孔加工（钻、镗、铰孔）复合刀具

摘要：本文介绍了运用钻头、镗刀和铰刀的特点设计成复合刀具，在Z525型钻床上加工出精度要求高、直径为Φ40毫米的孔，提高了效率，降低了成本，创造了效益。

关键词：设计；孔加工；刀具

[前言]对零件的内孔进行加工的工作，在机械厂、金工车间（特别是钳工和车工工种）是家常便饭，也是不可或缺的事情，而不同零件的结构特点和加工要求性质以及现有设备的限制，那么所采取的工艺方法，所选择的工种工人及其技能水平和刀具特点效能的发挥作用，都直接影响到零件的加工质量（加工精度）和生产的成本（生产效益）。

钳工工种进行孔加工的过程简单，可达较高的加工精度，但是要使加工出来的孔其形位精度和表面粗糙度均较高时，体现出钳工加工孔的难度和成效性就很明显，若有精良的设备、刀具和技艺精湛的操作工人那是不费吹灰之力，轻而易举就能满足加工要求（确保高精度孔加工的要求），但是在通常的加工环境（条件），是不可能十全十美、应有尽有（包括设备、刀具和技艺精湛的操作工人），如标准刀具尺寸不符，设备技术参数规格不符合等，给加工带来的困难，用常用的方法就难于完成零件内孔的加工（勉为其难），但是就有限的资源（条件），也要完成产品的加工且要确保其加工质量，那么只有针对现状，考虑经济性改进不符的因素来满足加工的条件（要求），才能使困难迎刃而解。

我加工了一批箱体（WS120型蜗杆减速器）的内孔， 该孔的精度要求较高， ， Ra =1.6μm，由于此孔的孔径和精度要求校高，通常用的加工手段有两种方法：方法一，先用钻头钻出孔（粗加工）后，留出精加工余量，再由技术水平较高的工人师傅直接镗出内孔达到精度要求；方法二，先对工件钻孔→扩孔→粗铰（留0.1～0.2mm的铰削余量）→精铰，来保证孔的质量。两种方法的优劣势各有不同，方法一中，其操作过程简单，加工出的孔，其直线度较好，刀具消耗低，但是对镗孔工序的工人技能要求较高（在普通机床上加工并非数控机床设备上加工时），而且较容易产生废品，工作效率也低；而方法二加工出来的孔径取决于铰刀的精度、尺寸相对稳定，对操作工人的技能水平要求也相对不很高，但是加工出来的孔其表面粗糙度低，孔的直线度较差，铰刀的消耗也很大，效率非常低，只适宜单件生产，不适合批量生产，若能综合两种加工方法的优点，既保证零件的加工精度，工人技能要求也不需很高，且又能降低生产成本,提高效率的加工方法（措施）。那么就这批产品的生产特点（批量）和当时工厂的生产条件（设备非常欠缺，只有一台Z525型钻床）及采取常规的加工方法，进行生产的难度较大且效率较低的问题就可得到很好的改善。因此，通过查找资料、借鉴工艺、设计出一款将钻孔、镗孔、铰孔容为一体的专用复合刀具。如图1所示：

⒈刀具设计的构思

⑴就应工厂现有的加工条件，完成产品加工，保证质量和提高效率及降低成本

  图1 复合刀具实体结构示意图

⑵为减少装拆刀具的时间，从钻孔、扩孔（或镗孔），到最后的铰孔，一次性安装刀具完成三道工序（孔的粗加工、半精加工和精加工），即将钻头和扩孔钻（或镗刀）及铰刀三种刀具共用一刀体结构。

⑶为减少刀具刃磨的辅助时间和提高刀具的耐用度，减少刀具消耗，降低生产成本，分别对钻孔、镗孔和铰孔用刀具的切削部分针对各自加工特点（切削条件）而采用不同材质型号特点的硬质合金刀片。

⒉刀体结构原理设计

根据钻头加工内孔钻削效率高的特点，刀头部分用一块材料为YG8 E225型合金刀片镶嵌（铜焊）在刀杆一端而成为钻头部分，完成粗加工（钻孔）工序，但是加工出的孔其表面粗糙度和孔经直线度都较差，尺寸精度不高等缺陷，将具有修正孔径直线度，稳定孔径尺寸的镗刀部分，放在合金钻头后，将钻削出的孔进行镗削加工（由于镗削余量较大，分单刀三级镗削），利用镗孔的优点来保证加工出的孔径直线度和稳定孔径尺寸，完成半精加工工序（包括粗镗、半精镗），为铰孔工序做好准备工作（提高表面粗糙度和使铰削余量均匀合理），铰孔的铰刀部分放在复合刀具体切削部分的最后来完成最后的精加工，保证孔的精度（孔的形位精度和表面粗糙度）、刀具体夹持部分制成莫氏3号锥柄。为了容易排屑和刀具不同时参与切削（减轻切削力），每一刀具的切削部分的起始点在轴向间隔大于或等于25 毫米（大于孔深），其中钻与第一级镗之间大于25 毫米（因钻孔的铁屑多），同时也增大了容屑空间，使排屑顺畅，避免前后刀面切下的切屑互相干扰和阻塞，致使刀具崩刃及影响孔的质量。

⒊钻、镗、铰孔切削部分合金刀片材料的选择

根据加工材料（灰口铸铁）的性质，生产特点（批量），切削特点来选择合适的刀具材料（钻、镗、铰削的机床转速，进给量相同时）。

⑴ 钻削（刀头）刀具部分，由于是粗加工，切削深度较大，刀具承受的切削力较大，切削速度不很高（照顾铰孔部分的特点），同时材料的组织不均匀（有砂眼、气穴的可能），再加上合金刀片的刃口在切削加工铸铁行程中欠锋利，挤刮现象较严重，所以选用强度较高，抗冲击性和抗振性能及耐磨性均较好的钨钴类硬质合金（材料牌号为YG8 E225型焊接合金）

⑵ 镗孔刀具部分，由于孔径比钻孔尺寸略大，根据V=（πDn）/1000，刀刃处切削速度会高于钻孔刀具部分，切削深度比钻孔的切削深度较小，切削过程相对稳定些，为了提高刀具的耐用度，选用硬度，耐磨性及耐热性均较好，且不用重磨切削角度可转位的钨钴类硬质合金机夹刀片（材料牌号为YG6，型号为31005V）。

⑶ 铰孔刀具部分，由于是稳定尺寸部分刀刃处的切削速度相对钻削和镗削时均更高，切削深度（铰孔余量）较小，所以要求耐磨性和耐热性也要相对钻削和镗削时更高，才能提高刀具的耐用度，从而保证尺寸精度，因而选择钨钴类硬质合金（材料牌号为YG3）。

⒋刀具切削部参数设定

刀具切削部分的切削角度和刃宽参数对刀具的使用寿命（耐用度）和加工的难易程度及加工的精度均起着至关重要的作用，也直接影响到加工成本、加工效率，所以刀具每部分的切削参数应合理选择。

图2 合金钻头部分示意图

钻削部分（如图2所示 ），刀片厚度为4.5mm，保证钻头的钻心强度，锋角取116°比标准麻花钻锋角小，目的是减小主偏角，从而减少轴向抗力和振动，内刃斜角约15°，内刃前角取-15°，横刃长度留2.5毫米来提高钻孔的稳定性，同时提高刀具的耐磨性，前角取γ取6°，后角α取18°，目的是为了容纳切屑的空间较大，以防碎沫状切屑堵塞压迫，造成崩刃），同样也是为了增大容纳切屑的空间，减少钻头与孔壁的磨擦，而同时又要保证副切削刃的强度，所以取副后角为8°和副切削刃带宽为0.25～0.3mm。

镗削刀具部分，采用型号为31005V的YG6不重磨刀片，角度参数（如图3所示 ）。

图3 镗孔用刀片示意图

铰削刀具部分，引导前锥取45°轴向长3毫米，便于切入已有孔，另为提高铰削的稳定性，切削锥角（2倍的主偏角）取3°～5°，轴向长3毫米，为提高刀具的耐用度和表面粗糙度及尺寸精度，引导部分与切削部分采用R1过渡，切削部分与校准部分采用R0.5过渡；因铰削余量很小，切屑很薄，切屑与前刀面接触很短，前角作用不大，为制造方便，前角取0°；引导部分和切削部分及校准部分的后角均取8°，引导部分和切削部分不留刃带，校准（修光）部分留0.3mm的刃带宽，以保证修光刃的强度又减少刃带与孔壁的磨擦，达到良好的导向和修光作，同时也便于铰刀制造和检验，刃倾角取-8°（相当于左向螺旋铰刀），为使铰刀工作平稳，提高加工表面质量，切削时切屑顺利从铰刀前方排出（向下），可避免切屑划伤孔壁，并或减少孔的扩张量。

⒌刀具的制造

此复合刀具的精度直接影响到加工孔的质量（形位精度和表面粗糙度），要充分发挥此复合刀具的效能，就必须要保证刀具本身的精度。因而必须对刀具本身拟定切实可行的加工工艺及刀体材料的选择（要有良好的加工工艺性和综合的机械性能，所以刀体选用45钢（棒料），根据刀体要获得良好的综合机械性能（足够的强度和高韧性相配合），确保刀体尺寸稳定，大体上加工工艺为：粗车刀体→刀体进行调质处理→修磨两端中心孔→精车刀体→铣刀柄→磨刀体锥柄（为了使刀柄与机床主轴配合更好、更精确），最好配磨锥柄，采用涂抹红丹的检验方法保证锥柄与锥孔的接触面积不小于80%以上的面积→铣镶嵌硬质合金刀片的槽位→手工铆定合金刀片→铜焊铰刀部分的硬质合金刀片→修磨硬质合金刀具的切削角（在工具磨床上根据各图所示切削角度刃磨）→研磨刀具→铜焊钻头部分硬质合金刀片→修磨钻头部分硬质合金刀片的切削角度。

⒍切削用量的选择及完成每一孔的纯切削加工时间

⑴ 钻、镗、铰所用机床主轴不停（转速相同）的情况下，选择切削用量。

①  切削深度（ap ）由刀具制造后即定ap钻 =12.5,  ap镗1 =3 , ap镗2 =3 , ap镗3 =1.4 , ap铰 =0.1。

② 进给量（f），考虑机床动力，进给机构强度，刀具强度，f按钻孔时选择f=0.10mm/r。

③ 切削速度（v）考虑刀具的寿命（耐用度），加工孔的质量，v按铰孔时选择8～10m/mm（n=64～79r/min）,选Z525型钻床最低转速97r/min。

④ 完成每一孔所需的纯切削加工时间（t）

t=153mm÷97r/min×0.1mm/r=16（min）

其中153mm为刀具加工完孔所需的行程

⑵ 钻、镗、铰三部分独立按各自加工特点，刀具特点来选择切削用量（完成钻或镗后均停机待变速后再进行下一工序）。

① 切削深度（ap）由刀具制造决定是不变ap钻 =12.5，ap镗1 =3，ap镗2 =3，ap镗3 =1.4，ap铰 =0.1。

② 进给量（f）的选择

  f钻 =0.10mm/r，f镗 =0.20mm/r，f铰 =0.40mm/r。

③ 切削速度（v）的选择：

v钻 =18m/mm   n= （取钻床转速n=272r/min）

v镗 =15m/mm   n= （取钻床转速n=140r/min）

v铰 =10m/mm   n= （取钻床最低转速n=97r/min）

④ 完成每一孔所需的纯切削加工时间（t）

t钻 =28mm÷(272r/min×0.1mm/r)=1(min)

t镗 =(28mm×3＋25mm)÷(140r/min×0.2mm/r)=4(min)

t铰 =28mm÷（97r/min×0.4mm/r）=1（min）

t= t钻 ＋t镗 ＋t铰 =6（min）

其中28mm分别为刀具钻孔和铰孔所需的行程

(28mm×3＋25mm)为刀具镗孔所需的行程

⒎钻、镗、铰复合刀具的优点

⑴ 能在最大钻孔直径为φ25钻床（Z525型）上加工出φ40的孔。

⑵ 批量生产成本较低，刀具损耗较小，镗孔处刀具钝后可转位无需刃磨，可集中工序，减少工位和机床数量及刀具数量，对工人技术要求较低。

⑶ 生产率高。减少了换刀和对刀及磨刀等辅助加工时间，批量生产中能大大提高生产效率（若钻头部分有机夹可转位合金刀片效果更佳）。

⑷ 加工精度高，多次加工的基准不变（同轴心线），能保证每次加工的表面之间较高的位置精度，同时能保证较高的孔径尺寸精度，孔壁的直线度和孔壁的表面粗糙度。

(5) 适用范围广，可在结构和刀片材料上进行改造，实现可调径镗孔和在不同机床上加工不同材料的种类孔（台阶孔、锪孔等）。