鏜削加工基礎(chǔ)知識(shí) 

 

關(guān)于鏜削加工已有許多技術(shù)文章，其中一些文章寫得很不錯(cuò)，但也有一些文章存在明顯的謬誤。
為了有效完成這種重要的內(nèi)孔加工，必須消除有關(guān)鏜削的一些錯(cuò)誤觀念。
 

鏜削是一種用刀具擴(kuò)大孔或其它圓形輪廓的內(nèi)徑車削工藝，其應(yīng)用范圍一般從半粗加工到加工，所用刀具通常為單刃鏜刀（稱為鏜桿）。

鏜刀有三個(gè)基本元件：可轉(zhuǎn)位刀片、刀桿和鏜座。鏜座用于夾持刀桿，夾持長(zhǎng)度通常約為刀桿直徑的4倍。裝有刀片的刀桿從鏜座中伸出的長(zhǎng)度稱為懸伸量（鏜刀的無(wú)支承部分）。

  懸伸量決定了鏜孔的大深度，是鏜刀重要的尺寸。懸伸量過(guò)大會(huì)造成刀桿嚴(yán)重?fù)锨?，引起振顫，從而破壞工件的表面質(zhì)量，還可能使刀片過(guò)早失效。這些都會(huì)降低加工效率。

對(duì)于大多數(shù)加工應(yīng)用，用戶都應(yīng)該選用靜剛度和動(dòng)剛度盡可能高的鏜刀。靜剛度反映鏜刀承受因切削力而產(chǎn)生撓曲的能力，動(dòng)剛度則反映鏜刀抑制振動(dòng)的能力。
 

本文的部分主要分析鏜刀的靜剛度。文中資料來(lái)源于作者對(duì)鏜刀撓曲的研究。鏜刀的撓曲取決于刀桿材料的機(jī)械性能、刀桿直徑和切削條件。

切削力

作用于鏜刀上的切削力可用一個(gè)旋轉(zhuǎn)測(cè)力計(jì)進(jìn)行測(cè)量。被測(cè)力包括切向力、進(jìn)給力和徑向力。與其它兩個(gè)力相比，切向力的量值大。

切向力垂直作用于刀片的前刀面，并將鏜刀向下推。需要注意，切向力作用于刀片的刀尖附近，而并非作用于刀桿的中心軸線，這一點(diǎn)至關(guān)重要。
切向力偏離中心線產(chǎn)生了一個(gè)力臂（從刀桿中心線到受力點(diǎn)的距離），從而形成一個(gè)力矩，它會(huì)引起鏜刀 相對(duì)其中心線發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。

進(jìn)給力是量值第二大的力，其作用方向平行于刀桿的中心線，因此不會(huì)引起鏜刀的撓曲。徑向力的作用方向垂直于刀桿的中心線，它將鏜刀推離被加工表面。

因此，只有切向力和徑向力會(huì)使鏜刀產(chǎn)生撓曲。已沿用了幾十年的一種經(jīng)驗(yàn)算法為：進(jìn)給力和徑向力的大小分別約為切向力的25％和50％。
但如今，人們認(rèn)為這種比例關(guān)系并非“算法”，因?yàn)楦髑邢髁χg的關(guān)系取決于特定的工件材料及其硬度、切削條件和刀尖圓弧半徑。

推薦采用以下公式來(lái)計(jì)算切向力Ft：

Ft＝396000×切削深度×進(jìn)給率×功率常數(shù)

加工不同工件材料時(shí)鏜刀所受徑向力的計(jì)算公式見(jiàn)表1。

表1 鏜刀徑向力的計(jì)算

工件材料——布氏硬度——徑向力計(jì)算公式

碳鋼，合金鋼，不銹鋼，工具鋼——80——250——Fr＝0.308×Ft

碳鋼，合金鋼，不銹鋼，工具鋼——250——400——Fr＝0.672×Ft

球墨鑄鐵，灰鑄鐵——150——300——Fr＝0.331×Ft

 

鏜刀的撓曲

鏜刀類似于一端固定（鏜座夾持部分）、另一端無(wú)支承（刀桿懸伸）的懸臂梁，因此可用懸臂梁撓曲計(jì)算公式來(lái)計(jì)算鏜刀的撓曲量：

y=(F×L3)/(3E×I)

式中：F為合力，L為懸伸量（單位：英寸），E為彈性模量（即刀桿材料的楊氏模量）（單位：psi，磅/平方英寸），I為刀桿的截面慣性矩（單位：英寸4）。

鏜刀桿截面慣性矩的計(jì)算公式為：

I=(π×D4)/64

式中：D為鏜刀桿的外徑（單位：英寸）。

鏜刀撓曲計(jì)算實(shí)例：

加工條件：工件材料：AISI 1045碳鋼，硬度HB250；切削深度：0.1″，進(jìn)給量：0.008英寸/轉(zhuǎn)；刀桿直徑：1″，刀桿的彈性模量：E＝30×106psi，刀桿的懸伸量：4″。

（1）切向力的計(jì)算

Ft＝396000×切削深度×進(jìn)給量×功率常數(shù)＝396000×0.1×0.008×0.99＝313.6 lbs

（2）徑向力的計(jì)算

Fr＝0.308×Ft＝0.308×313.6＝96.6 lbs

（3）合力的計(jì)算

F＝328.1 lbs

（4）截面慣性矩的計(jì)算：

I＝(π×D4)/64＝0.0491 in.4

（5）鏜刀撓曲的計(jì)算

y=(F×L3)/(3E×I)=0.0048″
 

分析鏜刀撓曲和截面慣性矩的計(jì)算公式可知，在鏜削加工時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

（1）鏜刀的懸伸量應(yīng)盡可能小。因?yàn)殡S著懸伸量的增大，撓曲量也會(huì)隨之增大。例如，當(dāng)懸伸量增大1.25倍時(shí)，在刀桿外徑和切削參數(shù)保持不變的情況下，撓曲量將增大近2倍。

（2）鏜刀桿的直徑應(yīng)盡可能大。因?yàn)楫?dāng)?shù)稐U直徑增大時(shí)，其截面慣性矩也會(huì)增大，撓曲量將會(huì)減小。例如，當(dāng)?shù)稐U直徑增大1.25倍時(shí)，在懸伸量和切削參數(shù)保持不變的情況下，撓曲量將減小近2.5倍。

（3）在懸伸量、刀桿外徑和切削參數(shù)保持不變時(shí)，采用高彈性模量材料的鏜刀桿可以減小撓曲量。
 

鏜刀桿的材料：

 鏜刀桿由鋼、鎢基高密度合金或硬質(zhì)合金制成。合金鋼是常用的刀桿材料，也有一些鏜刀桿制造商采用AISI 1144碳高速鋼。
無(wú)論何種牌號(hào)的碳鋼和合金鋼，都有相同的彈性模量：E＝30×106psi。

一種常見(jiàn)的誤解是認(rèn)為采用高硬度或高品質(zhì)鋼制造鏜刀桿可以減小撓曲量。而從撓曲計(jì)算公式可以看出，決定撓曲的變量之一是彈性模量而非硬度。

鎢基合金是采用粉末冶金技術(shù)加工制成。鎢、鎳、鐵、銅等高純度金屬粉末是燒結(jié)各種合金的典型元素，其中有些合金可用于制作鏜刀桿和其它刀柄。
用于制作鏜刀桿的典型鎢基高密度合號(hào)是K1700（E=45×106psi）和K1800（E=48×106psi），用它們制成的鏜刀桿在以相同切削參數(shù)進(jìn)行鏜削加工時(shí)，其撓曲量可比相同直徑和懸伸量的鋼制刀桿減小50％——60％。

用硬質(zhì)合金制成的鏜刀桿撓曲量非常小，因?yàn)槠鋸椥阅Ａ勘蠕摵透呙芏孺u基合金高得多。
制作鏜刀桿的典型硬質(zhì)合號(hào)的碳化鎢含量為90％——94％，鈷含量為10％——6％，根據(jù)行業(yè)編碼規(guī)定，此類牌號(hào)屬于C-1（E=82×106——84×106psi）、C-2（E=85×106——87×106psi）或C-3（E=89×106psi）系列。

鏜刀片的材料及幾何參數(shù)

鏜刀片可采用硬質(zhì)合金、陶瓷、金屬陶瓷、PCD、PCBN等不同刀具材料制成。
硬質(zhì)合金鏜刀片大多采用PVD或CVD涂層。
   例如，PVD TiN涂層適于加工高溫合金和奧氏體不銹鋼；
             PVD TiAlN涂層用途廣泛，適于加工大部分鋼、鈦合金、鑄鐵及有色金屬合金。
   這兩種涂層都涂覆于具有好抗熱變形和抗斷續(xù)切削能力的硬質(zhì)合金基體上。
   此類硬質(zhì)合金基體含有約94％的碳化鎢和約6％的鈷，屬于行業(yè)編碼規(guī)定中的C-3和C-4系列，相當(dāng)于ISO標(biāo)準(zhǔn)的K-10——K-20、M-10——M-25及P-10——P-20系列。
 

CVD涂層硬質(zhì)合號(hào)適用于大部分鋼和鑄鐵材料的鏜削加工。
CVD涂層是由TiN、Al2O3、TiCN及TiC等多層成分組成的復(fù)合涂層，其中每一層涂層都具有特定功能，不同的涂層組合能抵抗不同的磨損機(jī)制。
         典型的硬質(zhì)合號(hào)由碳化鎢、碳化鉭及含鈷TiC等多元碳化物組成，屬于行業(yè)編碼規(guī)定中的C-1——C-4、C-5——C-7系列，相當(dāng)于ISO標(biāo)準(zhǔn)中的K-10——K-30、M-10——M-45和P-05——P-45系列。
 

陶瓷刀片牌號(hào)包括氧化鋁（Al2O3）基和氮化硅（Si3N4）基兩大類。
氧化鋁基陶瓷刀片又分為未涂層和PVD TiN涂層兩類牌號(hào)。
未涂層牌號(hào) 具有較好的韌性和耐磨性，推薦用于合金鋼、工具鋼和硬度大于HRC60的馬氏體不銹鋼的鏜削加工。
涂層牌號(hào) 則用于淬硬鋼、鑄鐵（硬度HRC45或更高）、鎳基及鈷基合金的鏜加工。
 

氮化硅基陶瓷刀片包括雙層CVD涂層（一層是TiN，另一層是Al2O3）牌號(hào)和未涂層牌號(hào)。

涂層牌號(hào)兼具好的韌性和刃口耐磨性，推薦用于灰鑄鐵和球墨鑄鐵的鏜削加工。
某些未涂層牌號(hào)具有抗熱沖擊性及抗斷裂韌性，而另一些牌號(hào)能夠吸收機(jī)械沖擊和保持好的刃口耐磨性，此類牌號(hào)適于高溫合金的鏜削加工。
具有高韌性的未涂層牌號(hào)推薦用于灰鑄鐵的粗鏜加工和斷續(xù)鏜削。
 

金屬陶瓷是由陶瓷材料（鈦基硬質(zhì)合金）與金屬（鎳、鈷）結(jié)合劑組合而成的復(fù)合材料。

金屬陶瓷分為涂層牌號(hào)和未涂層牌號(hào)兩類。
未涂層牌號(hào)硬度較高，具有好的抗積屑瘤和抗塑性變形能力，用于光潔度要求較高的合金鋼鏜加工。
多層PVD涂層牌號(hào)（兩層TiN涂層之間夾一層TiCN涂層）可用于大部分碳鋼、合金鋼及不銹鋼的高速鏜和半鏜加工；
用于加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵時(shí)，也可獲得較長(zhǎng)的刀具壽命和好的表面光潔度。
 

聚晶金剛石（PCD）是由金剛石微粉、結(jié)合劑和催化劑在高溫、高壓下制成的硬材料。
PCD刀片是將PCD刀尖焊接在硬質(zhì)合金基體上制成的。PCD刀具的用途是加工過(guò)共晶鋁合金（硅含量過(guò)12.6％）。
PCD刀具的切削刃能長(zhǎng)久保持鋒利，過(guò)了任何其它刀具材料。此外，PCD刀具適用于高速切削。
 

聚晶立方氮化硼（PCBN）的硬度僅次于PCD。
市場(chǎng)供應(yīng)的PCBN刀片有多種結(jié)構(gòu)型式，如焊接式PCBN刀片（將或大或小的PCBN刀尖焊接在硬質(zhì)合金刀片上）、整體PCBN刀片、采用硬質(zhì)合金基體的全加工面PCBN刀片等。
PCBN刀片牌號(hào)通常用于淬硬鋼、工具鋼、高速鋼（HRC45——60）、灰鑄鐵、冷硬鑄鐵以及粉末冶金材料的鏜加工。
PCBN的一個(gè)獨(dú)特性能是其室溫硬度與切削時(shí)的高溫硬度基本相同，這就使PCBN刀具在高速加工中可獲得比加工相同工件的其它類型刀具更長(zhǎng)的刀具壽命。

用于鋼制鏜刀桿的鏜刀片型號(hào)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。

鏜刀片的主要幾何角度有前角、刃傾角和余偏角。
前角和刃傾角為負(fù)值，典型的前角值為——6°；
刃傾角根據(jù)刀片形狀的不同，在——10°——16°之間取值；
余偏角與刀片形狀有關(guān)：CNMG和WNMG為——5°，DNMG和VNMG為——3°，TNMG為——1°，SNMG為15°。
 

用戶通過(guò)對(duì)刀片材料及幾何參數(shù)、刀桿材料及切削力進(jìn)行認(rèn)真權(quán)衡和選，就會(huì)使鏜刀的撓曲減至小，加工出符合要求的孔。