本文对汽车动力总成零件的铰削加工刀具中铰刀的常规设计要求及使用条件进行了阐述，分析了在铰削加工中铰刀的一些失效模式和失效机理，建议性地给出了一些实际解决及消除失效模式的控制手段，最终达到满足加工要求的目标。

在发动机和变速器零件的实际切削加工中，铰削加工对于提高孔的尺寸精度、形状精度以及表面质量至关重要。铰削加工对孔的内壁起了修光作用，一般在钻孔、扩孔或镗孔以后进行，尺寸精度全部取决于铰刀的精度。所以，我们需要了解铰刀设计和加工过程中的特性，才能在实际切削加工中减少或消除铰刀的各种失效模式。

铰刀刀具的类别与材质

铰刀根据加工形态的不同可分很多类别，就动力总成的机加工刀具要求来看有以下几种：一般加工用铰刀，如整体硬质合金型、焊接硬质合金型、高速钢型、安装可转位刀片型以及焊接金刚石刀片型等铰刀；铝、铸铁材质加工用铰刀，如焊接PCD铰刀、整体硬质合金铰刀；按照孔的型式，分为圆柱形、锥形和阶梯形；按照装夹方式，分为整体式和分体式；按照齿槽的形状分为直槽和螺旋槽。

铰刀的合理设计

1.铰刀的几何参数

铰刀会根据不同的被加工材料来选择合适的几何参数，铰刀设计原则如表所示。

2.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，如图1所示。图1中，Δ为孔的公差，G为铰刀制作公差，H为铰刀磨损储备量，Pmax为最大扩张量，Pmin为最小扩张量，P1max为最大收缩量，P1min为最小收缩量。

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。

（1）扩张现象的直径设计

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、切削液和切削用量等因素的影响，铰出孔往往出现“扩张”现象，此时铰刀的直径按下式确定：

domax＝dwmax－Pmax

domin＝dwmax－Pmax－G

dof＝dwmin－Pmin

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

（2）收缩现象的直径设计

在铰削时，会发生铰出的孔径小于铰刀校准部分实际直径，即出现孔的“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＋P1max

domin＝dwmax＋P1min－G

dof＝dwmin＋P1max

式中，P1为孔径收缩量，一般选取0.005～0.02mm。

铰孔后有扩张时，铰刀磨损储备量H＝domin－dof＝domin－dwmin－Pmin；铰孔后有收缩时，H＝domin－dof＝domin－dwmin－P1max。

影响铰刀孔质量的主要因素

1.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）铰刀直径 由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。

（2）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越小，有利于减少铰刀的磨损。但齿数增多后降低了刀齿强度，减小了容屑槽，切削时切屑不易排出。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）切削锥角主要是根据不同的加工材料和铰刀的类型来加以选择。

（4）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）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振动和磨损，铰刀直径也随之减小，使铰孔直径达不到要求。

（6）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，刃带的积累宽度越大，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）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。

2.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，因此一定要合理选择使用。

（1）铰削余量不宜留得太大或太小，若留得太小，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；若留得太大，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，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）机铰的切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、切削速度和进给量这三个要素相互影响，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，我们可在铰削过程中，采用合理的切削液来排屑和冷却。

在铰孔加工过程中，经常出现孔径超差、内孔表面粗糙度值高等诸多问题。

失效模式和解决措施

在铰孔加工过程中，经常出现孔径超差、内孔表面粗糙度值高等诸多问题。

1.问题产生的原因

（1）孔径增大，误差大 铰刀外径尺寸设计值偏大或铰刀刃口有毛刺；切削速度过高；进给量不当或加工余量过大；铰刀主偏角过大；铰刀弯曲；铰刀刃口上粘附着切屑瘤；刃磨时铰刀刃口摆差超差；切削液选择不合适；安装铰刀时锥柄表面油污未擦干净或锥面有磕碰伤；锥柄的扁尾偏位装入机床主轴后锥柄圆锥干涉；主轴弯曲或主轴轴承过松或损坏；铰刀浮动不灵活；与工件不同轴；手铰孔时两手用力不均匀，使铰刀左右晃动。

（2）孔径缩小 铰刀外径尺寸设计值偏小；切削速度过低；进给量过大；铰刀主偏角过小；切削液选择不合适；刃磨时铰刀磨损部分未磨掉，弹性恢复使孔径缩小；铰钢件时，余量太大或铰刀不锋利，易产生弹性恢复，使孔径缩小；内孔不圆，孔径不合格。

（3）铰出的内孔不圆 铰刀过长，刚性不足，铰削时产生振动；铰刀主偏角过小；铰刀刃带窄；内孔表面有缺口、交叉孔；孔表面有砂眼、气孔；主轴轴承松动、无导向套或铰刀与导向套配合间隙过大；由于薄壁工件装夹过紧，卸下后工件变形。

（4）孔的内表面有明显的棱面 铰孔余量过大；铰刀切削部分后角过大；铰刀刃带过宽；工件表面有气孔、砂眼；主轴摆差过大。

（5）内孔表面粗糙度值高 切削速度过高；切削液选择不合适；铰刀主偏角过大，铰刀刃口不在同一圆周上；铰孔余量太大；铰孔余量不均匀或太小，局部表面未铰到；铰刀切削部分摆差超差、刃口不锋利，表面粗糙；铰刀刃带过宽；铰孔时排屑不畅；铰刀过度磨损；铰刀碰伤，刃口留有毛刺或崩刃；刃口有积屑瘤；由于材料关系，不适用于零度前角或负前角铰刀。

（6）铰刀的使用寿命低 铰刀材料不合适；铰刀在刃磨时烧伤；切削液选择不合适，切削液未能顺利地流动到切削处；铰刀刃磨后表面粗糙度值太高。

（7）铰出的孔位置精度超差 导向套磨损；导向套底端距工件太远；导向套长度短、精度差；主轴轴承松动。

（8）铰刀刀齿崩刃 铰孔余量过大；工件材料硬度过高；切削刃摆差过大，切削负荷不均匀；铰刀主偏角太小，使切削宽度增大；铰深孔或盲孔时，切屑太多又未及时清除；刃磨时刀齿已磨裂。

（9）铰刀柄部折断 铰孔余量过大；铰锥孔时，粗精铰削余量分配及切削用量选择不合适；铰刀刀齿容屑空间小，切屑堵塞；主轴弯曲或主轴轴承过松或损坏。

（10）铰孔后孔的中心线不直 铰孔前的钻孔偏斜，特别是孔径较小时，由于铰刀刚性较差，不能纠正原有的弯曲度；铰刀主偏角过大；导向不良，使铰刀在铰削中易偏离方向；切削部分倒锥过大；铰刀在断续孔中部间隙处位移；手铰孔时，在一个方向上用力过大，迫使铰刀向一端偏斜，破坏了铰孔的垂直度。

2.解决措施

（1）孔径增大，误差大 根据具体情况适当减小铰刀外径；降低切削速度；适当调整进给量或减少加工余量；适当减小主偏角；校直或报废弯曲的不能用的铰刀；用油石仔细修整到合格；控制摆差在允许的范围内；选择冷却性能较好的切削液；安装铰刀前必须将铰刀锥柄及机床主轴锥孔内部油污擦净，锥面有磕碰处用油石修光；修磨铰刀扁尾；调整或更换主轴轴承；重新调整浮动卡头并调整同轴度；注意正确操作。

（2）孔径缩小 更换铰刀外径尺寸；适当提高切削速度；适当降低进给量；适当增大主偏角；选择润滑性能好的油性切削液；定期互换铰刀，正确刃磨铰刀切削部分；设计铰刀尺寸时，应考虑上述因素，或根据实际情况取值；做试验性切削，取合适余量，将铰刀磨锋利。

（3）铰出的内孔不圆 刚性不足的铰刀可采用不等分齿距的铰刀，铰刀的安装应采用刚性联接，增大主偏角；选用合格铰刀，控制预加工工序的孔位置公差；采用不等齿距铰刀，采用较长、较精密的导向套；选用合格毛坯；采用等齿距铰刀铰削较精密的孔时，应对机床主轴间隙进行调整，导向套的配合间隙应要求较高；采用恰当的夹紧方法，减小夹紧力。

（4）孔的内表面有明显的棱面 减小铰孔余量；减小切削部分后角；修磨刃带宽度；选择合格毛坯；调整机床主轴。

（5）内孔表面粗糙度值高 降低切削速度；根据加工材料选择切削液；适当减小主偏角，正确刃磨铰刀刃口；适当减小铰孔余量；提高铰孔前底孔位置精度与质量或增加铰孔余量；选用合格铰刀；修磨刃带宽度；根据具体情况减少铰刀齿数，加大容屑槽空间或采用带刃倾角的铰刀，使排屑顺利；定期更换铰刀，刃磨时把磨削区磨去；铰刀在刃磨、使用及运输过程中，应采取保护措施，避免碰伤；对已碰伤的铰刀，应用特细的油石将碰伤的铰刀修好，或更换铰刀；用油石修整到合格，采用前角5°～10°的铰刀。

（6）铰刀的使用寿命低 根据加工材料选择铰刀材料，可采用硬质合金铰刀或涂层铰刀；严格控制刃磨切削用量，避免烧伤；经常根据加工材料正确选择切削液；经常清除切屑槽内的切屑，用足够压力的切削液，经过精磨或研磨达到要求。

（7）铰出的孔位置精度超差 定期更换导向套；加长导向套，提高导向套与铰刀间隙的配合精度；及时维修机床、调整主轴轴承间隙。

（8）铰刀刀齿崩刃 修改预加工的孔径尺寸；降低材料硬度或改用负前角铰刀或硬质合金铰刀；控制摆差在合格范围内；加大主偏角；注意及时清除切屑或采用带刃倾角铰刀；注意刃磨质量。

（9）铰刀柄部折断 修改预加工的孔径尺寸；修改余量分配，合理选择切削用量；减少铰刀齿数，加大容屑空间或将刀齿间隙磨去一齿；维修或更换主轴。

（10）铰孔后的孔中心线不直 增加扩孔或镗孔工序校正孔；减小主偏角；调整合适的铰刀；调换有导向部分或加长切削部分的铰刀；注意正确操作。

（11）主偏角对切削温度的影响规律 主偏角增大，切削刃工作长度缩短、刀尖角减小，散热条件变差，切削温度上升。

应用案例

1.孔径越做越大

某公司的曲轴生产线，凸缘端中心孔的孔径不稳定，一般趋势是越做越大并且有时首件就会超差。工件材质是球墨铸铁，孔径为（20.9805±0.0125）mm，采用的是涂层硬质合金铰刀，机床是加工中心带内冷。就此现象查找失效模式，我们先后检查了刀具直径、刀具跳动、主轴跳动、切削液、加工余量和铰刀的设计公差等，都没有发现问题。然而机床里面的加工参数为S1000、F320，由此得到的切削线速度为65.9m/min，由于此铰刀并非高效能的硬质合金铰刀，使用的切削速度过高，所以将加工参数降到S600、F320，也就是降低了线速度。此后工件孔径尺寸稳定，铰刀能达到预定的寿命，所以此现象的失效模式为线速度过高导致切削热过大使得铰刀热膨胀扩张造成孔径不稳定偏大(见图2)。

2.粗糙度超差、有加工振纹

某公司的缸盖生产线中，喷油嘴孔锥度的位置有振纹导致粗糙度超差。工件材质是铝合金，锥度5°、锥长9mm、孔径D7.8，采用的刀具是成形的PCD铰刀，机床是加工中心带内冷。就此现象查找失效模式，刀具直径、刀具跳动、主轴跳动、切削液和铰刀加工参数均没有问题。后经查找加工余量发现成形铰刀的加工余量过大（为单边1.27mm），导致加工到底部时切削力过大振刀所致。后经过更改底孔钻头的直径，使得锥度位置的加工余量为均匀的单边0.2mm，才使得加工稳定粗糙度合格，加工无振纹。所以此现象的失效模式为铰削的加工余量过大（见图3）。

结语

铰削加工过程中所产生的质量问题是多样的，对应的失效模式也是多样的。为尽量避免失效模式产生，我们需要在刀具制作前根据工件材料、加工精度、铰削余量、切削液、加工参数、机床参数和刀具选型等进行具体分析，同时在实践中不断改进工艺方法，提高铰孔的质量和生产效率。