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　　1 前言
　　
　　金剛石鉸刀是近20年發(fā)展起來的一種高精度內孔加工刀具。由于它的加工精度高(一般可達2µm)、表面粗糙度值小(一般可達Ra0.4~0.2µm)、加工效率高(一般可提高3~5倍)、壽命長(一般能加工10000件以上)、質量穩(wěn)定可靠，因而在液壓、農機、汽車、機床、軍工等行業(yè)中得到了日益廣泛的應用。
　　
　　電鍍金剛石鉸刀是利用電鍍的方法，以金屬鎳、鐵或銅等作結合劑，將金剛石顆粒包絡在刀體上形成的。電鍍鉸刀要求電鍍層表面達到較高的幾何精度，以確保磨粒切削刃具有較好的等高性和鋒利性，減小切削負荷，提高鉸刀的幾何質量、物理質量和耐用度。
　　
　　目前，國內金剛石鉸刀采用外鍍法制造。制造時，需要對磨粒進行嚴格篩選，通過鍍層金屬直接將磨粒固定在刀體周圍。所鍍鉸刀磨粒等高性差，需用金剛石砂輪修磨，但修磨將破壞磨粒的天然刃口，鈍化磨粒，影響加工效率及被加工孔的表面質量。為此，我們提出了一種新型設計與制造的方法——內包容電鍍法(簡稱內鍍法)，并進行了鉸刀設計、制造與切削試驗研究，以求其在精密孔加工中取得更佳的加工效果。
　　
　　2 金剛石鉸刀的內鍍法原理與鉸削機制
　　
　　迄今為止，內包容電鍍技術已成功應用于高精度金剛石滾輪的制造，但一直未用于制造金剛石鉸刀。金剛石鉸刀內鍍的方法是，采用穩(wěn)定材料制造一個與鉸刀外形相反的高精度內孔胎模，將金剛石磨粒電鍍在胎模內表面，加厚形成電鍍層，再將鍍層與刀桿粘結在一起。為將胎膜順利脫出，可在胎膜內表面先鍍一層低熔點金屬，最后加熱脫模制成鉸刀。同時，也可保證高精度內孔胎模不受損傷而能重復使用，以降低制造成本。
　　
　　采用內鍍法制造的鉸刀，其磨粒完全由高精度內孔胎模包容，鍍層磨粒表面可以達到較高的幾何精度，磨粒等高性好，微刃鋒利，所以其切削性能優(yōu)于外鍍法鉸刀，所加工孔的表面粗糙度值小，且刀具不需修磨，使用壽命長。
　　
　　在金剛石鉸刀鉸削過程中，鉸刀磨粒與工件孔壁相互干涉，相互作用，不斷地將干涉點切去而進行相互修整。鉸刀表面和孔表面不斷地產生新的干涉點，使孔壁與鉸刀表面的接觸面積不斷增大，特別是鉸刀校正部的磨粒頂部的銳邊和銳角被磨成了一個個小平面，如圖1所示。與此同時，切削余量越來越小，切削作用也越來越弱。而鉸刀對孔壁的擠壓和拋光的作用卻越來越強，這就使孔的圓度越來越高、表面粗糙度值越來越小。這就是為什么金剛石鉸刀使用時間越長，加工孔的表面粗糙度值越小的原因所在。
　　
　　1.刀體 2.切屑 3.粘結劑 4.金剛石顆粒
　　
　　金剛石鉸刀鉸削工件內孔的過程中，鉸刀切削部切除工件大部分余量(實際上總的鉸削余量很小)，而校正部只切除少許余量，但其對工件表面的擠壓和拋光作用卻是金剛石鉸刀鉸孔的主要過程，是保證工件加工質量的主要因素。同時通過擠壓和拋光，工件表面會產生塑性變形而提高硬度。據實驗測定，工件表面經金剛石鉸刀鉸削后的硬度比鉸削前明顯提高0.5~1.0倍，這無疑對提高工件使用壽命是非常有利的。
　　
　　對于一把正常使用的金剛石鉸刀，其磨粒應露出來參加切削。因此，磨粒間的結合劑應形成一個個凹坑。在鉸削的過程中，大量的切屑藏于這些凹坑中(圖2)，并蝕除部分結合劑，使得磨粒前面的凹坑逐漸加深；磨粒后面的結合劑則很少被切屑所蝕除，同時由于擠壓力的作用，使結合劑向后蠕動，更加強了對磨粒的支撐作用。這就是金剛石鉸刀的顆粒不容易脫落，鉸刀保持較長壽命的原因之一。
　　
　　1.金剛石 2.切屑
　　
　　1.金剛石顆粒 2.切屑 3.粘結劑 4.刀體
　　
　　3 內包容金剛石鉸刀的結構設計
　　
　　目前金剛石鉸刀有固定式和可調式兩大類型。為了加工出高精度內孔，金剛石鉸刀宜采用固定式。因為固定式鉸刀制造工藝簡單，易于修磨，成本較低，加工孔的尺寸穩(wěn)定性好。加工通孔用固定式金剛石鉸刀的結構簡圖如圖4所示。下面具體討論一下鉸刀主要部分的結構設計。
　　
　　1.夾持部 2.后導部 3.倒錐部 4. 校正部 5.切削部 6.前導部
　　
　　1) 校正部的設計 校正部是鉸刀的修光和提高精度的部分，主要承擔清除切削部加工時遺留下來的粗糙波峰的少許余量，是影響被加工孔的加工質量的關鍵因素。
　　
　　一般地，校正部的長度按加工孔徑的2~3倍來選取。孔長時取小值，孔短時取大值。校正部徑向尺寸取決于工件表面粗糙度、孔的形狀、預制孔精度和鉸削擴張量等具體條件。
　　
　　2) 切削部的設計 切削部是鉸刀的切削部分，負擔切除被加工工件的80%~90%的加工余量，對鉸刀壽命和加工質量有很大影響。
　　
　　切削部的長度和錐角主要根據切削余量的大小來確定，一般地，長度取15~25mm；切削錐角粗鉸時取θ=0°3′~0°15′，精鉸時取θ=0°1′~0°5′，以保證鉸刀在2/5~1/2處即進入實際的切削狀態(tài)(圖5)。
　　
　　L——切削部長度，x——實際切削長度，q——切削部錐角
　　
　　錐角大小的計算公式為
　　
　　tgθ=S/LK
　　
　　式中 S——切削深度，mm
　　
　　L——切削部長度,mm
　　
　　K——長度系數，取2/5~1/2
　　
　　錐角公差取3~4級。
　　
　　3) 冷卻槽的設計 金剛石鉸刀鉸孔時，若熱量和切屑來不及排出，刀體將發(fā)熱膨脹，孔的加工質量會明顯降低，嚴重時還會發(fā)生“咬死”刀現(xiàn)象。因此鉸刀的各主要表面上都要設計有冷卻槽，并滿足下列條件：①冷卻槽必須保證鉸刀工作時能得到充分冷卻；②冷卻槽不能影響鉸刀的剛性和壽命；③冷卻液流道通暢，以便能將切屑帶走。
　　螺旋槽一般設計2~5條，螺旋角取ψ=20°~45°，螺旋方向選用左旋，使切屑和冷卻液向未鉸削表面推進，確保已鉸過的表面免受擦傷。同時螺旋槽和螺旋角的選擇要保證鉸刀切削寬度大小適當，一般以12~18mm為宜。
　　
　　4 金剛石鉸刀的內鍍法制造工藝
　　
　　由于內包容鉸刀的尺寸精度與形狀精度主要由胎模精度保證，所以胎模的設計與制造至關重要。胎模內孔應設計成與鉸刀外形相反，并在高精度磨床上精磨而成。
　　
　　電鍍工藝方面，利用電解作用，采用光亮鍍鎳方法，通過制造添加劑含量，來減小鍍層內應力，同時保證鍍層平整。比較合理的電鍍工藝規(guī)范如下表所示：
　　
　　名稱 含量(g/L)
　　
　　硫酸鎳(NiSO4—7H2O) 250~300
　　
　　氯化鈉(NaCl) 10~20
　　
　　硼酸(H3BO3) 35~40
　　
　　糖精(6H5COSO2NH2) 1~2
　　
　　香豆素C9H6O2) 0.5~1
　　
　　十二烷基硫酸鈉(C12H25SO4Na) 0.1~0.2
　　
　　PH值 4.0~4.5
　　
　　溫度(℃) 40~45
　　
　　電流密度(A/dm2) 1.5~3
　　
　　為了使電鍍層尺寸均勻且沉積速度快，針對內鍍法電鍍液流動性差的缺陷，電鍍時宜采用流動電鍍工藝，電鍍液循環(huán)流動的速度大約為5~30m/min。
　　
　　刀體材料一般用45鋼，淬火至硬度40~45HRC，經精磨而成。
　　
　　開刃和開槽處理時，必須保證鉸刀的鍍層尺寸精度不受影響。開刃時可用剛玉砂輪修磨鍍層金屬，也可通過電鍍兩種化學溶解度不同的金屬，再進行腐蝕處理。開槽時采用電化學腐蝕及機械加工的方法即可。
　　
　　5 結束語
　　
　　經過反復試驗，最終我們得到了系列化和標準化的內包容精密金剛石鉸刀。通過對典型材料與典型零件的加工與試驗，以及和外鍍法制造的鉸刀技術指標與切削性能的對比，可以得到以下結論：
　　
　　1) 精密和高精度金剛石鉸刀更適宜采用內鍍法進行設計與制造。
　　
　　2) 金剛石鉸刀的內鍍法比外鍍法加工精度更高、表面粗糙度值更小。
　　
　　3) 只要工藝參數合理和規(guī)范，內鍍法金剛石鉸刀的設計與制造同樣簡單、方便