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铰刀/拉刀/切齿刀具 |
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机械零件中孔系加工工艺 |
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孔作为机械零件上最常见和最常用的特征，起着不同的作用和用途，有定位孔、基准孔、装配孔、工艺孔等等，孔的精度和要求也大不一样，在先进的数控设备应用的同时，孔的传统加工工艺势必受到极大的冲击，孔加工的方式、工艺、刀具等也随之而变，以铣代钻、以铣代铰、以铣代镗也应用而生，在提高产品加工的质量和生产效率的同时，应不断探索孔的加工工艺，寻找新的加工方法，不断提升制造水平。本文是笔者在总结自身对孔加工经验的基础上，试图以此为例，分析和发现孔加工的一般性规律，文章从钻孔、铰孔、镗孔、铣孔的工艺出发，剖析各工艺过程的利弊，意在探索高质量高精度加工的工艺过程，找出浅显可行的技术分析方法。
孔是机械零件上极为常见的特征，在许多类零件上都带有孔。据其使用特性及作用不同，加工时的尺寸精度及表面质量大不一样，然随着三轴联动数控铣床及加工中心的不断应用，孔的加工工艺也发生着重大的变化，孔的加工不再以钻削加工为主了，取而代之的是工艺集中的复合加工工艺，既便如此，也不能说一个高精度要求的孔的加工工艺是固定一尘不变的。北京机床研究所副总工艺师金福吉一针见血地指出：“我国孔加工的工艺跟质量落后发达国家30年一点也不为过，究其原因，就在于孔的加工工艺的落后。”实际上，孔的加工是刀具在工件内部进行，切屑的排除、散热、观察都比较困难，孔的大小又限制了刀具的大小，孔的精度也限制了刀具的精度等级，测量内孔的尺寸又不方便。由此可见，在传统孔加工工艺的基础上，急需新的孔加工工艺，这些均要求加工人员要重视孔的加工工艺和各种特点。
一、钻削加工
1.所用刀具
刀具有普通麻花钻、可转位浅孔钻、扁钻等。在加工中心上钻孔，大多数采用普通麻花钻。麻花钻有高速钢和硬质合金两种。麻花钻的组成，它主要由工作部分和柄部组成。工作部分包括切削部分和导向部分。
麻花钻的切削部分有两个主切削刃、两个副切削刃和一个横刃。两个螺旋槽是切削流经的表面，为前刀面;与工件过渡表面(即孔底)相对的端部两曲面为主后刀面;与工件已加工表面(即孔壁)相对的两条刃带为副后刀面。前刀面与主后刀面的交线为主切削刃，前刀面与副后刀面的交线为副切削刃，两个主后刀面的交线为横刃。横刃与主切削刃在断面上投影间的夹角称为横刃斜角，横刃斜角Ψ=50°—55°;主切削刃上各点的前角、后角是变化的，外缘处前角约30°，钻心处前角接近0°，甚至是负值;两条主切削刃在与其平行的平面内的投影之间的夹角为顶角，标准麻花钻的顶角2ψ=118°。
麻花钻导向部分其导向、修光、排屑和输送切削液作用，也是切削部分的后备。
根据柄部不同，麻花钻有莫氏锥柄和圆柱柄两种。直径为8—80mm的麻花钻多为莫氏锥柄，可直接装在带有莫氏锥孔的刀柄内，刀具长度不能调节。直径0.1—20mm的麻花钻多为圆柱柄，可装在钻夹头刀柄上。中等尺寸麻花钻两种形式均可选用。
2.工艺特性
钻削为孔加工中必不可少的粗加工阶段，该阶段主要考虑的是材料的去除，这一过程主要靠机床主轴的轴向应力进行切削的，所以说切屑是挤出来的，因此，以钻为主的粗加工就会有切屑缠绕与孔内壁处变形大这一结果，在这一过程中重点考虑的是解决钻尖的冷却与切屑的缠绕，也就是说，以钻为主的加工考虑的就是效率，而对孔而言，无法保证孔的加工质量，即便是用钻头自小而大扩孔，亦不能解决挤压造成的变形问题。可以这么说用钻头以钻削加工为主，仅用于粗加工和半精加工阶段，不允许用此工序完成一个孔的精加工。这一阶段钻头的选用一般都要小于孔的尺寸，一旦选用和孔尺寸一致大小的钻头，该孔的加工势必报废。
二、铰削加工
1.所用刀具
机用铰刀。通用标准机用铰刀。
铰刀工作部分包括切削部分与校准部分。切削部分为锥形，担负主要切削工作。切削部分的主偏角为5°—15°，前角一般为0°，后角一般为5°—8°。校准部分的作用是校正孔径、修光孔壁和导向。为此，这一部分带有很窄的刃带(γo=0°，αo=0°)。校准部分包括圆柱部分和倒锥部分。圆柱部分保证铰刀直径和便于测量，倒锥部分可减少铰刀与孔壁的摩擦和减少孔径扩大量。
标准铰刀有4—12齿。铰刀的齿数除了与铰刀直径有关外，主要根据加工精度的要求选择。齿数对家工表面粗早读的影响并不大。齿数过多，刀具的制造重磨都比较麻烦，而且会因齿间容屑槽减少，而造成切屑堵塞和划伤孔壁以致使铰刀折断的后果。齿数过少，则铰削时稳定性差，刀齿的切削负荷增大，且容易产生几何形状误差。铰刀齿数可参照下表选择。铰刀齿数选择表
 2.工艺特性
为提高孔的表面质量，获得较低的粗糙度值，铰削加工是必不可少的。受刀具特性的影响，在该工序中，铰削余量一定要小，不然，损坏铰刀且不说，甚至于会影响孔的最终尺寸和形状。铰削加工对孔的内壁起了修光作用，尺寸精度全部取决于铰刀的精度，铰H7的孔必须用H7的铰刀，铰H6的孔必须用H6的铰刀。尽管如此，铰削有一重大的缺陷，就是该工艺过程不能纠正孔的垂直度，“底孔正，孔铰正;底孔斜，孔铰斜。”显然，通过刀具的精度仅能保证孔的尺寸精度，但不能保证孔的位置精度。由此看来，若用此工序进行精加工，须提前解决好孔的垂直度。
三、镗削加工
1.所用刀具
镗孔所用刀具为镗刀。镗刀种类很多，按切削刃数量可分为单刃镗刀和双刃镗刀。镗削通孔、阶梯孔和不通孔可选用单刃镗刀。
单刃镗刀头结构类似车刀，用螺钉装夹在镗杆上。螺钉1用于调整尺寸，螺钉2起锁紧作用。
单刃镗刀刚性差，切削时易引起振动，所以镗刀的主偏角选的较大，以减小径向力。镗铸铁或精镗孔时，一般取κr=90°;粗镗钢件孔时，取κr=60°—75°，以提高刀具的寿命。
所镗孔径的大小要靠调整刀具的悬伸长度来保证，调整麻烦，效率低，只能用于单件小批量生产。但单刃镗刀结构简单，适用性广，粗、精加工都适用。
2.工艺特性
从刀具结构特点来看，镗孔过程仅仅是一个点切削，故切削力对刀具的磨损特大，所以说加工余量一定要小，不然极易损坏刀具，切削过程也要缓慢，不然孔的表面质量不高，粗糙度值增大。尽管如此，该过程有最大的一个有点，就是他能纠正孔的垂直度和圆度，以为它是围绕轴线旋转的点切削，在点切削带来优越性的同时，也带来了不容忽视的缺陷，即退刀过程中刀尖对孔内壁质量的影响，因此说，在使用这一工艺过程时，重点考虑的是如何进刀、如何退刀的问题。常见的有镗定后退刀、停刀、抬刀。有时用于手动方式抬刀等等。
四、铣削加工——以铣代铰，以铣代镗
1.所用刀具及刀具介绍
所用刀具是立铣刀。立铣刀是数控机床上用得最多的一种铣刀，其结构。立铣刀的圆柱表面和端面上都有切削刃，周刃和端刃可同时进行切削，也可单独进行切削。
立铣刀圆柱表面的切削刃为主切削刃，断面上的切削刃为副切削刃。主切削刃一般为螺旋齿，这样可以增加切削平稳性，提高加工精度。由于普通立铣刀端面中心处无切削刃，所以立铣刀不能做轴向进给，端面刃主要用来加工侧面相垂直的底平面。
为了改善切屑卷曲情况，增大容屑空间，防止切屑堵塞，刀齿数较少，容屑槽圆弧半径则较大。一般粗齿立铣刀齿数为3—4齿，细齿立铣刀齿数为5—8齿，套式结构为10—20齿，容屑槽圆弧半径r=2—5mm。当立铣刀直径较大时，还可制成不等齿距结构，以增强抗震作用，使切削过程平稳。
2.工艺概述
前面几种孔的加工工艺，实质上均是机床的一个点位控制，机床仅控制动作过程，并不控制精度，而精度全部体现在所用的刀具上，刀具的精度不上去，再好的数控机床亦不能加工出高精度、高质量的孔，再者，使用刀具颇多，给换刀带来不便。这些均是上述几种加工过程的不足之处，而用立铣刀铣孔，就能弥补上述加工的缺陷，完全可以实现以铣代铰、以铣代镗，用通用性好的立铣刀，完成一个高精度要求的孔的加工，充分发挥了数控系统的功能，精度用程序来控制，这正是当前数控应用的一个新课题，就是充分利用数控设备，结合数控程序，简化工艺过程优化加工工序，发挥数控设备的优势。
如要完成以铣代铰、以铣代镗，需要编螺旋线加工程序，控制立铣刀走螺旋线轨迹，实现两轴半及三轴联动的控制，完成一个高质量高精度要求的孔加工。
以上几种孔加工工艺，均有优缺点，然一个高质量孔的加工完成，并没有一个固定的过程，也非传统意义上孤立的钻、铰、镗、铣，有时可能需要将这些过程复合性地柔和在一起使用，有时可能需利用现有的条件，局部狭义地运用某一工艺，说到底，工艺也是为质量服务的。在实践中，在提高零件质量的基础上，应注意提高效率。我们也渴望有更好的孔加工方式和孔加工工艺，从而在数控机床装备机械制造业的同时，在真正意义上提升加工的产品质量和效益，使其发挥更大的效能，更好地为我国的经济发展服务。
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(9/3/2011) |
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