鏜削加工基礎(chǔ)知識(shí)

鏜削加工根底學(xué)問(wèn)關(guān)于鏜削加工已有很多技術(shù)文章，其中一些文章寫(xiě)得很不錯(cuò)，但也有一些文章存在明顯的謬誤。為了有效完成這種重要的內(nèi)孔精加工，必需消退有關(guān)鏜削的一些錯(cuò)誤觀念。鏜削是一種用刀具擴(kuò)大孔或其它圓形輪廓的內(nèi)徑車(chē)削工藝，其應(yīng)用范圍一般從半粗加工到精加工，所用刀具通常為單刃鏜刀〔稱(chēng)為鏜桿〕。鏜刀有三個(gè)根本元件：可轉(zhuǎn)位刀片、刀桿和鏜座。鏜座用于夾持刀桿，夾持長(zhǎng)度通常約為刀桿直徑的4〔鏜刀的無(wú)支承局部。懸伸量打算了鏜孔的最大深度，是鏜刀最重要的尺寸。懸伸量過(guò)大會(huì)造成刀桿嚴(yán)峻撓曲，引起振顫，從而破壞工件的外表質(zhì)量，還可能使刀片過(guò)早失效。這些都會(huì)降低加工效率。對(duì)于大多數(shù)加工應(yīng)用，用戶(hù)都應(yīng)中選用靜剛度和動(dòng)剛度盡可能高的鏜刀。靜剛度反映鏜刀承受因切削力而產(chǎn)生撓曲的力氣，動(dòng)剛度則反映鏜刀抑制振動(dòng)的力氣。本文的第一局部主要分析鏜刀的靜剛度。文中資料來(lái)源于作者對(duì)鏜刀撓曲的爭(zhēng)論。鏜刀的撓曲取決于刀桿材料的機(jī)械性能、刀桿直徑和切削條件。切削力作用于鏜刀上的切削力可用一個(gè)旋轉(zhuǎn)測(cè)力計(jì)進(jìn)展測(cè)量。被測(cè)力包括切向力、進(jìn)給力和徑向力。與其它兩個(gè)力相比，切向力的量值最大。切向力垂直作用于刀片的前刀面，并將鏜刀向下推。需要留意，切向力作用于刀片的刀尖四周，而并非作用于刀桿的中心軸線(xiàn)，這一點(diǎn)至關(guān)重要。切向力偏離中心線(xiàn)產(chǎn)生了一個(gè)力臂〔從刀桿中心線(xiàn)到受力點(diǎn)的距離〕，從而形成一個(gè)力矩，它會(huì)引起鏜刀相對(duì)其中心線(xiàn)發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。進(jìn)給力是量值其次大的力，其作用方向平行于刀桿的中心線(xiàn)，因此不會(huì)引起鏜刀的撓曲。徑向力的作用方向垂直于刀桿的中心線(xiàn)，它將鏜刀推離被加工外表。因此，只有切向力和徑向力會(huì)使鏜刀產(chǎn)生撓曲。已沿用了幾十年的一種閱歷算法為：進(jìn)給力和徑向力的大小分別約為切向力的25％和50“最優(yōu)算法”，由于各切削力之間的關(guān)系取決于特定的工件材料及其硬度、切削條件和刀尖圓弧半徑。推舉承受以下公式來(lái)計(jì)算切向力Ft：Ft＝396000×切削深度×進(jìn)給率×功率常數(shù)加工不同工件材料時(shí)鏜刀所受徑向力的計(jì)算公式見(jiàn)表1。1鏜刀徑向力的計(jì)算工件材料－布氏硬度－徑向力計(jì)算公式碳鋼，合金鋼，不銹鋼，工具鋼－80～250－Fr＝0.308×Ft碳鋼，合金鋼，不銹鋼，工具鋼－250～400－Fr＝0.672×Ft球墨鑄鐵，灰鑄鐵－150～300－Fr＝0.331×Ft鏜刀的撓曲鏜刀類(lèi)似于一端固定〔鏜座夾持局部〕、另一端無(wú)支承〔刀桿懸伸〕的懸臂梁，因此可用懸臂梁撓曲計(jì)算公式來(lái)計(jì)算鏜刀的撓曲量：y=(F×L3)/(3E×I)式中：F為合力，L〔〕，E〔即刀桿材料的楊氏模量單位：psi，磅/平方英寸〕，I為刀桿的截面慣性矩〔4〕。鏜刀桿截面慣性矩的計(jì)算公式為：I=(π×D4)/64式中：D為鏜刀桿的外徑〔單位：英寸〕。鏜刀撓曲計(jì)算實(shí)例：AISI1045HB250；切削深度：0.1″，進(jìn)給量：0.008英寸/轉(zhuǎn)；刀桿直徑：1″，刀桿的彈性模量：E＝30×106psi，刀桿的懸伸量：4″。切向力的計(jì)算Ft＝396000×切削深度×進(jìn)給量×功率常數(shù)＝396000×0.1×0.008×0.99＝313.6lbs徑向力的計(jì)算Fr＝0.308×Ft＝0.308×313.6＝96.6lbs合力的計(jì)算F＝328.1lbs截面慣性矩的計(jì)算：I＝(π×D4)/64＝0.0491in.4鏜刀撓曲的計(jì)算y=(F×L3)/(3E×I)=0.0048″分析鏜刀撓曲和截面慣性矩的計(jì)算公式可知，在鏜削加工時(shí)應(yīng)遵循以下原則：鏜刀的懸伸量應(yīng)盡可能小。由于隨著懸伸量的增大，撓曲量也會(huì)隨之增大。例如，當(dāng)1.25倍時(shí)，在刀桿外徑和切削參數(shù)保持不變的狀況下，撓曲量將增大近2倍。鏜刀桿的直徑應(yīng)盡可能大。由于當(dāng)?shù)稐U直徑增大時(shí)，其截面慣性矩也會(huì)增大，撓曲量將會(huì)減小。例如，當(dāng)?shù)稐U直徑增大1.25倍時(shí)，在懸伸量和切削參數(shù)保持不變的狀況下，撓2.5倍。小撓曲量。鏜刀桿的材料鏜刀桿由鋼、鎢基高密度合金或硬質(zhì)合金制成。合金鋼是最常用的刀桿材料，也有一些鏜刀桿制造商承受AISI1144碳高速鋼。無(wú)論何種牌號(hào)的碳鋼和合金鋼，都有一樣的彈性模量：E＝30×106psi。一種常見(jiàn)的誤會(huì)是認(rèn)為承受高硬度或高品質(zhì)鋼制造鏜刀桿可以減小撓曲量。而從撓曲計(jì)算公式可以看出，打算撓曲的變量之一是彈性模量而非硬度。鎢基合金是承受粉末冶金技術(shù)加工制成。鎢、鎳、鐵、銅等高純度金屬粉末是燒結(jié)各種合金的典型元素，其中有些合金可用于制作鏜刀桿和其它刀柄。用于制作鏜刀桿的典型鎢基高密度合金牌號(hào)是K1700〔E=45×106psi〕和K1800〔E=48×106psi〕，用它們制成的鏜刀桿在以一樣切削參數(shù)進(jìn)展鏜削加工時(shí)，其撓曲量可比一樣直徑和懸伸量的鋼制刀桿減小50％～60％。用硬質(zhì)合金制成的鏜刀桿撓曲量格外小，由于其彈性模量比鋼和高密度鎢基合金高得多。制作鏜刀桿的典型硬質(zhì)合金牌號(hào)的碳化鎢含量為90％～9410％～6％，依據(jù)C-E=8210～84106psC-E=851087106ps〕C-3〔E=89×106psi〕系列。鏜刀片的材料及幾何參數(shù)鏜刀片可承受硬質(zhì)合金、陶瓷、金屬陶瓷、PCD、PCBN等不同刀具材料制成。硬質(zhì)合金鏜刀片大多承受PVD或CVD涂層。例如，PVDTiN涂層適于加工高溫合金和奧氏體不銹鋼；PVDTiAlN涂層用途廣泛，適于加工大局部鋼、鈦合金、鑄鐵及有色金屬合金。這兩種涂層都涂覆于具有良好抗熱變形和抗斷續(xù)切削力氣的硬質(zhì)合金基體上。此類(lèi)硬質(zhì)合金基946C-3和C-4ISO標(biāo)準(zhǔn)的K-10～K-20、M-10～M-25及P-10～P-20系列。CVD涂層硬質(zhì)合金牌號(hào)適用于大局部鋼和鑄鐵材料的鏜削加工。CVD涂層是由TiN、Al2O3、TiCN及TiC等多層成分組成的復(fù)合涂層，其中每一層涂層都具有特定功能，不同的涂層組合能抵抗不同的磨損機(jī)制。典型的硬質(zhì)合金牌號(hào)由碳化鎢、碳化鉭及含鈷TiC等多元碳化物組成，屬于行業(yè)編碼規(guī)定中的C-1～C-4、C-5～C-7系列，相當(dāng)于ISO標(biāo)準(zhǔn)中的K-10～K-30、M-10～M-45和P-05～P-45系列。陶瓷刀片牌號(hào)包括氧化鋁〔Al2O3〕基和氮化硅〔Si3N4〕基兩大類(lèi)。氧化鋁基陶瓷刀片又分為未涂層和PVDTiN涂層兩類(lèi)牌號(hào)。未涂層牌號(hào)具有較好的韌性和耐磨性，推舉用于合金鋼、工具鋼和硬度大于HRC60的馬氏體不銹鋼的鏜削加工。涂層牌號(hào)則用于淬硬鋼、鑄鐵〔硬度HRC45或更高〕、鎳基及鈷基合金的精鏜加工。氮化硅基陶瓷刀片包括雙層CVD〔涂層牌號(hào)兼具良好的韌性和刃口耐磨性，推舉用于灰鑄鐵和球墨鑄鐵的鏜削加工。某些未涂層牌號(hào)具有優(yōu)異的抗熱沖擊性及抗斷裂韌性，而另一些牌號(hào)能夠吸取機(jī)械沖擊和保持良好的刃口耐磨性，此類(lèi)牌號(hào)適于高溫合金的鏜削加工。具有高韌性的未涂層牌號(hào)推舉用于灰鑄鐵的粗鏜加工和斷續(xù)鏜削。金屬陶瓷是由陶瓷材料〔鈦基硬質(zhì)合金〕與金屬〔鎳、鈷〕結(jié)合劑組合而成的復(fù)合材料。金屬陶瓷分為涂層牌號(hào)和未涂層牌號(hào)兩類(lèi)。未涂層牌號(hào)硬度較高，具有良好的抗積屑瘤和抗塑性變形力氣，用于光滑度要求較高的合金鋼精鏜加工。多層PVD涂層牌號(hào)〔兩層TiN涂層之間夾一層TiCN涂層〕可用于大局部碳鋼、合金鋼及不銹鋼的高速精鏜和半精鏜加工；用于加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵時(shí)，也可獲得較長(zhǎng)的刀具壽命和良好的外表光滑度。聚晶金剛石〔PCD〕是由金剛石微粉、結(jié)合劑和催化劑在高溫、高壓下制成的超硬材料。PCD刀片是將PCDPCD刀具最有效的用途是加工過(guò)共晶鋁合金〔硅含量超過(guò)12.6％〕PCD刀具的切削刃能長(zhǎng)期保持銳利，超過(guò)了任何其它刀具材料。此外，PCD刀具適用于高速切削。聚晶立方氮化硼〔PCBN〕的硬度僅次于PCD。市場(chǎng)供給的PCBN刀片有多種構(gòu)造型式，如焊接式PCBN刀片〔將或大或小的PCBN刀尖焊接在硬質(zhì)合金刀片上〕、整體PCBN刀片、承受硬質(zhì)合金基體的全加工面PCBN刀片等。PCBN刀片牌號(hào)通常用于淬硬鋼、工具鋼、高速鋼〔HRC45～60〕、灰鑄鐵、冷硬鑄鐵以及粉末冶金材料的精鏜加工。PCBNPCBN刀具在高速加工中可獲得比加工一樣工件的其它類(lèi)型刀具更長(zhǎng)的刀具壽命。用于鋼制鏜刀桿的鏜刀片型號(hào)有：CNMG332、CNMG432和CNMG542；DNMG332和DNMG442；SNMG432；TNMG332和TNMG432；