高速铰削淬火钢精密小孔的工艺研究

雷鸿春 余葭颖

(①西安思源学院，陕西 西安 710038;②北方特种能源集团有限公司西安庆华公司，陕西 西安 710025)

淬火钢是指金属经过淬火后，组织为马氏体，硬度高于HRC50 的钢。它在难切削材料中占有相当大的比重。精密孔一般是指精度在H7 级以上，表面粗糙度Ra值在1.6 μm 以下的孔。淬火钢的传统加工方法是研磨或磨削。手工研磨内孔，一致性不好，效率低;磨削加工不仅效率低，而且磨小孔用砂轮刚度差，线速度低，表面粗糙度经常达不到设计要求。若用普通的硬质合金机用铰刀加工淬火钢精密小孔，生产效率虽然可以提高，但工件的尺寸精度和表面粗糙度难以保证，铰刀切削刃也极易磨损。

本研究针对两种套类零件精密小孔的加工，通过改进硬质合金机用铰刀的结构、选择合理的切削用量和切削液等，以试验的方法确定合理的工艺参数，在保证加工质量的前提下，提高加工效率和刀具耐用度。

1 高速铰削用铰刀结构、几何参数

待加工两种套类零件如图1 所示，内孔表面粗糙度均为Ra1.6 μm，材料为65Si2WA，热处理52～60HRC。

高速铰削用铰刀采用硬质合金机用铰刀，结构采用镶片式，硬质合金刀片牌号为YW1。

铰刀结构与一般铰刀类似［1］。

1.1 铰刀的几何角度

小直径硬质合金铰刀的齿数取4 齿，切削锥角15°，切削部分和校准部分的前角为0°，切削部分后角为8°，校准部分的后角为12°，校准部分的刃带宽度0.2 mm，切削部分与校准部分的交接处圆滑过渡［2］。

1.2 校准部分长度

一般铰刀校准部分偏长，由于机床的摆动，刀具本身的弯曲等会划伤已加工表面，经多次试验，校准部分长度取3 mm，效果较好，使用稳定。

1.3 铰刀外圆表面粗糙度

铰刀的校准部位起校准和压光作用，只有挤压才能使内孔表面获得理想的表面粗糙度，因此，铰刀外圆表面粗糙度Ra≤0.2 μm。

1.4 铰刀外径及偏差

高速铰孔的主要特征是强制切削及挤压。因而使孔铰削后有一定的收缩量，其变化规律与加工条件、材料强度、切削用量、工件形状、装夹方式、冷却润滑等都有一定关系，通常是加工余量大，工件壁薄，其收缩量偏大，反之偏小。一般在0.003～0.008 mm 之间。如本例加工零件的公差都是0.03 mm，但由于工件壁厚不同，收缩量也不同。经多次实验，实际铰刀外径及偏差确定为:铰削mm 内孔的铰刀外径为mm。铰削mm 内孔的铰刀外径为mm。

改进后的铰刀如图2 所示。

2 切削用量的确定

淬火钢硬度高、强度高，切削力大，刀刃易崩碎、磨损;切削温度高，导热系数低，更加剧了刀具磨损。加工如图1 所示两种套类零件，内孔的尺寸精度可通过改变铰刀外径来保证，因此切削用量的确定主要考虑对加工表面表面粗糙度和刀具耐用度的影响［2］。

2.1 加工余量的确定

加工余量的大小应严格控制，否则会使孔的精度和表面粗糙度极不稳定，甚至加工不出合格的产品。加工余量大，刀具磨损严重，容易崩刀。加工余量过小，铰削时发挥不了挤压作用，不仅达不到尺寸精度，而且孔的表面粗糙度值也很大。文献［3］推荐，铰削余量为0.1～0.25 mm 之间。经实验将双边铰削余量控制在0.5～0.4 mm 之间，能稳定地保证加工质量。

2.2 进给量的确定

铰孔的表面粗糙度Ra值随进给量的增加而增大。但进给量过小时，会导致径向摩擦力的增大，引起铰刀颤动，使孔的表面变粗糙［3］。经实验证明，进给量取0.1～0.17 mm/r，效果最好。

2.3 切削速度

铰削淬火钢时，铰削用量各要素对铰孔的表面粗糙度均有影响，其中以铰削速度影响最大。用图2 所示铰刀以不同切削速度加工图1 所示的两种套类零件，双边铰削余量控制在0.5～0.4 mm，进给量取0.1 mm/r，得到不同切削速度下的表面粗糙度值，如图3 所示。

当切削速度Vc＜30 m/min 时，切削时产生的温度不会高于400 ℃，这时硬质合金的硬度低于工件材料的硬度，刀具磨损严重，内孔表面粗糙度值大。随着切削速度的提高，淬火钢温度高于400 ℃，工件材料的强度开始下降，而硬质合金刀具材料仍保持它原有的硬度。刀具磨损情况得到改善，内孔表面粗糙度值得以减小。用硬质合金切削淬火钢正是充分利用这一特性。当切削速度Vc≥50 m/min 时，内孔表面粗糙度值将显著地逐渐减小。如图3 所示，要得到满意的工件表面粗糙度，以切削速度Vc=50～90 m/min 为最好。但过高的切削速度，会降低硬质合金刀具材料原有的硬度，进而降低刀具耐用度。所以最佳的切削速度应为Vc=50～60 m/min。

3 切削液

切削液的作用是冷却和润滑。高速铰孔的特点是强制切削和挤压，在铰削中会产生较高的温度。切削液的冷却作用是主要方面。而乳化液的冷却效果比切削油好，又有一定的润滑作用［4］。采用极压乳化油加水稀释，配制成15%～20%浓度的极压乳化液，可明显改善铰削效果，并能提高刀具耐用度。

4 工艺实践

加工图1 所示两种套类零件的内孔，年产量20 000件。原工艺为淬火后研磨内孔。研磨工时长，劳动强度大，且手工研磨内孔的一致性不好。后改为直接磨到尺寸，但由于磨小孔用砂轮刚度差，线速度低，表面粗糙度经常达不到设计要求。返修率高达30%;磨小孔平均每件4 min，生产效率也达不到要求。以高速铰孔代替磨削加工。经多次试验，改进了铰刀结构，确定了合理的工艺参数。现已加工15 000 件，铰削小孔平均每件0.45 min，生产效率是是磨削的5倍。刀具耐用度为45 min。实践证明用硬质合金铰刀铰削，加工质量好、生产效率高、操作简单，效果十分明显。

5 结语

淬火钢精密小孔的加工采用传统磨削加工，生产效率低，加工质量不易保证。金刚石、陶瓷、立方氮化硼等新型刀具的应用虽日趋广泛，但这些刀具耐冲击韧性差，价格昂贵，并不完全适用于生产现场使用。通过试验，对现有硬质合金铰刀进行结构优化和改进，并选用正确的工艺参数，用高速铰削的方法加工淬火钢精密小孔，取得了较理想的加工效果。该方法在保证被加工孔的尺寸精度和表面粗糙度的前题下，既能满足生产效率的要求，刀具耐用度也是可接受的。本例加工方案的确定尽管是个特例，但也反映了用硬质合金刀具加工淬火钢的一般规律。为以后研究此类课题提供了思路和依据。

［1］袁哲俊，刘华明.金属切削刀具设计手册［M］.北京:机械工业出版社，2008.

［2］艾兴，肖诗纲.切削用量简明手册［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［3］太原市金属切削刀具协会.金属切削实用刀具技术［M］.北京:机械工业出版社，2002.

［4］彭海，张博.乳化型深孔切削液的切削试验与分析［J］.现代制造工程，2010(3).