深孔的镗铰加工

魔神

    深孔精密加工一直是孔加工中的难题。设计新结构的刀具和工艺系统是改善深孔精密加工效果的有效方法。

   我们针对材料为40Cr(调质)钢、长度为2800mm、孔径为Ø65^+0.08mm、表面粗糙度为Ra0.8µm、直线度为0.12mm的缸体内孔精密加工，研制了整套自导向镗铰刀及其工艺系统，经生产验证，加工效果较好。

1 自导向镗铰刀

自导向镗铰刀的结构如图1所示。所用刀片材料为YW1，用楔块压紧在刀体上；导向体材料为T15(经淬硬处理)，其外圆比刀片部位略小0.04～0.06mm。刀片和导向套的外圆表面均需研磨，使其表面粗糙度比工件加工后的孔壁粗糙度要求至少高一级以上。导向体内孔两端有材料为ZQSn10-1的衬套，衬套内孔与刀体为间隙配合。刀体、导向套、单向推力球轴承和锁紧螺母组装后，要求导向体及单向推力球轴承转动灵活，无轴向窜动；将镗铰刀顶装在偏摆仪上，用百分表检查，其刀片部位和径向全跳动应不大于0.01mm，导向体绕刀体转动时的径向全跳动应不大于0.02mm。

图1 自导向镗铰刀

镗铰刀刀片的主要参数为：刃倾角λ=3°，前角γ=0°～3°，后角α=5°～8°，切削刃棱宽f1=0.05～0.08mm，导向刃棱宽f2=0.2～0.25mm。

镗铰内孔时，刀具的断屑性能至关重要。如果切屑经常缠绕在镗杆或刀具上，就可能损坏刀片，损伤已加工表面，且易堵塞出油管。因此，进行深孔镗铰加工时一定要保证断屑稳定可靠，即加工时切屑应定向流出，先卷曲后折断。为此需在刀片前角处磨出一月牙洼状的断屑槽，使切屑卷成小卷，并越卷越大，直至受刀具前面和切屑表面的挤推而弯曲折断。月牙洼槽可在工具磨床上磨制，然后用20%白泥加80%碳化硅粉用水调成糊状作为研磨剂，用圆弧半径为1～1.5mm的铸铁研磨轮研磨15～30秒钟，即可达到要求。月牙洼槽的主要参数为：倒棱宽度f=0.55～0.85mm，槽宽B=1.3～1.5mm。

镗铰刀开始加工时，导向体对刀体可相对转动，因拉刀切削而产生的轴向力由单向推力球轴承承担，导向体与被加工孔壁保持滚动摩擦状态。我们过去设计的镗铰刀没有可转动导向体，而是在刀体外圆表面上布置了三处导向块，由于导向块太短，切削时，与已加工孔壁处于滑动摩擦状态，导致孔壁因不规则的周期性硬挤压而出现黑色条纹，未被挤压部位则呈现灰白色条纹。由此使加工后的孔壁全长表面形成明暗相间、有一定宽度的环状条纹。通过改进设计，采用可转动导向体后，加工后孔壁环状条纹消失，呈现出均匀光滑的黑色表面。

采用该镗铰刀加工时，切削参数为：转速n=100～120r/min，切深t=1.5～2.5mm(单边)，走刀量S=0.3～0.5mm/min。

2 深孔镗铰工艺系统

深孔镗铰工艺系统如图2所示。该系统可安装在加长的普通车床或卧式镗床上进行加工。首先将工件上的孔粗钻至Ø77mm；然后用两个V形块装夹工件，两端的固定圈用螺栓与工件外圆紧固，再将端盖、O形密封圈用内六角螺钉与固定圈紧固；最后从右端将镗杆连同镗铰刀一起送进，镗杆穿过衬套后，镗杆端头插入万向节套，用锥销锁定，再把定位套连导套一起套上镗铰刀，将定位套与右端固定圈连接紧固。安装完毕后，启动油泵电机，将冷却油泵入工件内孔，然后启动机床，镗杆旋转，开始进行切削加工。油泵参数为：压力8MPa，流量12l/min。冷却液为硫化油(加入适量氯化石蜡)。冷却油除起到冷却刀具的作用外，还可在刀片、导向体与已加工孔壁之间起到润滑作用，可减小摩擦，并将切屑从左端出油管强行排出。

图2 深孔镗铰工艺系统

该工艺系统的工件进给方向为向右移动，属拉力切削方式。与推力切削相比，其镗杆、镗铰刀不承受轴向推力，故振动明显减小，刀片不易崩刃。刀具进入被加工孔时，刀片的导向刃可起到导向作用，刀片导向刃和转动体始终支撑在被加工孔的孔壁上，可平衡切削产生的径向切削分力，引导刀具顺利入孔，并可增强镗杆的动态刚度，确保已加工孔的轴线不偏向，从而提高深孔的直线度。刀片导向刃的另一作用是对孔壁起到挤压作用。在加工中，导向刃在切削力作用下，挤压被加工孔的孔壁，使其产生剧烈的弹塑性变形，从而熨平因切削加工形成的表面刀纹，降低孔的表面粗糙度值。此外，在导向刃与孔壁的强挤压接触区，挤压温度很高，可使金属发生相变。由于导向刃的作用，导致孔壁附近金属层里的金相纤维拉长，晶格畸变。在充分冷却润滑条件下，表层金属急骤冷却形成冷作硬化层，并在孔的表层金属基体内产生残余应力，从而提高了孔壁表层的金属强度。由此可知，深孔加工的质量并非只取决于刀具切削刃的加工状况，而是与刀刃的切削、导向刃的表面挤压及导向体的支承等均有很大关系。

在深孔加工中，由于镗杆较细长，其扭转振动将直接影响加工精度、刀具耐用度和切削效率。如能有效控制镗杆振动，即可提高深孔加工精度。我们研制的自导向镗铰刀上有切削刃、导向刃和滚动导向体，工件左端又有轴衬可支承镗杆，并采用拉力切削方式，从而有效解决了镗杆振动问题，提高了深孔加工精度和孔壁表面质量。

3 加工效果

采用自导向镗铰刀及其工艺系统对缸体孔进行加工后，经检测，工件孔壁表面呈现均匀的黑色光亮表面，表面粗糙度可达Ra0.8µm，孔的尺寸偏差范围为0.02～0.05mm，孔的直线度用止、通量规检验合格。进一步采用测微法测量孔的直线度：先将工件孔调平，在孔的端口将指示器调零后，沿其垂直截面的素线进行测量，因孔较深，指示器只能从端口探入孔中约300mm，经测量若干截面后，取其最大误差值作为直线度误差，测量结果小于0.02mm，全长直线度误差值小于0.08mm。刀具耐用度可加工3个工件。每加工完一件工件后，必须用金刚石油石精研刀片刃口，若发现刀片崩刃且经研磨无效时，应及时更换刀片。在加工过程中，若出现断屑不良或因切屑堵塞造成加工中断，应及时退出刀具进行清理。此外，断屑槽的磨制质量也直接影响断屑效果，因此应严格按照设计要求磨制断屑槽。