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铰刀的合理使用与改进

时间: 2011-06-28 13:01 来源: 作者: 叶毅 叶伟昌  &n 点击:
本文以笔者在工厂中长期的使用经验与验证为依据,对标准铰刀结构上存在的问题提出了改进意见,同时还对铰刀如何合理使用的问题作了分析与介绍。

在机械加工中,孔加工约占加工总量的1/3。而铰孔是普遍应用的一种精加工和半精加工孔的方法,加工孔径通常在Φ1~Φ100mm之间,尺寸精度一般可达H9~H7级(甚至H6级),加工表面粗糙度为Ra1.6~0.2μm。铰孔用的,目前生产上仍以标准的多齿铰刀为主。

我们知道,标准铰刀铰孔时通常会出现很多问题,例如误差度、直线度、排屑、让刀、振动现象、刀具使用寿命低、退刀时产生划痕等等,由于文章篇幅有限,在此不做详细列举。

改进铰刀的几何参数


图1 铰削时切削厚度

由于铰刀主要用于孔的精加工和半精加工,故应将切削层的厚度减薄,并且切削厚度愈小,切削刃参加工作部分长度相应增大,铰刀切入时的导向性好,刀具寿命也愈高。由图1可知,铰削时的切削厚度:

hD=fzsinκr=(f/z)sinκr

上式中,fz为铰刀每齿进给量,单位mm/z;f为铰刀每转进给量,单位mm/r;z为铰刀齿数;κr为铰刀上的主偏角。

由此可见,为了提高铰孔质量和刀具的使用寿命,铰刀上的主偏角κr应取小值为宜 。试验也表明,κr角愈小,孔的表面粗糙度值Ra也愈小。但通常认为手用铰刀应采用小的κr角,以使刀具工作时能保持良好的导向并减小轴向进给力,而机用铰刀的导向和轴向进给力均由和来保证,为减少切屑变形,故使用较大的主偏角。目前标准上(见技术标准出版社出版的“铰刀生产图册”)推荐的高速钢机用铰刀的主偏角为15°,手用铰刀的主偏角为1°;硬质合金铰刀的主偏角,切钢时推荐用15°,切削铸件为3°~5°。但经生产验证,标准上推荐的主偏角数值,并不完全合适,作者在生产中将硬质合金机用铰刀的主偏角切钢件时也改为5°,无论是加工量与铰刀寿命均有明显提高。对于高速钢机用铰刀,减小主偏角也能得到同样的效果。


图2 多锥刃铰刀

多锥刃铰刀就是根据上述微量切削原理在普通铰刀基础上改进而成的一种铰刀新结构。它使用了多段锥形切削刃(见图2),使每段切削刃上的切削厚度大大减薄,故能使铰孔质量高而稳定。这种铰刀的加工精度可达H7~H6级,表面粗糙度为Ra0.8~0.1m,且刀具使用寿命长。该刀具切削部分分为三段:最前端磨出45°偏角,当加工余量小时,它不参加切削,起引导作用;当加工余量大时,用它切去一定余量,起扩孔作用;偏角κr1=5°的锥形切削刃(长度一般为2.5 mm)切去大部分余量,作粗铰用;κr2=2°(长度2 mm)的锥形切削刃作精铰用;而随后的圆柱校准部分则用于熨平精铰过程中残留的孔的弹性变形,以减少加工后孔的表面粗糙度。

图3所示为大螺旋角铰刀,它具有2~4条大螺旋角(螺旋角β可增大到70°~80°)的左旋刀齿,其前端切削部分上磨出很小主偏角(κr1=1°~1°30’),切削刃很长。这种刀具最大特点是,因利用了斜角切削原理,故切削轻快,并且切下的切屑细薄柔软,不会划伤已加工表面。用其加工铸件和有色金属上的连续孔和断续孔时,刀具寿命可比标准铰刀提高0.5~1倍,表面粗糙度为Ra0.8~0.4μm。但这种铰刀的制造,尤其是刃磨比较困难。


图3 大螺旋角铰刀

铰刀的合理使用

铰刀的研磨和重磨

标准铰刀按精度分为三级,分别适用于铰削H9、H8和H7级精度的孔。工具厂还常供应备有留研磨量(一般为0.01 mm)的铰刀,经研磨后可满足用户不同铰孔精度的要求 ;此外,磨损后的铰刀通过研磨也可改制成加工其它配合精度的孔。铰刀的研磨可在上用铸铁研磨圈沿校准部分刃带进行,如图4所示。研磨时,铰刀装在两顶尖间由车床主轴带动作低速转动,研磨圈沿铰刀轴线均匀移动。研磨圈上铣有斜槽,由三个螺钉支承在外套内。当调节螺钉时,可使研磨圈产生弹性收缩而与铰刀圆柱刃带轻微接触。研磨时需加入少量的研磨剂。


图4 铰刀的研磨

铰刀用钝后只重磨切削部分的后刀面,重磨后要求原后角值不变,表面粗糙度不大于Ra0.4~0.2μm。重磨后还需用油石在切削部分和圆柱校准部分(或倒锥部分)的交接处研磨出0.5~1 mm圆弧过渡刃(倒圆角),要求倒圆角处后刀面上Ra0.2~0.1μm。必须注意,倒圆角时不允许破坏刃口的锋利性或将刃口倒塌。

选择合理的切削用量

铰削余量主要根据工件材料、铰孔精度和加工表面粗糙度等具体要求确定。余量过小,往往不能把前道工序的加工痕迹去除 ;余量过大,因切削负荷大,容易破坏铰刀工作的稳定性,引起振动,将孔扩大,并使刀具寿命下降。通常粗铰余量(直径上的)为0.2~0.6mm ,精铰余量为0.05~0.2mm 。

铰削速度和进给量也要选择恰当,应在保证质量的前提下提高加工效率。一般说来,提高铰削速度和增大进给量,会使铰孔精度下降,表面粗糙度值增大。试验表明,当铰铸铁孔时,切削速度由Vc=8 m/min提高到Vc=30 m/min,表面粗糙度值将由Ra0.4μm增大到Ra1.6μm,而铰钢件孔时,则由Ra0.8μm增大到Ra3.2μm。并且切削速度提高后,会使铰刀磨损加剧,容易引起振动。情况严重时,甚至使硬质合金刃口崩裂。铰孔时的进给量,铰削钢料时常取f=0.05~0.6mm/r ;铰削铸铁时f=0.2~2mm/r 。加工孔的要求高及孔小时应取小值。切削速度可取Vc=3~20m/min ,切钢时为避免产生积屑瘤,故应选用较小的数值。

的选用

铰钢件孔通常用10﹪~15﹪浓度的乳化液或硫化油;铰铸件孔通常用湿润性较好、粘性较小的煤油。用硬质合金铰刀铰孔时,也应使用切削液,但此时切削液必须连续充分地供给,不然容易引起刃口的崩裂。

应注意的是,若用充足的乳化液冷却时,加工出工件的孔径尺寸会变小,其缩小程度要大于油类切削液加工时的变小量。原因是乳化液是一种水基切削液,水的导热性好,故刀具的热膨胀小;乳化液的润滑性比油类切削液差,所以刀具对工件的挤压作用也大,加工后工件的回弹量也就增加,因而孔径尺寸减小。利用上述规律,实际生产中就可通过改变切削液的种类和成份来控制实际加工的尺寸,以满足铰孔加工精度和质量的要求。

切削液一般都用注入式方法供给,但因切削液大部分流失,切削区得不到充分的冷却与润滑,从而影响加工的效果。采用高压内冷却方式供给切消液,冷却效果好,但刀具结构稍复杂,可是在生产中并不难实现。目前,随着刀具制造技术的进步,国内外各刀具公司已推出了各种带高压内冷却供液(油)通道孔铰刀的产品,为采用内冷却法创造了条件。

铰刀的正确装夹

铰刀在机床上的装夹,有刚性联接和浮动联接二种方法。采用浮动联接时,可以不受机床、刀具、被加工孔间同轴度误差的影响。但因铰刀切削量小,所以它无法纠正孔轴线歪斜等位置误差,因此,对预制孔的精度应有较高要求。


图5 销轴式浮动联接夹头

图5所示是一种销轴式浮动联接夹头,其夹头体与套筒、销轴与套筒之间都保持一定间隙,转矩和轴向力分别由销轴和垫块传递。当需要调整铰削中心偏差时,铰刀可以在任意方向自动作微量的偏移和歪斜。

对于孔径较大(Ф30~Φ330 mm)且尺寸精度要求较高(H7~H6)的孔,生产上也常用硬质合金可调节浮动铰刀来加工。铰孔时,将刀具装入刀杆方孔中,无需夹紧,通过作用在两侧切削刃上的背向切削力自动平衡定心,从而补偿由于刀具的安装误差或刀杆偏摆而引起的加工误差。这种铰刀切削速度一般为Vc=3~8 m/min;铰削钢料时进给量常取f=0.6~1.2 mm/r,铰削铸铁时f=0.8~1.5 mm/r;铰削余量在0.05~0.10 mm之间。

铰刀使用时注意事项

(1)铰削时,铰刀不可在孔中倒转,以免切削刃损坏或磨钝。

(2)机铰时要在铰刀退出孔后再停车,以免孔壁产生拉痕。铰通孔时铰刀校准部分不能全出孔口,以免损伤出口处并使铰刀难于退出。

(3)铰孔的尺寸精度,受铰刀尺寸和表面粗糙度、铰刀在机床上的装夹方式、工件材料性质和切削液性能等多种因素影响,所以在批量铰孔前,应先试铰,以免工件大量报废。

(4)铰刀用毕,要刷净容屑槽中切屑,然后涂油装入护套内,以防切削刃碰伤。

改进铰刀的结构

硬质合金拉铰刀

图6所示为硬质合金拉铰刀,它不但适于加工直径为10~50 mm的通孔,而且能够加工深孔。这种刀具的刀杆承受拉力,不易弯曲,故铰出的孔直线度好。由于使用高压内冷却方式供给切削液,故切削温度低,刀具使用寿命长,工效高。


图6 硬质合金拉铰刀

拉铰刀由刀体、刀片和导向套(或导向块)组成。这种刀具的特点是将切削与导向两部分分开,分别由铰刀上的两个不同元件来承担。拉铰刀按其各工作部分的作用又可分为连接部、导向部和切削部,连接部位上有方牙螺纹,可与刀杆快速相连,工作时刀杆须从工件内孔待加工表面中通过,以便与机床夹头相连,传递动力。导向套材料常用白桦木或青钢木,也可采用尼龙和夹布塑料。铰刀切削部分几何参数与普通硬质合金铰刀相同。切削用量可取:切削速度Vc=40~120 m/min,进给量f=0.08~0.4 mm/r,铰削余量为0.2~0.8 mm。

加工精度可达H8~H7级,表面粗糙度为Ra1.6~0.4μm 。刀片材料切铸件时用YG6X、YG8,切钢时用YT14、YW或YT798。

硬质合金弹性导向铰刀

图7所示是一种装有径向弹性导向条的专用铰刀,它可提高孔的加工质量与铰刀寿命,并能承受切入时的冲击,减小孔的扩张量与加工表面粗糙度。这种铰刀在圆周上配置有导向条1,通过弹性垫片2装在刀体3的槽内,导向条的两端用法兰盘4固紧(见图7中A-A剖面)。


图7 硬质合金弹性导向铰刀

弹性垫片的宽度b须比刀体槽的宽度小0.4~0.6 mm 。导向条与切削刀齿在圆周上相间排列。直径25~65 mm的铰刀(图7a)可将导向条安装在与切削刀齿的同一个刃瓣上;直径更大的铰刀(图7b)则可将导向条设置在独立的刃瓣上。为了提高导向条的耐磨性及强度,导向条可用YG8或 YT5硬质合金制造。弹性垫片可用聚氨酯泡沫塑料制作。

这种铰刀的切削刀齿主要起切削作用,而硬质合金的弹性导向条则起导向、支承、挤压、缓冲和减振作用,故能切出较高精度的孔(孔的尺寸偏差和几何形状偏差可比标准硬质合金铰刀减少1/2~1/3),而弹性垫片又可防止刀齿和导向条的崩刃和损坏。

大直径可换刀片式铰刀

SECO刀具公司新推出了一款X-Fix可重复定位、高精度、模块化的大直径可换刀片式铰刀。X-Fix铰刀上的刀片拥有8个切削刃,刀具可以和任何锥度的刀柄连接。与同类型刀具相比,X -Fix铰刀的齿数更多,包括了3、5、7、9四种齿数,可为不同工况提供最优化的生产率。不同的直径范围对应不同的齿数,直径覆盖范围从40~155 mm,能获得IT6级的公差等级(IT8及以下的公差等级无需调整)。专利的浮动导条减少了刀具的振动,使加工更加稳定,且不受长径比的限制。据称,该公司独创的专利刀夹设计提高了加工的可靠性和稳定性,即使发生撞刀,也只需更换刀夹,最大程度地保护了刀体,大大降低了加工成本。

可转位硬质合金单刃铰刀

图8所示为可转位硬质合金单刃铰刀。刀片3通过双头螺柱1和压板4固定在刀体5上,用两只骡钉6和顶销7调节铰刀的尺寸,8为刀片轴向限位销钉,导向块2焊接在刀体槽内。该刀具的最大特点是利用单刃(单齿)切削,两个导向块支承和导向,刀片磨损后可转位一次使用,刀体可重复使用。刀具切削部分分为两段:前端刃长1~2 mm,主偏角为15°~45°的切削刃切除大部分余量;倒角刀尖(刀尖倒角偏角为3°)及圆柱校准部分用作精铰;两个导向块起导向、支承和挤压作用。导向块相对刀齿的位置角为45°和180°(或84°和180°)。导向块尖端相对于切削刃上尖端沿轴向应滞后0.5~1.5 mm,以使导向块能以已加工孔表面进行导向。导向块直径应与刀齿直径有一差值,以保证有一定挤压余量。这种铰刀能获得很高的尺寸精度和孔形圆直度,尺寸精度可达H8~H7级,铰出的孔圆度为0.003~0.008 mm,圆柱度为0.005 mm/100 mm ,表面粗糙度可稳定在Ra1.6μm以下,个别的可达Ra0.4~0.2μm 。


图8可转位硬质合金单刃铰刀
1—双头螺柱 2—导向块 3—刀片 4—压板5—刀体 6—调节螺钉 7—顶销 8—限位销钉

切削时如采用0.3~2.5MPa的压力供给切削液,还能进行高速铰孔,切削速度可达80~150 m/min。

电镀金刚石或CBN铰刀

电镀金刚石或电镀CBN铰刀,它是以金属镍、铜和钴等作结合剂,利用电镀工艺把金刚石或CBN细小磨粒包镶在一定尺寸和几何形状的铰刀基体表面上,再经修磨而制成。这种铰刀由前导部、工作部、后导部和柄部组成。由于电镀层薄,颗粒细,所以加工余量不能太大,一般不大于0.03 ~0.05 mm。通常分2~4次铰削,粗铰余量为0.01~0.03 mm,半精铰余量为0.007~0.015 mm;精铰余量为0.0025~0.005 mm 。因CBN的热稳定性好,与铁族元素化学惰性大,故适用于加工普通钢、淬硬钢、耐热钢和钛合金等材料;而金刚石铰刀主要用于加工铸铁、铝和铜合金等材料。用这种铰刀加工出的孔,具有尺寸分散度小、几何形状精度高(可达2~1 m)、表面粗糙度值小(Ra﹤0.4~0.1 m)、和刀具寿命长(平均每把铰刀可加工1~2万个工件)等特点,目前已广泛用于液压元件的主阀孔、机械和精密仪表中各种精密孔的最终加工上。磨粒的粒度,应根据孔的加工余量和表面粗糙度等要求来选择。一般粗铰用80/100~170/200的粒度号,半精铰用170/200~230/270号粒度, 精铰用270/325~325/400或MP20~30以粗的微粉。但是细颗粒的铰刀镀层薄,牢固度差,铰刀工作时常出现“咬死”(铰刀卡住在工件孔中) 现象。因此,目前国内外趋向于用粗颗粒的铰刀来加工高精度和表面粗糙度参数值小的工件。实践证明,只要对粗颗粒磨料(磨粒尺寸为70~30μm)铰刀进行适当修磨(可在外圆磨床上用金刚石来修磨,用煤油作切削液),使其对工件产生一定的挤压摩擦和拋光作用,同样也能获得表面粗糙度参数值小的加工表面。铰刀的结构有固定式和可调整式两种(国内已有专业厂生产)。粗铰和半精铰时采用可调整式铰刀,利用其尺寸的可调性可适应上道工序加工时孔径尺寸的变化和保证最后精铰时的加工余量。精铰时使用固定式铰刀,以利用其便于修磨、加工出孔尺寸稳定的特点,保证在一定批量的生产条件下产品具有良好的互换性。

用整体烧结法制作的PCD或CBN铰刀

德国August Beck公司开发了用整体烧结法制作的PCD(聚晶金刚石)或CBN铰刀。该方法是把PCD或CBN材料直接烧结在硬质合金铰刀的毛坯上,两者做成一个整体。因为没有复合片的硬质合金衬底,所以减轻了对刀体强度的削弱程度;此外还省去了刀片的焊接过程,从而避免了焊接面对切削性能的影响。PCD主要用于加工非铁金属、纤维增强型合成材料和石墨材料,而CBN则适合于加工铸件和淬硬钢等材料。这种新结构的铰刀用于加工发动机汽缸盖、变速箱、壳、剎车器和减振器等耐磨零部件时,可采用的切削速度是其它刀具材料(如硬质合金)所无法比拟的。(end)

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