铰刀设计原则及铰孔失效模式分析

铰刀设计原则及铰孔失效模式分析

在机械加工中，铰孔是用铰刀从工件切除微量金属层，以提高孔的尺寸精度和表面质量的加工方法，是普遍应用的孔的精加工方法之一。因为铰刀的齿数较多，导向性能好，心部的直径大，刀具的刚性好，加工余量小，可以获得IT9-IT7级直径尺寸精度，内孔表面粗糙度可控制在Ra1.6~0.8mm之间甚至更好。下面简述一下铰刀的基础知识:

一、铰刀直径及公差的确定原则：

在铰孔加工中，铰刀的直径与公差直接影响到被加工孔的尺寸精度、铰刀的制造成本与使用寿命。确定铰刀的直径公差应考虑被加工孔的公差Δ、铰孔时的扩张量P或收缩量P1、铰刀使用所需的磨损备磨量H和铰刀本身的制造公差G，见下图所示。

以上计算方法可为按被加工孔的尺寸精度来设计或研磨铰刀提供参考。为满足工艺要求，一般要先试铰，根据试铰情况来修正计算出的公差带，再确定铰刀实际尺寸及公差，投入使用。

但铰孔时还受机床主轴径向跳动、铰刀的安装偏差、铰刀各刀齿的径向跳动、冷却液、切削用量等因素的影响，使铰出孔的直径往往会“扩张”现象,此时铰刀的直径按下式确定: domax=dwmax-Pmax (1)； domin=dwmax-Pmax-G （2）；dof=dwmin-Pmin (3).

公式中 do---铰刀直径(mm)； dw---工件孔径(mm) ； dof---铰刀报废尺寸（mm）； P---铰刀扩张量，一般选取0.003～0.02mm；G---铰刀的制造公差。

在铰削时，也会发生铰出的孔径小于铰刀校准部分实际直径，即产生孔的“收缩”现象，

例如用很小的切削锥的铰刀加工薄壁的韧性材料或用硬质合金铰刀高速铰孔时，铰后孔因弹性恢复而缩小。此时铰刀直径应按下式确定：

domax=dwmax+P1min (4)； domin=dwmax-G （5）；dof=dwmin+P1max (6).

公式中P1---孔径收缩量，一般选取0.005～0.02mm。

铰刀磨损储备量H按下式确定：

铰孔后有扩张时 H=domin-dof=domin-dwmin-Pmin (7)；

铰孔后有收缩时 H=domin-dof=domin-dwmin-P1max (8)。

二、影响铰刀铰孔质量的主要因素：

（一）铰刀几何参数。铰孔质量的好坏取决于铰刀本身的精度和表面粗糙度。因此，铰刀几何参数的合理选择，决定了被铰孔加工质量的好坏。

1--是铰刀直径。它是根据被加工孔的公称尺寸和公差以及在铰削过程中被加工孔的扩张量或收缩量决定的。

2--是铰刀的齿数。一般，铰刀的齿数愈多，铰孔的精度就越高，表面粗糙度值就越低，同时，分布在每个切削刃上的负荷也就小，有利于减少铰刀的磨损。但齿数增多后却降低了刀齿强度，减小了容屑槽。在切削时，切屑就不容易排出。特别是铰深孔和切削余量大时，因容屑槽被切屑堵塞，切削液流不进去，致使铰刀和工件因产生热量而变形，影响加工质量。铰刀的齿数一般都选用偶数。

3--是切削锥角。它主要是根据不同的加工材料和铰刀的类型来加以选择。

4--是前角。由于铰削的余量较小，切削仅在刀尖处进行，与刀齿的前倾面很少接触，故前角可以为零，但在铰削塑性较大的材料时，为避免切屑粘滞在刀刃上，前角应取大一些。

5--是后角。铰刀的后角大，虽然可以提高切削刃的锐利程度，却降低了刀齿强度，在切削过程中容易产生震动和磨损，铰刀直径也随之减小，使铰孔直径达不到要求。

6--是刃带宽度。它主要是引导铰刀方向和光整孔壁，同时也为了便于测量铰刀的直径。

铰刀的齿数越多刃带的积累宽度也大。因此有利于孔壁降低表面粗糙度值，铰刀的直径也不容易变小。但铰刀刃带较宽或积累宽度值过大时，会增加摩擦力矩和切削热，对孔壁的挤压比较严重，容易将孔径涨大，一般选择铰刀的刃带不超过0.25mm。

7--是铰刀的倒锥量。磨倒锥量是为了避免铰刀校准部分后面摩擦孔壁。

（二）铰削用量。对铰孔而言，铰削用量是很重要的。它对铰削过程中的摩擦切削力，

切削热以及切屑瘤的形成和加工精度、表面粗糙度都有极大的影响，因此一定要合理加以选择使用。

1--是铰削余量。铰削余量不宜留得太大或太小。因为铰削余量留得太小，铰削时不易校正上道工序残留的变形和去掉表面残留的缺陷，使铰孔质量达不到要求。若所留的铰削余量太大，势必加大每一个刀齿的切削负荷，破坏了铰削过程中的稳定性，且增加了切削热，使铰刀的直径胀大，孔径也随之扩张，切屑的形成必然呈撕裂状态，造成加工表面粗糙。

2--是机铰的切削速度和进给量。铰削速度和进给量要根据加工材料合理选择。进给量不能选得太小，太小时切削厚度可能小于切削刀齿的小圆半径。铰削余量、切削速度、进给量这三个要素是相互影响，当铰削余量较大时，切削速度，进给量就不能选得过高；反之，如果切削速度和进给量选取较小值时，则可适当提高切削速度。

当然，为了更好地控制铰孔加工质量，除了铰刀几何参数及铰削用量外，可在铰削过程中，采用合理的切削液来排屑和冷却。

三、铰孔失效模式分析及解决措施：

当然，在日常生产中出现加工质量问题是很难全面控制和预防的，只有从“人、机、料、法、环、测”全方位分析，找出问题的根本原因，一定会逐步解决。