刀具将同类和不同类的两种或多种不同刀具组合为一体,实现一次加工成形。这不仅仅是普通刀具的组合, 对复合刀具而言, 在不同的切削状态下,既要求良好的排屑性能, 又要保证加工工件精度,刀具要有最佳的空间截面形状组合。如果按常规去手画、手算,较繁琐且劳动量大,有的参数还需要试生产来确定,而采用CAD二次开发,建立三维模型,模拟加工,随时抽取刀具截面参数, 以获得最21-23佳设计方案, 从而可解决复合刀具在钻孔、扩孔、锪孔、铰孔的不同切削状态下,刀具排屑以及不同形式结构间的干涉问题,如液压件螺纹连接油塞孔的加工,采用经CAD设计成的扩锪复合刀具。又如汽车上的拨叉孔的加工,采用经CAD计选择两套方案:1)抛物线型钻头与带刃倾角铰刀组合加工;2)镗铰刀组合加工,均可达到加工件图样要求。致谢：感谢王老师在这段时间对我们的教导，感谢王老师不辞疲劳带我们到工厂参观，再次感谢！参考文献：1 王永国.金属加工刀具及其应用M.北京：机械工业出版社，2011:83-93.2 叶伟昌，侯卫.镗刀及其改进J.工具技术， 1997，31（4）：34-38.3 何将三.层复合阻尼镗杆的动力学分析J.中国有色金属学报, 1995，5（3）：144-148.4 张红卫.深孔镗削振动机理研究J.机械管理开发，2007，4（2）：31-34.5 张思振动测试与分析技术M.北京：清华大学出版社， 1991.6 GINSBERG J H.Mechanical and Stmctural Vibrations Theoty and Applications M.JOHN WILEY SONS，2001：233-235.7 张红卫，吴伏家.深孔镗削振动机理研究J.机械管理开发，2007（4）:31-32.8 张志军，吴希平.深孔加工镗杆的结构模态对切削颤振的影响M.机械设计与制造J，1991（3）：26-28.9 徐立华，吴伏家,刘长丰.机械制造工程学M.北京：兵器工业出版社，1997：163-165.10 甘新基 镗削加工过程的颤振控制研究D长春：吉林大学，2004：12-46.11 P N Rao .Manufacturing Technology- Metal Cutting & Machine Tools, 2000.12 Huade Sun, Hongdao Jiang, Wuyi Chan et al . The kinematic equations of a virtual ax is tool grinder with a redundant dof and application. Beijing, ICPMT,2000: 774 778.13 W D Tsal , S M Wu. A mathematical model for drill point design and grinding. Trans. of the ASME, Aug. 1979, 101: 333340.14 I. Sherrington.Modern measurement techniques in surface metrology.Wear. 1988, 125.15 Chin Y. Poon, Bharat Bhashan. Comparison surface roughness measurement by stylus profiler, AFM and non-contact optic