内镀法金刚石铰刀的设计原理与制造

　　1 前言    

　　金刚石铰刀是近20年发展起来的一种高精度内孔加工刀具。由于它的加工精度高(一般可达2µm)、表面粗糙度值小(一般可达Ra0.4～0.2µm)、加工效率高(一般可提高3～5倍)、寿命长(一般能加工10000件以上)、质量稳定可靠，因而在液压、农机、汽车、机床、军工等行业中得到了日益广泛的应用。 

　　电镀金刚石铰刀是利用电镀的方法，以金属镍、铁或铜等作结合剂，将金刚石颗粒包络在刀体上形成的。电镀铰刀要求电镀层表面达到较高的几何精度，以确保磨粒切削刃具有较好的等高性和锋利性，减小切削负荷，提高铰刀的几何质量、物理质量和耐用度。

　　目前，国内金刚石铰刀采用外镀法制造。制造时，需要对磨粒进行严格筛选，通过镀层金属直接将磨粒固定在刀体周围。所镀铰刀磨粒等高性差，需用金刚石砂轮修磨，但修磨将破坏磨粒的天然刃口，钝化磨粒，影响加工效率及被加工孔的表面质量。为此，我们提出了一种新型设计与制造的方法——内包容电镀法(简称内镀法)，并进行了铰刀设计、制造与切削试验研究，以求其在精密孔加工中取得更佳的加工效果。

　　2 金刚石铰刀的内镀法原理与铰削机制

　　迄今为止，内包容电镀技术已成功应用于高精度金刚石滚轮的制造，但一直未用于制造金刚石铰刀。金刚石铰刀内镀的方法是，采用稳定材料制造一个与铰刀外形相反的高精度内孔胎模，将金刚石磨粒电镀在胎模内表面，加厚形成电镀层，再将镀层与刀杆粘结在一起。为将胎膜顺利脱出，可在胎膜内表面先镀一层低熔点金属，最后加热脱模制成铰刀。同时，也可保证高精度内孔胎模不受损伤而能重复使用，以降低制造成本。

　　采用内镀法制造的铰刀，其磨粒完全由高精度内孔胎模包容，镀层磨粒表面可以达到较高的几何精度，磨粒等高性好，微刃锋利，所以其切削性能优于外镀法铰刀，所加工孔的表面粗糙度值小，且刀具不需修磨，使用寿命长。

　　在金刚石铰刀铰削过程中，铰刀磨粒与工件孔壁相互干涉，相互作用，不断地将干涉点切去而进行相互修整。铰刀表面和孔表面不断地产生新的干涉点，使孔壁与铰刀表面的接触面积不断增大，特别是铰刀校正部的磨粒顶部的锐边和锐角被磨成了一个个小平面。与此同时，切削余量越来越小，切削作用也越来越弱。而铰刀对孔壁的挤压和抛光的作用却越来越强，这就使孔的圆度越来越高、表面粗糙度值越来越小。这就是为什么金刚石铰刀使用时间越长，加工孔的表面粗糙度值越小的原因所在。

　　金刚石铰刀铰削工件内孔的过程中，铰刀切削部切除工件大部分余量(实际上总的铰削余量很小)，而校正部只切除少许余量，但其对工件表面的挤压和抛光作用却是金刚石铰刀铰孔的主要过程，是保证工件加工质量的主要因素。同时通过挤压和抛光，工件表面会产生塑性变形而提高硬度。据实验测定，工件表面经金刚石铰刀铰削后的硬度比铰削前明显提高0.5～1.0倍，这无疑对提高工件使用寿命是非常有利的。

　　对于一把正常使用的金刚石铰刀，其磨粒应露出来参加切削。因此，磨粒间的结合剂应形成一个个凹坑。在铰削的过程中，大量的切屑藏于这些凹坑中，并蚀除部分结合剂，使得磨粒前面的凹坑逐渐加深；磨粒后面的结合剂则很少被切屑所蚀除，同时由于挤压力的作用，使结合剂向后蠕动，更加强了对磨粒的支撑作用。这就是金刚石铰刀的颗粒不容易脱落，铰刀保持较长寿命的原因之一。

　　目前金刚石铰刀有固定式和可调式两大类型。为了加工出高精度内孔，金刚石铰刀宜采用固定式。因为固定式铰刀制造工艺简单，易于修磨，成本较低，加工孔的尺寸稳定性好。加工通孔用固定式金刚石铰刀。下面具体讨论一下铰刀主要部分的结构设计。

　　1) 校正部的设计校正部是铰刀的修光和提高精度的部分，主要承担清除切削部加工时遗留下来的粗糙波峰的少许余量，是影响被加工孔的加工质量的关键因素。

　　一般地，校正部的长度按加工孔径的2～3倍来选取。孔长时取小值，孔短时取大值。校正部径向尺寸取决于工件表面粗糙度、孔的形状、预制孔精度和铰削扩张量等具体条件。

　　2) 切削部的设计切削部是铰刀的切削部分，负担切除被加工工件的80%～90%的加工余量，对铰刀寿命和加工质量有很大影响。

　　切削部的长度和锥角主要根据切削余量的大小来确定，一般地，长度取15～25mm；切削锥角粗铰时取θ=0°3′～0°15′，精铰时取θ=0°1′～0°5′，以保证铰刀在2/5～1/2处即进入实际的切削状态。

　　L——切削部长度，x——实际切削长度，q——切削部锥角 $Page_Split$,

　　锥角大小的计算公式为

　　tgθ=S/LK

　　式中S——切削深度，mm

　　L——切削部长度,mm

　　K——长度系数，取2/5～1/2

　　锥角公差取3～4级。

　　3) 冷却槽的设计金刚石铰刀铰孔时，若热量和切屑来不及排出，刀体将发热膨胀，孔的加工质量会明显降低，严重时还会发生“咬死”刀现象。因此铰刀的各主要表面上都要设计有冷却槽，并满足下列条件：①冷却槽必须保证铰刀工作时能得到充分冷却；②冷却槽不能影响铰刀的刚性和寿命；③冷却液流道通畅，以便能将切屑带走。

　　螺旋槽一般设计2～5条，螺旋角取ψ=20°～45°，螺旋方向选用左旋，使切屑和冷却液向未铰削表面推进，确保已铰过的表面免受擦伤。同时螺旋槽和螺旋角的选择要保证铰刀切削宽度大小适当，一般以12～18mm为宜。

　　4 金刚石铰刀的内镀法制造工艺

　　由于内包容铰刀的尺寸精度与形状精度主要由胎模精度保证，所以胎模的设计与制造至关重要。胎模内孔应设计成与铰刀外形相反，并在高精度磨床上精磨而成。

　　电镀工艺方面，利用电解作用，采用光亮镀镍方法，通过制造添加剂含量，来减小镀层内应力，同时保证镀层平整。

　　开刃和开槽处理时，必须保证铰刀的镀层尺寸精度不受影响。开刃时可用刚玉砂轮修磨镀层金属，也可通过电镀两种化学溶解度不同的金属，再进行腐蚀处理。开槽时采用电化学腐蚀及机械加工的方法即可。

　　结束语

　　经过反复试验，最终我们得到了系列化和标准化的内包容精密金刚石铰刀。通过对典型材料与典型零件的加工与试验，以及和外镀法制造的铰刀技术指标与切削性能的对比，可以得到以下结论：

　　1) 精密和高精度金刚石铰刀更适宜采用内镀法进行设计与制造。

　　2) 金刚石铰刀的内镀法比外镀法加工精度更高、表面粗糙度值更小。

　　3) 只要工艺参数合理和规范，内镀法金刚石铰刀的设计与制造同样简单、方便

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