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鏜削刀具加工知識(shí)

發(fā)布時(shí)間:2013-09-14 瀏覽:

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關(guān)于鏜削加工已有許多技術(shù)文章，其中一些文章寫(xiě)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)孔精加工

，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(chē)削工藝

，其應(yīng)用范圍一般從半粗加工到精加工

，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最大深度

，是鏜刀最重要的尺寸。懸伸量過(guò)大會(huì)造成刀桿嚴(yán)重?fù)锨?div id="d48novz" class="flower left">

，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。

本文的第一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

，切向力的量值最大

。

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“最優(yōu)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(lèi)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。合金鋼是最常用的刀桿材料

，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金牌號(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)合金牌號(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(lèi)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良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(lèi)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)合金牌號(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)合金牌號(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(lèi)

。氧化鋁基陶瓷刀片又分為未涂層和PVD TiN涂層兩類(lèi)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）、鎳基及鈷基合金的精鏜加工

。

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)兼具良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)具有優(yōu)異的抗熱沖擊性及抗斷裂韌性

，而另一些牌號(hào)能夠吸收機(jī)械沖擊和保持良好的刃口耐磨性，此類(lèi)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(lèi)。未涂層牌號(hào)硬度較高

，具有良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精鏜加工

。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精鏜和半精鏜加工；用于加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵時(shí)

，也可獲得較長(zhǎng)的刀具壽命和良好的表面光潔度

。

聚晶金剛石（PCD）是由金剛石微粉、結(jié)合劑和催化劑在高溫

、高壓下制成的超硬材料。PCD刀片是將PCD刀尖焊接在硬質(zhì)合金基體上制成的

。PCD刀具最有效的用途是加工過(guò)共晶鋁合金（硅含量超過(guò)12.6％）。PCD刀具的切削刃能長(zhǎng)久保持鋒利，超過(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精鏜加工。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(lèi)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)衡和優(yōu)選，就會(huì)使鏜刀的撓曲減至最小

，加工出符合要求的孔。

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