镗削加工

镗削一、镗床及其发展历史镗削作为作为具有现代意义最早的加工方法伴随着第一台车床镗床的出现而大放异彩。

说起镗床，还先得说说达²芬奇。

这位传奇式的人物，可能就是最早用于金属加工的镗床的设计者。

他设计的镗床是以水力或脚踏板作为动力，镗削的工具紧贴着工件旋转，工件则固定在用起重机带动的移动台上。

1540年，另一位画家画了一幅《火工术》的画，也有同样的镗床图，那时的镗床专门用来对中空铸件进行精加工。

由于制造武器的需要，在15世纪就已经出现了水力驱动的炮筒镗床。

1769年J.瓦特取得实用蒸汽机专利后，汽缸的加工精度就成了蒸汽机的关键问题。

到了17世纪，由于军事上的需要，大炮制造业的发展十分迅速，如何制造出大炮的炮筒成了人们亟需解决的一大难题。

1774年英国人J.威尔金森发明炮筒镗床，威尔金森的镗床是一种能够精密地加工大炮的钻孔机，它是一种空心圆筒形镗杆，两端都安装在轴承上。

次年用于为瓦特蒸汽机加工汽缸体。

1776年他又制造了一台较为精确的汽缸镗床。

1880年前后，在德国开始生产带前后立柱和工作台的卧式镗床。

为适应特大、特重工件的加工，20世纪30年代发展了落地镗床。

随着铣削工作量的增加，50年代出现了落地镗铣床。

20世纪初，由于钟表仪器制造业的发展，需要加工孔距误差较小的设备，在瑞士出现了坐标镗床。

为了提高镗床的定位精度，已广泛采用光学读数头或数字显示装置。

有些镗床还采用数字控制系统实现坐标定位和加工过程自动化。

镗床的主要功能是镗削工件上各种孔和孔系，特别适合于多孔的箱体类零件的加工。

此外，还能加工平面、沟槽等。

镗床的主要工作范围有：在镗床上可以对工件进行钻孔、扩孔和铰孔等一般加工。

能对各种大、中型零件的孔或孔系进行镗削加工。

能利用镗床主轴，安装铣刀盘或其他铣刀，对工件进行铣削加工。

在卧式镗床上，还可以利用平旋盘和其他机床附件，镗削大孔、大端面、槽及进行螺纹等一些特殊的镗削加工。

镗床按外形结构特征，可分为立式、卧式两大类。

立式坐标镗床分为单立柱式和双立柱式；卧式坐标镗床分为纵床身式和横床身式。

坐标镗床主要用以镗削高精度孔和有精确坐标精度的孔。

可进行高精度的铣削加工。

还常用来在样板和精密零件上划线和刻线，以及对精密零件进行测量等工作。

坐标镗床的孔加工坐标定位精度可达0.004~0.01mm，加工面的表面粗糙度值小于Ra0.8μm。

不得不说的是镗削加工的工具，镗刀。

镗刀是镗削刀具的一种，一般是圆柄的，也有较大工件使用方刀杆，最常用的场合就是镗刀内孔加工，扩孔，仿形等。

有一个或两个切削部分、专门用于对已有的孔进行粗加工、半精加工或精加工的刀具。

镗刀可在镗床、车床或铣床上使用。

因装夹方式的不同，部有方柄、莫氏锥柄和7:24锥柄等多种形式。

单刃镗刀切削部分的形状与车刀相似。

为了使孔获得高的尺寸精度，精加工用镗刀的尺寸需要准确地调整。

微调镗刀可以在机床上精确地调节镗孔尺寸，它有一个精密游标刻线的指示盘，指示盘同装有镗刀头的心杆组成一对精密丝杆螺母副机构。

当转动螺母时，装有刀头的心杆即可沿定向键作直线移动，借助游标刻度读数精度可达0.001毫米。

镗刀的尺寸也可在机床外用对刀仪预调。

双刃镗刀有两个分布在中心两侧同时切削的刀齿，由于切削时产生的径向力互相平衡,可加大切削用量,生产效率高。

双刃镗刀按刀片在镗杆上浮动与否分为浮动镗刀和定装镗刀。

浮动镗刀适用于孔的精加工。

它实际上相当于铰刀，能镗削出尺寸精度高和表面光洁的孔，但不能修正孔的直线性偏差。

为了提高重磨次数，浮动镗刀常制成可调结构。

为了适应各种孔径和孔深的需要并减少镗刀的品种规格，人们将镗杆和刀头设计成系列化的基本件──模块。

使用时可根据工件的要求选用适当的模块，拼合成各种镗刀,从而简化了刀具的设计和制造。

二、镗削加工的工艺特点及应用镗床是一种主要用镗刀在工件上加工孔的机床。

通常用于加工尺寸较大，精度要求较高的孔，特别是分布在不同表面上，孔距和位置精度要求较高的孔。

如箱体上的孔，还可以进行铣削，钻孔，扩孔，铰孔等工作。

镗削运动构成:镗刀随镗杆一起转动，形成主切削运动，而工件不动。

用镗刀对已有的孔进行再加工，称为锐孔。

对于直径较大的孔(一般D> 80～100mm)、内成形面或孔内环槽等，锉削是唯一合适的加工方法。

一般锉孔精度达1T8～IT7，表而粗糙度值为0.8～1.6μm。

精细镗时，精度可达IT7～IT6，表面粗糙度Ra值为0.2～0.8μm。

镗孔可以在多种机床上进行。

回转体零件上的孔多在车床上加工，箱体类零件上的孔或孔系(即要求相互平行或垂直的若干几个孔)则常用悼床加工。

镗削是一种用刀具扩大孔或其它圆形轮廓的内径车削工艺，其应用范围一般从半粗加工到精加工，所用刀具通常为单刃镗刀（称为镗杆）。

镗刀有三个基本元件：可转位刀片、刀杆和镗座。

镗座用于夹持刀杆，夹持长度通常约为刀杆直径的4倍。

装有刀片的刀杆从镗座中伸出的长度称为悬伸量（镗刀的无支承部分）。

悬伸量决定了镗孔的最大深度，是镗刀最重要的尺寸。

悬伸量过大会造成刀杆严重挠曲，引起振颤，从而破坏工件的表面质量，还可能使刀片过早失效。

这些都会降低加工效率。

对于大多数加工应用，用户都应该选用静刚度和动刚度尽可能高的镗刀。

静刚度反映镗刀承受因切削力而产生挠曲的能力，动刚度则反映镗刀抑制振动的能力。

作用于镗刀上的切削力可用一个旋转测力计进行测量。

被测力包括切向力、进给力和径向力。

与其它两个力相比，切向力的量值最大。

切向力垂直作用于刀片的前刀面，并将镗刀向下推。

需要注意，切向力作用于刀片的刀尖附近，而并非作用于刀杆的中心轴线，这一点至关重要。

切向力偏离中心线产生了一个力臂（从刀杆中心线到受力点的距离），从而形成一个力矩，它会引起镗刀相对其中心线发生扭转变形。

进给力是量值第二大的力，其作用方向平行于刀杆的中心线，因此不会引起镗刀的挠曲。

径向力的作用方向垂直于刀杆的中心线，它将镗刀推离被加工表面。

因此，只有切向力和径向力会使镗刀产生挠曲。

已沿用了几十年的一种经验算法为：进给力和径向力的大小分别约为切向力的25％和50％。

但如今，人们认为这种比例关系并非“最优算法”，因为各切削力之间的关系取决于特定的工件材料及其硬度、切削条件和刀尖圆弧半径。

推荐采用以下公式来计算切向力Ft：Ft＝396000³切削深度³进给率³功率常数加工不同工件材料时镗刀所受径向力的计算公式见下表。

镗刀径向力的计算工件材料－布氏硬度－径向力计算公式碳钢，合金钢，不锈钢，工具钢－80～250－Fr＝0.308³Ft碳钢，合金钢，不锈钢，工具钢－250～400－Fr＝0.672³Ft球墨铸铁，灰铸铁－150～300－Fr＝0.331³Ft镗刀的挠曲镗刀类似于一端固定（镗座夹持部分）、另一端无支承（刀杆悬伸）的悬臂梁，因此可用悬臂梁挠曲计算公式来计算镗刀的挠曲量：y=(F×L3)/(3E×I)式中：F为合力，L为悬伸量（单位：英寸），E为弹性模量（即刀杆材料的杨氏模量）（单位：psi，磅/平方英寸），I为刀杆的截面惯性矩（单位：英寸4）。

镗刀杆截面惯性矩的计算公式为：I=(π×D4)/64式中：D为镗刀杆的外径（单位：英寸）。

镗刀挠曲计算实例：加工条件：工件材料：AISI 1045碳钢，硬度HB250；切削深度：0.1″，进给量：0.008英寸/转；刀杆直径：1″，刀杆的弹性模量：E＝30³106psi，刀杆的悬伸量：4″。

（1）切向力的计算Ft＝396000³切削深度³进给量³功率常数＝396000³0.1³0.008³0.99＝313.6 lbs（2）径向力的计算Fr＝0.308³Ft＝0.308³313.6＝96.6 lbsnextpage（3）合力的计算F＝328.1 lbs（4）截面惯性矩的计算：I＝(π³D4)/64＝0.0491 in.4（5）镗刀挠曲的计算y=(F³L3)/(3E³I)=0.0048″分析镗刀挠曲和截面惯性矩的计算公式可知，在镗削加工时应遵循以下原则：（1）镗刀的悬伸量应尽可能小。

因为随着悬伸量的增大，挠曲量也会随之增大。

例如，当悬伸量增大1.25倍时，在刀杆外径和切削参数保持不变的情况下，挠曲量将增大近2倍。

（2）镗刀杆的直径应尽可能大。

因为当刀杆直径增大时，其截面惯性矩也会增大，挠曲量将会减小。

例如，当刀杆直径增大1.25倍时，在悬伸量和切削参数保持不变的情况下，挠曲量将减小近2.5倍。

（3）在悬伸量、刀杆外径和切削参数保持不变时，采用高弹性模量材料的镗刀杆可以减小挠曲量。

镗刀杆的材料镗刀杆由钢、钨基高密度合金或硬质合金制成。

合金钢是最常用的刀杆材料，也有一些镗刀杆制造商采用AISI 1144碳高速钢。

无论何种牌号的碳钢和合金钢，都有相同的弹性模量：E＝30³106psi。

一种常见的误解是认为采用高硬度或高品质钢制造镗刀杆可以减小挠曲量。

而从挠曲计算公式可以看出，决定挠曲的变量之一是弹性模量而非硬度。

钨基合金是采用粉末冶金技术加工制成。

钨、镍、铁、铜等高纯度金属粉末是烧结各种合金的典型元素，其中有些合金可用于制作镗刀杆和其它刀柄。

用于制作镗刀杆的典型钨基高密度合金牌号是K1700（E=45³106psi）和K1800（E=48³106psi），用它们制成的镗刀杆在以相同切削参数进行镗削加工时，其挠曲量可比相同直径和悬伸量的钢制刀杆减小50％～60％。

用硬质合金制成的镗刀杆挠曲量非常小，因为其弹性模量比钢和高密度钨基合金高得多。

制作镗刀杆的典型硬质合金牌号的碳化钨含量为90％～94％，钴含量为10％～6％，根据行业编码规定，此类牌号属于C-1（E=82³106～84³106psi）、C-2（E=85³106～87³106psi）或C-3（E=89³106psi）系列。

镗刀片的材料及几何参数镗刀片可采用硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、PCD、PCBN等不同刀具材料制成。

硬质合金镗刀片大多采用PVD或CVD涂层。

例如，PVD TiN涂层适于加工高温合金和奥氏体不锈钢；PVD TiAlN涂层用途广泛，适于加工大部分钢、钛合金、铸铁及有色金属合金。

这两种涂层都涂覆于具有良好抗热变形和抗断续切削能力的硬质合金基体上。

此类硬质合金基体含有约94％的碳化钨和约6％的钴，属于行业编码规定中的C-3和C-4系列，相当于ISO标准的K-10～K-20、M-10～M-25及P-10～P-20系列。

CVD涂层硬质合金牌号适用于大部分钢和铸铁材料的镗削加工。