鉸孔技術的研究及應用

劉龍田

(中航工業西安航空動力控制有限公司，陜西 西安 710077)

在機械制造工藝中，鉸削是一種被廣泛使用的加工方法，尤其是在批量生產的產品中被應用得相當普遍。它是一種精加工或半精加工的方法，我們所生產的零件中，它被作為精密零件的中間加工工序來使用。

但是在實際應用中，鉸孔加工的缺點及問題也是明顯的，且不易解決。主要問題是被加工孔的形狀誤差不易控制，孔內容易劃傷，精密零件孔的尺寸不好保證，特別是細長孔鉸削加工，上述問題更加嚴重。在生產加工中，圖中的這個零件是比較典型的工件，其形狀及要求如下:

圖1 工件工藝加工圖

圖1 是該零件的一道中間工序的工藝加工圖，該工件最后要求其內孔的錐度、橢圓度、棱圓度、直線度誤差不大于0.002 mm，粗糙度要求不大于0.1 μm，由圖1 中可以看出，該加工零件屬細長孔的鉸削(下面的分析主要以圖1之問題進行)。

在實際加工過程中，除發現內孔經常劃傷外，還發現內孔的形狀是彎曲的。根據誤差積累效應，這樣的內孔質量要保證后面的加工精度肯定是不行的。在這種情況下，內孔鉸削方法的研究是實際生產中必須解決的問題。

1 分析鉸削加工產生誤差的原因

在細長孔的鉸削加工中，從理論上分析，孔的加工誤差與機床的精度、鉸孔的余量及其鉸刀都有關系。孔的誤差用Δδ 表示，機床的精度用ε 表示，鉸孔的余量用ψ 表示，鉸刀因素用η 表示，它們的函數關系可以表示為Δδ=f(ε，ψ，η)。以圖1 工件為試驗工件，經過大量、重復性的試驗，可以得出結論:選用數控機床的精度、鉸孔的余量對孔的加工誤差影響不大，鉸刀的選取對孔的加工誤差影響是主要矛盾。鉸孔加工孔徑一般在Φ1～100 mm 之間，尺寸精度一般可達H8～H7 級，表面粗糙度Ra值1.6～0.2 μm，在本零件加工中所使用的鉸刀為普通的標準多齒鉸刀，見圖2，它是由工作部分、頸部和柄部3 部分組成。工作部分包括切削部分和校準部分，切削部分起主切削作用，其上有主偏角Kr;校準部分起校準、修光和導向作用，一般做成倒錐形狀。

常用的標準鉸刀鉸孔時存在如下問題:

(1)因切削與導向都由一個刀齒承擔，所以加工出來的孔的圓度、直線度誤差較大，預鉆孔常常因為和鉸刀不同心，當鉸刀各刀齒在孔內所承受的切削力不同時，鉸刀軸心必然會偏離主軸軸心，所以加工出的孔必然直線度和圓度較差。

圖2 鉸刀示意圖

(2)刀桿直徑因受到工件孔徑尺寸的限制，剛度較低，加工中易產生讓刀、振動等現象，從而影響鉸孔質量，并使切削速度也很難提高。通常采用的高速鋼鉸刀，鉸削速度都不超過15～20 m/min。

(3)因采用注入式方法供給切削液，所以鉸孔(尤其是鉸深孔)時，切削液很難引入到切削區，致使刀具壽命降低，加工質量也難保證。

(4)退刀時易在孔中產生劃痕。

因此，如何獲得理想的鉸孔質量是生產中經常碰到的難題。現就此問題進行全面、深層次的研究。

2 提高鉸孔質量的方法

2.1 改進鉸刀的幾何參數

由于鉸刀主要用于孔的精加工和半精加工，故應將切削層的厚度減薄，并且切削厚度愈小，刀刃參加工作部分長度相應增大，鉸刀切入時的導向性愈好，刀具耐用度也愈高。

如圖3 所示，鉸削時的切削厚度

式中:af為鉸刀每齒進給量，Kr為鉸刀主偏角。

由此可見，為了提高鉸孔的質量和刀具的耐用度，鉸刀上的主偏角Kr應取小值為宜，根據一般的經驗表明，Kr角愈小，孔的表面粗糙度參數值Ra也愈小。所以，一般來說鉸刀采用小的Kr角，以使刀具工作時能保持良好的導向并減小軸向力。通常來說，鉸刀的導向和軸向力均由機床和夾具來保證。為了減小切屑變形，故使用較大的主偏角。目前標準手冊及本零件所用鉸刀推薦使用高速鋼鉸刀的主偏角為15°(硬質合金鉸刀切削鋼材料時亦為15°)，但是經過上述分析，通常所用的鉸刀主偏角值，并不完全合適。所以，我們認為在生產中將鉸刀的主偏角改小(5°左右)，無論是加工質量與鉸刀耐用度均有望提高。

圖3 改進鉸刀示意圖

2.2 鉸刀和切削用量的合理選用

合理使用鉸刀是提高鉸孔質量的關鍵。鉸刀的合理使用，除應對鉸刀進行仔細的刃磨與研磨外，還應選擇合適的切削用量與切削液。

2.2.1 鉸刀的使用

一般標準鉸刀均未經研磨，影響鉸孔的表面粗糙度。因此，必須對鉸刀進行研磨。研磨時要注意切削部分、倒角、圓錐和圓柱校準部分的交界處，因為內孔最后在這里成形。刀具的粗糙度也在該處被反映到鉸孔的孔內壁。所以，研磨鉸刀時應特別注意用油石將該處輕輕地仔細研磨，使交界處成圓滑過渡(見圖4)。要求倒圓處后刀面上的表面粗糙度Ra為0.1～0.2 μm。倒圓半徑R 的大小沒有嚴格要求，但要求各齒上的R 值大小應均勻一致，必須注意倒圓時不允許破壞刃口的鋒利性或將刃口倒塌。

鉸刀退刀時，常會在孔中產生劃痕，破壞內孔粗糙度。故對于鉸削質量要求高的孔，在孔鉸完后，最好將主運動停止，再把鉸刀從孔內沿進給方向拉出孔外。

圖4 鉸刀修磨示意圖

2.2.2 切削用量

鉸削余量主要根據工件材料、鉸孔的精度和表面粗糙度等具體要求確定，余量過小，往往不能把前面的加工痕跡去除;余量過大，因切削負荷大，容易破壞鉸刀工作的穩定性，引起振動，將孔擴大，并使刀具耐用度下降。通常粗鉸余量(直徑上)為0.2～0.4 mm，精鉸余量為0.05～0.2 mm。

鉸削速度和進給量也要選擇恰當，應在保證質量的前提下，提高加工效率。一般來說，提高鉸削速度和增大進給量，會使鉸孔精度下降，表面粗糙度值增大。經驗表明，當鉸削鑄鐵孔時，切削速度由8 m/min 提高到30 m/min，表面粗糙度值將由Ra0.4 μm 增大到Ra0.6 μm，而鉸削鋼件孔時，則由Ra0.8 μm 增大到Ra3.2 μm，并且速度提高后，會使鉸刀磨損加劇，容易引起振動，情況嚴重時，甚至使硬質合金刃口崩裂。

表1 常用刀具參數

鉸孔進給時，進給量通常取0.05～0.6 mm/r，加工孔的要求高及孔小時應取小值，切削速度可取3～20 m/min，如切鋼時為避免產生積屑瘤，選用較小的數值。表1 是通常情況下的切削用量數值，供參考。

上面對一般情況下的鉸孔加工進行了分析。為了解決前面所提的深孔鉸孔(圖1)直線度不好保證、加工后內孔呈彎曲狀的問題，課題組還作了專門的試驗。當用硬質合金鉸刀加工時，取消了粗鉸，直接采用精鉸，余量加大至0.25 mm，切削速度提高到20 m/min，進給量加大至0.4 mm/r，試驗結果，內孔的直線度問題基本解決，且粗糙度Ra值減小(有時粗糙度Ra值未見明顯減小，但內孔加工紋路比較均勻)，為后面的精細加工打下了良好的基礎。對這樣一個特殊的例子，為什么有這種現象，我們分析后認為，第一，當切削速度和進給量加大時，鉸刀沒有時間產生變形;第二，鉸刀軸向產生了較大的沖擊力;第三，鉸刀的校準部分對工件內孔起了一種擠光的作用。

但是上面所說的方法，其缺點也是明顯的，這就是刀具的磨損急劇加大。但在產品生產批量小，產品質量要求比較嚴的情況下，它仍不失為一種可行的加工方法。

2.2.3 切削液的選用

鉸孔時正確選擇切削液十分重要，它不但能提高刀具耐用度和改善表面粗糙度，而且還能起到抑制振動的作用。所以用鉸刀無論是鉸削鋼件還是鑄鐵，一般都要選好切削液。

鉸鋼材料工件時，通常用乳液或硫化油:鉸較軟的鋼時常用濕潤性好、粘性較小的硫化油，因為用硫化油時，噪聲小、振動也小、又能延長刀具壽命;鉸較硬的鋼材料工件時，宜采用乳化液，其冷卻效果好;在用硬質合金鉸刀鉸孔時，也應使用切削液，而且必須連續充分地供給，不然容易引起刃口的崩裂。

若用充足的乳化液冷卻時，加工出的工件的孔徑尺寸全變小，其縮小程度要大于采用油類切削液加工時的變小量。原因是乳化液是一種水基切削液，水的導熱性好，故刀具的熱膨脹小;另外，乳化液的潤滑性比油類切削液差，所以刀具對工件的擠壓作用也大，加工后工件的回彈量也就增加，因而孔徑尺寸減小。

利用上述規律，實際生產中就可通過改變切削液的種類和成分來控制實際加工的尺寸，以滿足鉸孔加工精度和質量的要求。

切削液一般都用注入式方法供給(圖5)，此方法簡單、方便，故在生產中應用最普遍。其缺點是因切削液大部分流失，切削得不到充分的冷卻和潤滑，從而影響了加工的效果。

圖5 切削液的注入法示意圖

圖6 切削液的內冷卻供給法

圖6 為采用內冷卻方法供給切削液，冷卻效果好，雖刀具結構稍復雜。但在生產中并不難實現。有條件時，應盡量采用內冷卻的方式供給切削液。

2.2.4 改進現有鉸刀的結構

通常采用的普通鉸刀，由于切削齒多(≥4)，而且切削齒部分與導向部分連為一體，故鉸出的孔容易造成內孔的圓度和直線度誤差，內孔就容易劃傷。為避免這些現象，在鉸刀的刀齒上進行改進是有必要的。

在生產實踐中，我們知道:鏜孔加工出的內孔，其內孔圓度及直線度的質量是比較高的，但鏜孔的工作效率比較低，因為鏜刀只有軸向運動;在鏜孔的加工中，如果我們能利用鏜孔加工的優點與鉸削加工相配合，則對鉸孔質量是有望提高的。

設想做一種單刃鉸刀，將其切削與導向兩部分分開，由鉸刀上的兩個不同部分來承擔，以硬質合金鉸刀為例，按圖7 所示做成一種鉸刀，刀具上的一個切削刃(刀齒)和兩個導向塊，在徑向剖面上構成了“三點成一個圓”的定位原理。刀具切入工件后能自行導向，因而有可能加工出較高的尺寸精度和形狀精度，尺寸精度可達H8～H7 級，表面粗糙度在Ra1.6 μm 以下(與鏜孔加工類比推出)，切削時，如果有條件，可用較大壓力供給切削液，還可提高鉸孔速度，提高加工效率。

圖7 改進鉸刀剖面示意圖

3 結語

上面所述的加工方法既有鏜孔加工的特點，而且刀具自身又可自己調整和導向，所以其加工質量及工作效率都可望獲得提高。前面針對硬質合金鉸刀進行了分析，對于高速鋼鉸刀來說，我們可以根據擴孔加工的經驗將鉸刀做成雙刃(齒)對角形，這樣就可以解決內孔圓度及直線度差的問題，但這種方法缺點也很多，主要是其導向性不好，粗糙度也不會很理想，其刀具磨損亦嚴重。

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