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摘要：介绍铰刀结构参数及选用原则。分析铰孔过程中存在的加工问题，提出改善措施。 发动机零部件加工中有很多装配精密孔，不仅形位公差要求严，而且表面粗糙度要求高。为了满足图样要求及保证产品质量，很多精密孔的加工均采用铰孔工艺。然而在加工过程中仍然会因为刀具制造以及设备精度等因素的影响，造成诸多加工不良现象。现针对我公司某种机型发动机零部件加工过程中出现的问题，探讨铰孔的质量控制过程。 1. 铰孔加工工艺 铰孔是扩大一个已经存在的孔、用铰刀从工件原有孔壁上切除微量金属层，以提高其尺寸精度和减小其表面粗糙度值。 由于铰刀一般齿数较多（4～12个），导向性好，心部直径大，刀具的刚性好，加工余量小，切削的厚度较薄，因此，加工精度可达IT7～IT9级，表面粗糙度值一般可达Ra=0.4～1.6μm。铰孔为精加工孔常用的手段之一。 直径在100mm以内的孔可采用铰孔。在加工中心上铰孔时，一般采用的工艺为：钻（或扩）孔→铰孔。对于直径＜12mm的孔，由于铰刀本身刚性稍差，因此采用的工艺为：点钻→钻（或扩）孔→铰孔，以保证孔的直线度和同轴度。 2. 铰刀结构参数及选用原则 铰刀种类很多，根据使用方式可分为手用铰刀和机用铰刀。目前设备工艺水平先进，加工效率高， 大多数采用加工中心铰孔。机用铰刀常用材质有高速钢和硬质合金，高速钢铰刀一般为整体式，硬质合金铰刀一般为焊接式。 铰刀由工作部分、颈部和柄部组成（见图1）。工作部分包括切削部分和修光部分，切削部分呈锥形，担负主要的切削工作；修光部分用于校准孔径、修光孔壁和导向。为减小修光部分与已加工孔壁的摩擦，并防止孔径扩大，修光部分的后端应加工成倒锥形状，其倒锥量为（0.005～0.006mm）/100mm。 铰刀主要参数及设计经验介绍如下。 （1）前角γo。由于铰孔余量很小，背吃刀量很小，切屑与前刀面接触长度很短，因此铰刀前角作用不是主要因素。为了便于制造，前角一般取0°～5°。 （2）后角αo。铰刀是定尺寸刀具，为了使铰刀重磨后直径尺寸变化不大，取较小的后角（一般为6°～8°），高速钢铰刀切削部分的刀齿刃磨后应锋利不留刃带，校准部分刀齿则须留有0.05～0.30mm宽的刃带（ba），以起修光和导向作用，也便于铰刀制造和检验。 （3）切削锥角2? 。切削锥角主要影响进给抗力的大小、孔的加工精度和表面粗糙度以及刀具寿命。切削锥角小时进给力小，切入时导向性好，但排屑困难，且加工切入切出时间变长。机用铰刀可取较大的切削锥角。 （4）主偏角κ r。为便于排屑，一般取值15°～45°。 （5）齿数z及齿槽形。齿数选择原则：①铰刀齿数一般为4～12齿。②大直径铰刀取较多齿数。③ 加工韧性材料取较少齿数， 加工脆性材料取较多齿数。④为便于测量，铰刀一般取偶数。总体原则为在保证刀齿强度、容屑空间足够的条件下，选择多的齿数。刀齿在圆周上一般为等齿距分布， 但在某些情况下，为避免铰刀颤振时使刀齿切入的凹痕定向重复加深，也可选用对顶齿间角相等的不等齿距结构（见图2）。 另外，铰刀齿槽形式有直线形、圆弧形和折线形（见图3）：直线形加工简单、容易制造，一般用于d=1～20mm的铰刀；圆弧形具有较大的容屑空间和较好的刀齿强度，一般用于d＞20mm的铰刀；折线形用于硬质合金铰刀，以保证硬质合金刀片有足够的硬刚性支持面刀齿强度。 （ 6 ） 铰刀直径d 及其公差G：铰刀是定尺寸刀具，直径及其公差取决于被加工孔的直径D及其精度IT，同时也要考虑铰刀的使用寿命和制造成本。由于受设备主轴精度以及加工材料的影响，实际加工过程中会出现孔径变大或变小的现象。当孔径变大时，铰刀直径极限尺寸计算公式为 dmax=Dmax－Pmax dmin=Dmax－Pmax－G 当孔径变小时，铰刀直径极限尺寸计算公式为 dmax=Dmax＋Pamin dmin=Dmax＋Pamin－G 式中，dmax为铰刀最大极限尺寸；dmin为铰刀最小极限尺寸；D为孔直径；Pmax为铰孔最大扩张量；Pamin为铰孔最小收缩量。另绘制铰刀直径公差分布图（见图4），其中N为铰刀磨耗备量。 3. 铰孔加工过程出现的不良现象 我公司气缸头摇臂轴孔孔径及形位公差要求较高（见图5），为了满足发动机的整机性能，采取铰孔工艺进行精加工，然而在大批量生产过程中，摇臂轴孔出现了诸多加工异常，无法满足图样要求。通过经验积累以及试验， 改善铰孔工艺， 逐渐解决了生产过程中出现的各种加工问题，保证了产品加工质量。 （1）产生的不良现象。量产过程中最容易出现的不良现象有：孔径超大或孔径变小，形位公差（圆度、圆柱度和平行度）超差，孔内表面粗糙度质量差。量产过程中出现的加工不稳定性容易造成批量质量问题。 （2）不良现象产生的原因分析。铰削过程是一个复杂的切削和挤压摩擦过程，除主切削刃正常的切削作用外，还对工件产生挤刮作用（见图6）。一般铰削加工余量＜0.1mm，铰刀主偏角＜45°，因此铰削时切削厚度很小，约为0.01～0.03mm。 根据铰削原理分析、利用“三现”原则查找原因，得出造成孔径超差的主因有：铰刀制造误差，主轴轴承磨损失效致主轴跳动波动大，铰刀刀长过长致刚性降低，铰刀刃口留有积屑瘤，铰刀主偏角设计角度没有考虑到所加工材料的特性，切削速度、进给量不合理以及铰刀刃磨不彻底等；形位公差超差的主因有：工艺安排不合理、切削余量不合理、铰刀刚性不够、主轴精度差以及夹具夹紧变形等；孔内表面粗糙度质量差的主因有：铰削速度过快、铰削余量不合理、进给量过大、刀具不锋利、刀具刃带表面粗糙度质量差、刀具粘屑以及切削液使用不合理等。综上所述，影响铰削加工的因素很多，并且机械加工不是单一的影响要素，各要素之间互相影响。 4. 改善措施 针对以上影响铰孔质量的原因分析，结合实际工作中的经验，提出以下改善措施： （1）根据铰刀直径计算公式，对实际加工材料特性进行分析，可适当对铰刀直径公差进行调整，以保证孔径合格。 （2）检查机床主轴跳动及刚性、拉刀拉力大小，可改善产品加工质量。 （3）在保证刀具不干涉工件及夹具条件下，尽可能缩短刀长，以提高刀具刚性，另外刀柄可选择液压刀柄。 （4）选择合理的切削速度及进给量。由于铰孔是转动过程切削，一般铰孔进给量稍微偏大，目的是使铰刀切削材料而不是摩擦，进给量过小会导致径向摩擦力增大，铰刀会迅速磨损引起铰刀颤动，使孔的表面粗糙度质量变差。若孔径偏大，可适当降低切削速度，增加进给量；若孔径偏小，可适当提高切削速度，减少进给量。 （5）铰刀设计参数的选择。如针对加工铝合金等塑性稍好的材质，可减小主偏角κ r来保证孔径；若表面质量不好，可适当增大主偏角、减小后角或扩大容屑槽，以便排屑。 （6）加工余量的控制。余量过大，会因切削热多而导致铰刀直径增大、孔径扩大；余量过小，会留下底孔的刀痕，使表面粗糙度达不到要求，粗铰一般余量0.15～0.35mm，精铰余量一般为0.05～0.15mm，有一种经验建议留出铰刀直径1%～3%大小的厚度作为铰削余量（直径值）。 （7）工序的合理性。由于铰孔不能校正孔轴线的位置度误差，孔的位置公差应由前工步保证， 因此要选择合理的工艺路线。对于孔径较小的孔，应增加中心钻，确保钻孔过程不发生倾斜。 （8）选择合适的冷却、润滑液。由于铰孔主要是刀具与孔壁成挤压切削，切削碎片易留在刀槽或黏在刀刃上，影响加工质量，因此加工过程选用润滑性良好的高浓度极压乳化液或切削油，可以起到良好的润滑、冷却作用。 由于加工的材料不同， 产生的问题以及解决方法也各有差异，但铰孔过程存在的问题及解决思路基本类似。 5. 结语 随着人们对使用产品的要求越来越高，加工水平也需与时俱进。作为机械加工常用的手段，铰孔工艺既有优势，也有劣势，如何保证加工的稳定性和高效性，在实践与创新的道路上任重道远。 |
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