孔加工方法与导条式刀具优势分析

■尚亚（上海）国际贸易有限公司 （230106） 章宗城

孔加工方法与导条式刀具优势分析

■尚亚（上海）国际贸易有限公司 （230106） 章宗城

摘要：孔加工是在工件体内进行，刀具悬伸，刚性差，易变形，其容屑排屑、冷却及润滑等条件均差。采用导条式孔加工刀具，能较好地解决相关问题。其在汽车、零部件加工中，已取得优质高效的显著成果。本文从原理上分析了其优势所在。

孔加工时刀具在工件体内工作，其结构与尺寸受孔径大小、深度制约，加工中容屑、排屑、强度、刚性、导向、冷却及润滑等问题需妥善解决。加工过程因不能直观看到，出现情况常难以及时预防，且孔越深刀具悬伸越长，刚性越差，刀具变形、磨损及加工不稳定等问题极易发生。以上问题都是原有孔加工方法固有的不足。

通常的孔加工方法有：①钻、扩及铰，加工精度可由IT11 ～IT14级逐渐提高至IT6～IT7级。②粗镗、半精镗及精镗孔，精度由IT11～IT12级渐提高至IT6 ～IT7级。其他孔加工方法还有内圆磨（多用于淬硬件的最后精加工）和拉削等方法。为了提高孔加工的精度和效率，德国MAPAL公司开发的带导条孔加工刀具，如图1a所示，相对于原有孔加工刀具显示出多方面的杰出优点，因而在汽车等许多工业领域的主要零件加工中，在提高孔及孔系加工质量、效率方面做出了巨大的贡献。

图1　镗孔示意图

1. 传统镗孔刀具

如图1b所示，传统镗刀处于悬伸状态，设定镗刀杆自由端刚度为C，C按悬臂梁计算为：C=3EI/L3。式中，E是镗刀杆材料的弹性模量，I是镗刀杆截面的惯性矩，L是悬伸的长度。常用圆断面镗刀杆的惯性矩是：I=d4/32。式中，d是镗刀杆直径，由公式知，圆镗刀杆刚性与其直径的4次方和与弹性模量成正比，与其悬伸长度的3次方成反比。为提高其刚性与零件加工精度，应尽量缩短其伸长，加粗其杆径，采用高弹性模量材料。但其直径与伸长受需加工孔径D与要求长度L限定，故悬臂加工镗刀杆的缺点是：①刚性较差，易挠曲，致使加工后尺寸精度和形状精度的圆度、直线度较差。②刚性不足易引起振动，故无法使用锐利刀具，加工表面质量不高。③从刚度C的计算公式知，为增强刚性，宜选弹性模量E值高的材料。硬质合金弹性模量高于重金属。重金属的弹性模量高于合金钢。故仅因此点不同，镗孔深度限制不同；一般采用合金钢镗杆镗孔深度应在L/D=4以下，重金属镗杆应在L/D=7以下，硬质合金镗杆应在L/D=10以下。④断续切削时，由于切削力波动大，振动大，一般镗刀杆只好降低切削用量，难以高效加工。⑤一般镗孔法，因生产线外调刀困难，需在机床上用试切方法来调整，较麻烦，调刀尺寸也难以控制在公差上限，难以延长刀具使用寿命。综合以上的不足，此方法刀具的寿命不长，费工费时，加工精度较差。

2. 带导条镗孔刀具

如图1a所示，带导条镗孔刀具由于导条一直起到支承和导向作用，故其优点为：①因导条承

受切削力，悬伸长度短，刚性高，使加工尺寸与几何精度大幅度提高。②有导条支承，抑制了振动，就有可能采用锐利刀具，从而提高了加工表面质量。③在加工中一直有导条支承，刀具伸长，刚性也没有减弱，镗孔长度几乎不受限制。④导条支承使断续切削造成的切削力波动受到抑制，断续孔不难加工。⑤导条的支承和导向，使切削稳定，加工质量稳定。⑥可在生产线外进行调刀，调整精确，能确保加工精度，并可使尺寸调到公差上限，使刀具寿命得以延长，且大大减少了停机时间，提高了生产效率。

与精度较高的铰刀作比较，铰刀作为半精加工和精加工孔的刀具，一般具有6～12刃。分布在圆周的多个切削刃，除担负切削作用外，也同时承担了支承作用，因此刃口需要具有一定的钝圆半径，而不是磨出锐利的切削刃（见图2）。另外，铰削余量大小一般具体视直径大小、工件材料和对铰孔质量等要求的不同而异。切削时当圆弧角γn大于切深ach，前角γoc为负角，此时就会对工件产生挤压作用，刀具随其磨损。以上两种原因，使铰削后表面易产生细微的刮痕，降低加工表面质量。另外，一般铰刀由于安装等因素引起的振摆也影响加工表面圆度。通常铰刀结构如图3所示，前端呈两段圆锥形，前段为引导锥，以便将铰刀引入孔中，第二段圆锥由主偏角Kr作为锥角，是承担主要切削作用的部分（刀具刚性较好时，前端只做出一段圆锥，同时承担引导和切削作用，或只做出45°短倒角）；中间至最后是校准部分，由圆柱部分和倒锥部分组成，圆柱部分起导向、校准及挤光作用，倒锥部分减少摩擦并防止铰刀将孔径扩大。在铰削韧性材料时，甚至可在校准部分全长做出倒锥，因此通常在加工钢等韧性材料时，实际只有前端局部支承，使引导性、支承刚性等下降，并影响加工直线度和圆度。在断续切削时，更难以保证精度。作为尺寸刀具，整体铰刀加工后，孔径精度很大程度决定于铰刀自身的精度。铰刀重磨后，尺寸减小达到最小极限尺寸的加工次数就会减少，使刀具寿命下降。铰刀类型除整体式铰刀外，尚有焊接刀片式、可换刀头式及可转位刀片式铰刀等。

图2　铰刀刃齿圆弧同时具有支承作用

图3　一般标准铰刀各部分的组成

铰刀的公称直径是指校准部分的直径，也指被加工孔直径。其公差应比工件孔公差严格，要考虑磨损备量，以使重磨数次后，尚能使加工后的工件孔径在要求的孔公差范围内，还要考虑铰削后可能产生的扩张量或收缩量。形成扩张收缩的原因是：切削振动、刀具振摆、安装误差以及积屑瘤等，使铰出的孔径常大于铰刀校准部分外径。但有时又由于工件的弹性变形或热变形后的恢复（特别是在使用硬质合金铰刀铰孔时，因切削温度较高时），铰后孔会缩小。到底是扩大还是缩小以及数值大小，需按经验和试验确定。一般扩张量约为0.003～0.02mm，收缩量约为0.005～0.02mm。考虑以上这些因素后，制定的铰刀制造公

差不能太大，否则磨损备量就会减小，刀具寿命变短。但公差太小，也会使制造成本提高。因此国家和公司有自己的标准。另外需要注意的是，铰孔的质量与前道工序的加工质量也有关。

铰刀结构带锥角的这个优点，被MAPAL带导条孔加工刀具采用（见图4）。其刀片前面的锥刃分两段，第一段锥角（即主偏角）较大，除有引导作用外，还作为粗加工刃，紧接着是第二段锥角（主偏角）较小的部分，加工是逐渐切入，这部分作为精加工刃。之后是校准刃和倒锥部分，可因加工材料的不同，设计分配各部分长度及主偏角大小，非常灵活。多刃的MAPAL带导条刀具，集中了镗、铰的优点。MAPAL导条式孔加工刀具，除一次完成粗精加工外，也可做出台阶式，一次可做多个台阶孔的粗、精加工，从而合并了工序，一次完成，大大地提高了效率，也提高了各孔间的同轴度。刀片又采用了机夹式，更换方便、经济性好。

图4　带导条单刃孔加工刀具结构示意图

MAPAL的双刃导条孔加工刀具两刃不等高，约相差0.1～0.2mm，可分别承担粗加工和精加工，各刃的负荷得以减轻，从而可使进给量增大，提高生产效率。如用两刃导条式刀具加工连杆大头孔，加工后圆度可达3～5μm。后工序无珩磨时，若注意调整好刀片，选择合理切削条件，Rz可达2～3μm，可连续加工2 600个孔。加工阀体孔，其圆柱度和直线度可达0.004mm以内。加工曲轴孔等具有间断、多支承深孔时，可用长、短两种型式的导条式刀具，刚性好的短型导条式刀具将第1孔加工出后，可作为导引，再用长型刀具加工，以保证最终的高精度要求。

如图5所示，为MAPAL各类导条式孔加工刀具。在汽车工业中得到广泛的应用，如气缸体的缸孔、曲轴孔及梃杆孔；气缸盖的凸轮轴孔、气门导管孔及连杆的大小头孔；活塞的销孔、各种阀孔等，分别使用了单刃、双刃及多刃等。刀片的形式也有多种多样，有长形、六角形，可以快速更换。刀片材料除硬质合金、涂层硬质合金及金属陶瓷外，也有PCD和CBN的。导条材料也有硬质合金、金属陶瓷及PCD等。

另外要特别说明一下孔加工刀具的调整问题。由粗加工到精加工，刀尖不仅在直径方向的伸出量要精确，还应使刀片在x和y方向调整到正确位置。MAPAL导条式镗刀的结构采用了两点精确调整结构，位置调整精确，加工孔径精度高，可以稳定地加工出IT5、IT6级精度，甚至IT3级精度，1～3μm圆柱度。且可在生产线外进行刀具调整，减少了停机时间。

调整精度很重要，一种加工方法加工一大批工件，所有工件尺寸的正态分布规律是：最大、最小的尺寸件数很少，平均的中间尺寸μ的件数最多，形成如图6所示的高斯曲线（即正态分布曲线，其范围是3σ，σ是均方根偏差），纵坐标表示各尺寸出现的个数、频率。横坐标表示尺寸分布，曲线分布范围越小，表示该加工方法可控尺寸波动越小，加工精度越高，工艺能力越强。零件公差分布的中心AM与实际加工后工件尺寸的分布中心μ最好一致，但实际往往由于具有一些影响刀具正确位置及调整精度的因素，即系统误差，使高斯曲线分布中心μ与要求的公差中心AM不一致，而出现中心偏差，使实际

加工尺寸分布可能超出公差范围T，从而出现不合格品。图6中Amax和Amin分别表示公差允许的最大和最小极限尺寸，此范围之外的就是不合格品。

图5　MAPAL各类导条式孔加工刀具

图6　实际尺寸分布中心与公差分布中心的不一致

MAPAL带导条孔加工刀具有可靠的调整精度方法，对刀仪精确，调整精度可达到1μm，可控工艺能力极高，加工尺寸分布中心趋近于要求的公差中心，减少了可能出现的废品，甚至考虑到刀具磨损问题，预先做出更有利的调整，使刀具使用寿命延长，生产稳定持续。一般传统镗刀因是单点调整，孔径尺寸难以控制，线外调整难，常需在机器上以试切方法来调整，既麻烦又不精确。因此为实现稳定、高精度孔加工，减少不合格品，导条刀具的优势十分明显，很值得我们学习应用。

收稿日期：（20141126）