镗削加工基础知识

dim521

关于镗削加工已有许多技术文章，其中一些文章写得很不错，但也有一些文章存在明显的谬误。为了有效完成这种重要的内孔精加工，必须消除有关镗削的一些错误观念。
& U5 M+ k) u' X) r& ]　　镗削是一种用刀具扩大孔或其它圆形轮廓的内径车削工艺，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、刀杆和镗座。镗座用于夹持刀杆，夹持长度通常约为刀杆直径的4倍。装有刀片的刀杆从镗座中伸出的长度称为悬伸量（镗刀的无支承部分）。悬伸量决定了镗孔的最大深度，是镗刀最重要的尺寸。悬伸量过大会造成刀杆严重挠曲，引起振颤，从而破坏工件的表面质量，还可能使刀片过早失效。这些都会降低加工效率。
% b; y7 X8 a; y( U　　对于大多数加工应用，用户都应该选用静刚度和动刚度尽可能高的镗刀。静刚度反映镗刀承受因切削力而产生挠曲的能力，动刚度则反映镗刀抑制振动的能力。
　　本文的第一部分主要分析镗刀的静刚度。文中资料来源于作者对镗刀挠曲的研究。镗刀的挠曲取决于刀杆材料的机械性能、刀杆直径和切削条件。
切削力
- o( o8 h3 H, m4 d$ X　　作用于镗刀上的切削力可用一个旋转测力计进行测量。被测力包括切向力、进给力和径向力。与其它两个力相比，切向力的量值最大。
% D; g' U( r4 Z9 f  _* W+ Z& Q' s　　切向力垂直作用于刀片的前刀面，并将镗刀向下推。需要注意，切向力作用于刀片的刀尖附近，而并非作用于刀杆的中心轴线，这一点至关重要。切向力偏离中心线产生了一个力臂（从刀杆中心线到受力点的距离），从而形成一个力矩，它会引起镗刀相对其中心线发生扭转变形。
　　进给力是量值第二大的力，其作用方向平行于刀杆的中心线，因此不会引起镗刀的挠曲。径向力的作用方向垂直于刀杆的中心线，它将镗刀推离被加工表面。
　　因此，只有切向力和径向力会使镗刀产生挠曲。已沿用了几十年的一种经验算法为：进给力和径向力的大小分别约为切向力的25％和50％。但如今，人们认为这种比例关系并非“最优算法”，因为各切削力之间的关系取决于特定的工件材料及其硬度、切削条件和刀尖圆弧半径。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的计算公式见表1。
表1 镗刀径向力的计算
# q4 w; m- Q, [# [, L! L工件材料－布氏硬度－径向力计算公式
, `7 o+ ]0 @: l& }& c# F9 a0 A碳钢，合金钢，不锈钢，工具钢－80～250－Fr＝0.308×Ft
* \$ c8 i- W) C4 ^0 g2 x) O) [3 _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
镗刀的挠曲
　　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）的悬臂梁，因此可用悬臂梁挠曲计算公式来计算镗刀的挠曲量：
y=（F×L3）/（3E×I）
式中：F为合力，L为悬伸量（单位：英寸），E为弹性模量（即刀杆材料的杨氏模量）（单位：psi，磅/平方英寸），I为刀杆的截面惯性矩（单位：英寸4）。
! d8 I) \6 r" v! G) P镗刀杆截面惯性矩的计算公式为：
0 F' G( h+ |6 j, BI=（π×D4）/64
式中：D为镗刀杆的外径（单位：英寸）。
4 `7 l# x' T7 O/ J2 a: [( q# h镗刀挠曲计算实例：
6 D& e3 p5 {5 r; Z  ?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″，刀杆的弹性模量：E＝30×106psi，刀杆的悬伸量：4″。
# \0 b8 ^6 k0 a（1）切向力的计算
Ft＝396000×切削深度×进给量×功率常数＝396000×0.1×0.008×0.99＝313.6 lbs
（2）径向力的计算
0 r' [8 O; O, L/ V: w; SFr＝0.308×Ft＝0.308×313.6＝96.6 lbs
6 \5 {7 O" j" D/ ^（3）合力的计算
1 E* o' a" @9 x' q. ^F＝328.1 lbs
（4）截面惯性矩的计算：
# l) J6 K4 l, P( PI＝（π×D4）/64＝0.0491 in.4
（5）镗刀挠曲的计算
y=（F×L3）/（3E×I）=0.0048″
分析镗刀挠曲和截面惯性矩的计算公式可知，在镗削加工时应遵循以下原则：
（1）镗刀的悬伸量应尽可能小。因为随着悬伸量的增大，挠曲量也会随之增大。例如，当悬伸量增大1.25倍时，在刀杆外径和切削参数保持不变的情况下，挠曲量将增大近2倍。
, J/ o4 d$ D% q% v6 @) r; D2 P" `5 w（2）镗刀杆的直径应尽可能大。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，在悬伸量和切削参数保持不变的情况下，挠曲量将减小近2.5倍。
（3）在悬伸量、刀杆外径和切削参数保持不变时，采用高弹性模量材料的镗刀杆可以减小挠曲量。
6 O9 g# Y2 m4 T6 i; C镗刀杆的材料
　　镗刀杆由钢、钨基高密度合金或硬质合金制成。合金钢是最常用的刀杆材料，也有一些镗刀杆制造商采用AISI 1144碳高速钢。无论何种牌号的碳钢和合金钢，都有相同的弹性模量：E＝30×106psi。一种常见的误解是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，决定挠曲的变量之一是弹性模量而非硬度。
　　钨基合金是采用粉末冶金技术加工制成。钨、镍、铁、铜等高纯度金属粉末是烧结各种合金的典型元素，其中有些合金可用于制作镗刀杆和其它刀柄。用于制作镗刀杆的典型钨基高密度合金牌号是K1700（E=45×106psi）和K1800（E=48×106psi），用它们制成的镗刀杆在以相同切削参数进行镗削加工时，其挠曲量可比相同直径和悬伸量的钢制刀杆减小50％～60％。
- f+ Q8 ]  s& |+ U: K; y1 ?　　用硬质合金制成的镗刀杆挠曲量非常小，因为其弹性模量比钢和高密度钨基合金高得多。制作镗刀杆的典型硬质合金牌号的碳化钨含量为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。
镗刀片的材料及几何参数
; p/ x0 M* i7 h3 i　　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和奥氏体不锈钢；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和抗断续切削能力的硬质合金基体上。此类硬质合金基体含有约94％的碳化钨和约6％的钴，属于行业编码规定中的C-3和C-4系列，相当于ISO标准的K-10～K-20、M-10～M-25及P-10～P-20系列。
' E" G5 a: f# C+ |1 u0 l　　CVD涂层硬质合金牌号适用于大部分钢和铸铁材料的镗削加工。CVD涂层是由TiN、Al2O3、TiCN及TiC等多层成分组成的复合涂层，其中每一层涂层都具有特定功能，不同的涂层组合能抵抗不同的磨损机制。典型的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，属于行业编码规定中的C-1～C-4、C-5～C-7系列，相当于ISO标准中的K-10～K-30、M-10～M-45和P-05～P-45系列。
　　陶瓷刀片牌号包括氧化铝（Al2O3）基和氮化硅（Si3N4）基两大类。氧化铝基陶瓷刀片又分为未涂层和PVD TiN涂层两类牌号。未涂层牌号具有较好的韧性和耐磨性，推荐用于合金钢、工具钢和硬度大于HRC60的马氏体不锈钢的镗削加工。涂层牌号则用于淬硬钢、铸铁（硬度HRC45或更高）、镍基及钴基合金的精镗加工。
　　氮化硅基陶瓷刀片包括双层CVD涂层（一层是TiN，另一层是Al2O3）牌号和未涂层牌号。涂层牌号兼具良好的韧性和刃口耐磨性，推荐用于灰铸铁和球墨铸铁的镗削加工。某些未涂层牌号具有优异的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和保持良好的刃口耐磨性，此类牌号适于高温合金的镗削加工。具有高韧性的未涂层牌号推荐用于灰铸铁的粗镗加工和断续镗削。
　　金属陶瓷是由陶瓷材料（钛基硬质合金）与金属（镍、钴）结合剂组合而成的复合材料。金属陶瓷分为涂层牌号和未涂层牌号两类。未涂层牌号硬度较高，具有良好的抗积屑瘤和抗塑性变形能力，用于光洁度要求较高的合金钢精镗加工。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、合金钢及不锈钢的高速精镗和半精镗加工；用于加工灰铸铁和球墨铸铁时，也可获得较长的刀具寿命和良好的表面光洁度。
/ ?, a+ }+ r+ X0 ?  B6 X　　聚晶金刚石（PCD）是由金刚石微粉、结合剂和催化剂在高温、高压下制成的超硬材料。PCD刀片是将PCD刀尖焊接在硬质合金基体上制成的。PCD刀具最有效的用途是加工过共晶铝合金（硅含量超过12.6％）。PCD刀具的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。
1 e" v* y0 N% S$ }　　聚晶立方氮化硼（PCBN）的硬度仅次于PCD。市场供应的PCBN刀片有多种结构型式，如焊接式PCBN刀片（将或大或小的PCBN刀尖焊接在硬质合金刀片上）、整体PCBN刀片、采用硬质合金基体的全加工面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的精镗加工。PCBN的一个独特性能是其室温硬度与切削时的高温硬度基本相同，这就使PCBN刀具在高速加工中可获得比加工相同工件的其它类型刀具更长的刀具寿命。
　　用于钢制镗刀杆的镗刀片型号有：CNMG 332、CNMG432和CNMG542；DNMG 332和DNMG 442；SNMG 432；TNMG 332和TNMG 432；VNMG 332和VNMG 432；WNMG 332和WNMG 432。镗刀片的主要几何角度有前角、刃倾角和余偏角。前角和刃倾角为负值，典型的前角值为－6°；刃倾角根据刀片形状的不同，在－10°～－16°之间取值；余偏角与刀片形状有关：CNMG和WNMG为－5°，DNMG和VNMG为－3°，TNMG为－1°，SNMG为15°。
8 ~1 G! x+ L% }, z8 L　　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和优选，就会使镗刀的挠曲减至最小，加工出符合要求的孔。
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