铰孔尺寸变化与铰刀公差优化方案

■铰削过程中的扩张量与收缩量

在切削加工实际生产过程中，各类定尺寸刀具在切削过程中均存在不同程度的扩张或收缩，特别是在中小孔的精加工中最常用的铰刀。由于铰削时的加工余量较小，一般为0.05～0.20mm，有分析认为铰刀的几何角度（主偏角κ_r、刀尖圆弧半径r_ε和切削刃钝圆半径r_n等）决定了铰削过程是一个非常复杂的切削、挤光和摩擦的过程，所以在铰削过程中更易发生孔径扩张和收缩现象。

◆孔径扩张的原因

在铰削过程中，由于铰孔的余量不均匀和铰刀刀齿径向圆跳动量的存在，导致铰刀在铰削过程中受力不平衡，加上铰刀的导向间隙、导向部分不圆、积屑瘤（低速积屑瘤）的形成以及铰刀安装误差等原因，造成铰出的孔有扩大现象，即孔的直径大于铰刀的直径，差值即为扩张量。

图2-21 等分齿铰刀和不等分齿铰刀（背前角为5°）

◆孔径收缩的原因

如图2-22所示，由于刃口处工件材料的变形区Ⅲ受刀尖挤压产生弹性变形，待切削刃离开后（即后面的压力消失后）这部分材料弹性恢复，加上热变形等因素的影响，造成铰出的孔孔径有收缩现象，即孔径小于铰刀直径，其差值即为收缩量。

图2-22 切削刃的切削

◆影响铰孔扩张量或收缩量的一些因素

•影响铰孔扩张的主要因素

有分析认为多种因素都会影响孔的扩张量，例如：

1）被加工材料：有色金属（例如铝合金）的铰孔加工。

2）刀具：铰刀没有对准工件中心形成安装误差、铰刀刀齿的径向圆跳动较大、铰刀切削刃轴参数向位置不一导致某个刀齿负荷加重，铰刀轴线产生偏移、产生积屑瘤等。

3）切削用量：进给量不合适或加工余量太大、转速太高使得切削温度上升太快。

4）机床：机床主轴的径向圆跳动大、机床主轴存在轴向窜动。

5）刀柄：刀柄夹持精度不高，夹持后刀具的头部中心偏离主轴转动中心。

6）切削液：没有足够的切削液有时也会引起铰孔出现积屑瘤，从而扩大孔径。(www.xing528.com)

•影响铰孔收缩的主要因素

1）被加工材料：黑色金属（例如粉末冶金、铸铁）的铰孔加工。

2）切削液：切削液选用不同可能导致收缩量加剧。例如加工铸铁时使用水溶性切削液（如乳化液）冷却时的收缩量为0.002～0.015mm，又如使用油溶性切削液（如煤油）冷却，收缩量可能增大为0.02～0.04mm。

3）切削刀具本身的几何角度（例如前面提到的-15°螺旋角和45°主偏角的组合）和刀具钝化，用硬质合金铰刀（通常钝化较大）铰削较软的材料也会导致收缩量增加。

扩张和收缩在不同条件下也可能发生在同一种材质的工件上，如铸铁。上汽通用的应用表明，对表面粗糙度Ra要求不高时常常不用切削液，此时铰出的孔产生扩张现象；但当铰孔表面质量要求较高（如Ra＜1.6μm）时则必须用切削液，而这时铰出的孔会产生收缩现象：这是由于切削层厚度很小（通常仅0.025～0.10mm），切削刃表面的膜层加大了等效的钝圆半径r_n，导致铰出的孔产生收缩现象。

图2-23是上汽通用曾记录的一把未涂层的硬质合金铰刀（主偏角κ_r为75°，6刃）加工粉末冶金材质的2.0L缸盖导管孔从锋利到磨损的过程（其切削用量为：主轴转速n=1600r/min；进给量f=0.192mm/r；加工余量a_p=0.35mm；切削液：牌号VB17BC、浓度为9%～11%的乳化液），其刀具直径的变化与工件加工孔径的尺寸关系。上汽通用的工艺人员对此图的解读是：当铰刀加工工件在255件以下时，铰刀直径几乎没有变化，但工件的实测尺寸则由上极限尺寸逐渐过渡到下极限尺寸。这种现象说明铰刀刚开始试切时，刃口处于锋利状态；但随着铰刀刃口的磨钝，主切削刃与副切削刃交汇处的钝圆半径r_n逐渐变大，铰刀的后面对导管孔壁的挤光摩擦的作用越来越大（分屑位置不断提高，如图2-24所示），切削方式也由首件的切削加工为主，渐渐过渡到末件的挤光切削加工为主：待铰刀加工完毕退出导管孔后，加工末期工件孔壁的弹性变形比加工初期有所增大，也就是说孔收缩量随之增大，从而出现加工工件的孔径尺寸越来越小，直至工件尺寸下降到加工要求的下极限尺寸。

■铰刀的公差

对于孔径扩张和孔径收缩两种状况，需要用不同的铰刀。铰刀公差构成如图2-25所示。

图2-23 铰刀直径的变化与工件加工数量关系（图片来源：上汽通用公司）

图2-24 钝圆半径对分屑点位置的影响（图片来源：上海交通大学）

图2-25 铰刀公差构成

图2-25a所示的铰孔具有扩张量，其中P_min是最小扩张量而P_max则是孔最大扩张量。图2-25b所示的铰孔具有收缩量，其中P_amin是最小收缩量而P_amax则是孔最大收缩量。两图中黄色标有“IT”的是孔的公差带，绿色标有“G”的是铰刀制造公差，而暗红标有“N”的是铰刀的留磨量（即为铰刀刃磨后直径会减小留出的预留量）。

对于会使孔产生扩张量的铰刀，铰刀的公差带应位于孔公差带的下方，孔的上极限尺寸与铰刀直径之差应小于最大扩张量，这样即使铰刀的尺寸位于上极限尺寸，加上最大的扩张量也不会超过孔的上极限尺寸；而当铰刀重磨后实际直径加上最小扩张量后，小于孔的下极限尺寸时，铰刀便应该报废、停止使用，因为此时铰出的孔的尺寸可能会超出极限。

对于会使孔产生收缩量的铰刀也类似，即铰刀的公差带应位于孔公差带的上方，铰刀直径与孔的上极限尺寸之差应大于最小收缩量，这样即使铰刀的尺寸位于上极限尺寸，减去最小的收缩量也不会超过孔的上极限尺寸；而当铰刀重磨后实际直径减去最大收缩量后，小于孔的下极限尺寸时，铰刀也应该报废、停止使用，因为此时也会有部分被铰孔的尺寸超出极限。