技术

　　关于镗削加工已有许多技术文章，其一些文章写得很不错，但也有一些文章存明显谬误。为了有效完成这种重要内孔精加工，必须消除有关镗削一些错误观念。

　　镗削一种用刀具扩大孔或其它圆形轮廓内径车削工艺，其应用范围一般从半粗加工到精加工，所用刀具通常为单刃镗刀（称为镗杆）。

　　镗刀有三个基本元件：可转位刀片、刀杆镗座。镗座用于夹持刀杆，夹持长度通常约为刀杆直径4倍。装有刀片刀杆从镗座伸出长度称为悬伸量（镗刀无支承部分）。悬伸量决定了镗孔最大深度，镗刀最重要尺寸。悬伸量过大会造成刀杆严重挠曲，引起振颤，从而破坏工件表面质量，还可能使刀片过早失效。这些都会降低加工效率。

　　对于大多数加工应用，用户都应该选用静刚度动刚度尽可能高镗刀。静刚度反映镗刀承受因切削力而产生挠曲能力，动刚度则反映镗刀抑制振动能力。

　　本文第一部分主要分析镗刀静刚度。文资料来源于作者对镗刀挠曲研究。镗刀挠曲取决于刀杆材料机械性能、刀杆直径切削条件。

　　切削力

　　作用于镗刀上切削力可用一个旋转测力计进行测量。被测力包括切向力、进给力径向力。与其它两个力相比，切向力量值最大。

　　切向力垂直作用于刀片前刀面，并将镗刀向下推。需要注意，切向力作用于刀片刀尖附近，而并非作用于刀杆心轴线，这一点至关重要。切向力偏离心线产生了一个力臂（从刀杆心线到受力点距离），从而形成一个力矩，它会引起镗刀相对其心线发生扭转变形。

　　进给力量值第二大力，其作用方向平行于刀杆心线，因此不会引起镗刀挠曲。径向力作用方向垂直于刀杆心线，它将镗刀推离被加工表面。

　　因此，只有切向力径向力会使镗刀产生挠曲。已沿用了几十年一种经验算法为：进给力径向力大小分别约为切向力25％50％。但如今，人们认为这种比例关系并非“最优算法”，因为各切削力之间关系取决于特定工件材料及其硬度、切削条件刀尖圆弧半径。推荐采用以下公式来计算切向力Ft：

　　Ft＝396000×切削深度×进给率×功率常数

　　加工不同工件材料时镗刀所受径向力计算公式见表1。

　　表1 镗刀径向力计算

　　工件材料－布氏硬度－径向力计算公式

　　碳钢，合金钢，不锈钢，工具钢－80～250－Fr＝0.308×Ft

　　碳钢，合金钢，不锈钢，工具钢－250～400－Fr＝0.672×Ft

　　球墨铸铁，灰铸铁－150～300－Fr＝0.331×Ft

　　镗刀挠曲

　　镗刀类似于一端固定（镗座夹持部分）、另一端无支承（刀杆悬伸）悬臂梁，因此可用悬臂梁挠曲计算公式来计算镗刀挠曲量：

　　y=（F×L3）/（3E×I）

　　式：F为合力，L为悬伸量（单位：英寸），E为弹性模量（即刀杆材料杨氏模量）（单位：psi，磅/平方英寸），I为刀杆截面惯性矩（单位：英寸4）。

　　镗刀杆截面惯性矩计算公式为：

　　I=（π×D4）/64

　　式：D为镗刀杆外径（单位：英寸）。

　　镗刀挠曲计算实例：

　　加工条件：工件材料：AISI 1045碳钢，硬度HB250；切削深度：0.1″，进给量：0.008英寸/转；刀杆直径：1″，刀杆弹性模量：E＝30×106psi，刀杆悬伸量：4″。

　　（1）切向力计算

　　Ft＝396000×切削深度×进给量×功率常数＝396000×0.1×0.008×0.99＝313.6 lbs

　　（2）径向力计算

　　Fr＝0.308×Ft＝0.308×313.6＝96.6 lbs

　　（3）合力计算

　　F＝328.1 lbs

　　（4）截面惯性矩计算：

　　I＝（π×D4）/64＝0.0491 in.4

　　（5）镗刀挠曲计算

　　y=（F×L3）/（3E×I）=0.0048″

　　分析镗刀挠曲截面惯性矩计算公式可知，镗削加工时应遵循以下原则：

　　（1）镗刀悬伸量应尽可能小。因为随着悬伸量增大，挠曲量也会随之增大。例如，当悬伸量增大1.25倍时，刀杆外径切削参数保持不变情况下，挠曲量将增大近2倍。

　　（2）镗刀杆直径应尽可能大。因为当刀杆直径增大时，其截面惯性矩也会增大，挠曲量将会减小。例如，当刀杆直径增大1.25倍时，悬伸量切削参数保持不变情况下，挠曲量将减小近2.5倍。

　　（3）悬伸量、刀杆外径切削参数保持不变时，采用高弹性模量材料镗刀杆可以减小挠曲量。

镗刀杆材料

　　镗刀杆由钢、钨基高密度合金或硬质合金制成。合金钢最常用刀杆材料，也有一些镗刀杆制造商采用AISI 1144碳高速钢。无论何种牌号碳钢合金钢，都有相同弹性模量：E＝30×106psi。一种常见误解认为采用高硬度或高品质钢制造镗刀杆可以减小挠曲量。而从挠曲计算公式可以看出，决定挠曲变量之一弹性模量而非硬度。

　　钨基合金采用粉末冶金技术加工制成。钨、镍、铁、铜等高纯度金属粉末烧结各种合金典型元素，其有些合金可用于制作镗刀杆其它刀柄。用于制作镗刀杆典型钨基高密度合金牌号K1700（E=45×106psi）K1800（E=48×106psi），用它们制成镗刀杆以相同切削参数进行镗削加工时，其挠曲量可比相同直径悬伸量钢制刀杆减小50％～60％。

　　用硬质合金制成镗刀杆挠曲量非常小，因为其弹性模量比钢高密度钨基合金高得多。制作镗刀杆典型硬质合金牌号碳化钨含量为90％～94％，钴含量为10％～6％，根据行业编码规定，此类牌号属于C-1（E=82×106～84×106psi）、C-2（E=85×106～87×106psi）或C-3（E=89×106psi）系列。

　　镗刀片材料及几何参数

　　镗刀片可采用硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、PCD、PCBN等不同刀具材料制成。硬质合金镗刀片大多采用PVD或CVD涂层。例如，PVD TiN涂层适于加工高温合金奥氏体不锈钢；PVD TiAlN涂层用途广泛，适于加工大部分钢、钛合金、铸铁及有色金属合金。这两种涂层都涂覆于具有良好抗热变形抗断续切削能力硬质合金基体上。此类硬质合金基体含有约94％碳化钨约6％钴，属于行业编码规定C-3C-4系列，相当于ISO标准K-10～K-20、M-10～M-25及P-10～P-20系列。

　　CVD涂层硬质合金牌号适用于大部分钢铸铁材料镗削加工。CVD涂层由TiN、Al2O3、TiCN及TiC等多层成分组成复合涂层，其每一层涂层都具有特定功能，不同涂层组合能抵抗不同磨损机制。典型硬质合金牌号由碳化钨、碳化钽及含钴TiC等多元碳化物组成，属于行业编码规定C-1～C-4、C-5～C-7系列，相当于ISO标准K-10～K-30、M-10～M-45P-05～P-45系列。

　　陶瓷刀片牌号包括氧化铝（Al2O3）基氮化硅（Si3N4）基两大类。氧化铝基陶瓷刀片又分为未涂层PVD TiN涂层两类牌号。未涂层牌号具有较好韧性耐磨性，推荐用于合金钢、工具钢硬度大于HRC60马氏体不锈钢镗削加工。涂层牌号则用于淬硬钢、铸铁（硬度HRC45或更高）、镍基及钴基合金精镗加工。

　　氮化硅基陶瓷刀片包括双层CVD涂层（一层TiN，另一层Al2O3）牌号未涂层牌号。涂层牌号兼具良好韧性刃口耐磨性，推荐用于灰铸铁球墨铸铁镗削加工。某些未涂层牌号具有优异抗热冲击性及抗断裂韧性，而另一些牌号能够吸收机械冲击保持良好刃口耐磨性，此类牌号适于高温合金镗削加工。具有高韧性未涂层牌号推荐用于灰铸铁粗镗加工断续镗削。

　　金属陶瓷由陶瓷材料（钛基硬质合金）与金属（镍、钴）结合剂组合而成复合材料。金属陶瓷分为涂层牌号未涂层牌号两类。未涂层牌号硬度较高，具有良好抗积屑瘤抗塑性变形能力，用于光洁度要求较高合金钢精镗加工。多层PVD涂层牌号（两层TiN涂层之间夹一层TiCN涂层）可用于大部分碳钢、合金钢及不锈钢高速精镗半精镗加工；用于加工灰铸铁球墨铸铁时，也可获得较长刀具寿命良好表面光洁度。

　　聚晶金刚石（PCD）由金刚石微粉、结合剂催化剂高温、高压下制成超硬材料。PCD刀片将PCD刀尖焊接硬质合金基体上制成。PCD刀具最有效用途加工过共晶铝合金（硅含量超过12.6％）。PCD刀具切削刃能长久保持锋利，超过了任何其它刀具材料。此外，PCD刀具适用于高速切削。

　　聚晶立方氮化硼（PCBN）硬度仅次于PCD。市场供应PCBN刀片有多种结构型式，如焊接式PCBN刀片（将或大或小PCBN刀尖焊接硬质合金刀片上）、整体PCBN刀片、采用硬质合金基体全加工面PCBN刀片等。PCBN刀片牌号通常用于淬硬钢、工具钢、高速钢（HRC45～60）、灰铸铁、冷硬铸铁以及粉末冶金材料精镗加工。PCBN一个独特性能其室温硬度与切削时高温硬度基本相同，这就使PCBN刀具高速加工可获得比加工相同工件其它类型刀具更长刀具寿命。

　　用于钢制镗刀杆镗刀片型号有：CNMG 332、CNMG432CNMG542；DNMG 332DNMG 442；SNMG 432；TNMG 332TNMG 432；VNMG 332VNMG 432；WNMG 332WNMG 432。镗刀片主要几何角度有前角、刃倾角余偏角。前角刃倾角为负值，典型前角值为－6°；刃倾角根据刀片形状不同，－10°～－16°之间取值；余偏角与刀片形状有关：CNMGWNMG为－5°，DNMGVNMG为－3°，TNMG为－1°，SNMG为15°。

　　用户通过对刀片材料及几何参数、刀杆材料及切削力进行认真权衡优选，就会使镗刀挠曲减至最小，加工出符合要求孔。