1 前言
　　
　　金剛石鉸刀是近20年發(fā)展起來(lái)的一種高精度內(nèi)孔加工刀具。由于它的加工精度高(一般可達(dá)2µm)、表面粗糙度值小(一般可達(dá)Ra0.4~0.2µm)、加工效率高(一般可提高3~5倍)、壽命長(zhǎng)(一般能加工10000件以上)、質(zhì)量穩(wěn)定可靠，因而在液壓、農(nóng)機(jī)、汽車、機(jī)床、軍工等行業(yè)中得到了日益廣泛的應(yīng)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(jié)合劑，將金剛石顆粒包絡(luò)在刀體上形成的。電鍍鉸刀要求電鍍層表面達(dá)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(fù)荷，提高鉸刀的幾何質(zhì)量、物理質(zhì)量和耐用度。
　　
　　目前，國(guó)內(nèi)金剛石鉸刀采用外鍍法制造。制造時(shí)，需要對(duì)磨粒進(jìn)行嚴(yán)格篩選，通過(guò)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(zhì)量。為此，我們提出了一種新型設(shè)計(jì)與制造的方法——內(nèi)包容電鍍法(簡(jiǎn)稱內(nèi)鍍法)，并進(jìn)行了鉸刀設(shè)計(jì)、制造與切削試驗(yàn)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(nèi)鍍法原理與鉸削機(jī)制
　　
　　迄今為止，內(nèi)包容電鍍技術(shù)已成功應(yīng)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(nèi)鍍的方法是，采用穩(wěn)定材料制造一個(gè)與鉸刀外形相反的高精度內(nèi)孔胎模，將金剛石磨粒電鍍?cè)谔ツ?nèi)表面，加厚形成電鍍層，再將鍍層與刀桿粘結(jié)在一起。為將胎膜順利脫出，可在胎膜內(nèi)表面先鍍一層低熔點(diǎn)金屬，最后加熱脫模制成鉸刀。同時(shí)，也可保證高精度內(nèi)孔胎模不受損傷而能重復(fù)使用，以降低制造成本。
　　
　　采用內(nèi)鍍法制造的鉸刀，其磨粒完全由高精度內(nèi)孔胎模包容，鍍層磨粒表面可以達(dá)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(zhǎng)。
　　
　　在金剛石鉸刀鉸削過(guò)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(diǎn)切去而進(jìn)行相互修整。鉸刀表面和孔表面不斷地產(chǎn)生新的干涉點(diǎn)，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(gè)個(gè)小平面，如圖1所示。與此同時(shí)，切削余量越來(lái)越小，切削作用也越來(lái)越弱。而鉸刀對(duì)孔壁的擠壓和拋光的作用卻越來(lái)越強(qiáng)，這就使孔的圓度越來(lái)越高、表面粗糙度值越來(lái)越小。這就是為什么金剛石鉸刀使用時(shí)間越長(zhǎng)，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(jié)劑 4.金剛石顆粒
　　
　　金剛石鉸刀鉸削工件內(nèi)孔的過(guò)程中，鉸刀切削部切除工件大部分余量(實(shí)際上總的鉸削余量很小)，而校正部只切除少許余量，但其對(duì)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(guò)程，是保證工件加工質(zhì)量的主要因素。同時(shí)通過(guò)擠壓和拋光，工件表面會(huì)產(chǎn)生塑性變形而提高硬度。據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，工件表面經(jīng)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(wú)疑對(duì)提高工件使用壽命是非常有利的。
　　
　　對(duì)于一把正常使用的金剛石鉸刀，其磨粒應(yīng)露出來(lái)參加切削。因此，磨粒間的結(jié)合劑應(yīng)形成一個(gè)個(gè)凹坑。在鉸削的過(guò)程中，大量的切屑藏于這些凹坑中(圖2)，并蝕除部分結(jié)合劑，使得磨粒前面的凹坑逐漸加深；磨粒后面的結(jié)合劑則很少被切屑所蝕除，同時(shí)由于擠壓力的作用，使結(jié)合劑向后蠕動(dòng)，更加強(qiáng)了對(duì)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(zhǎng)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(jié)劑 4.刀體
　　
　　3 內(nèi)包容金剛石鉸刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
　　
　　目前金剛石鉸刀有固定式和可調(diào)式兩大類型。為了加工出高精度內(nèi)孔，金剛石鉸刀宜采用固定式。因?yàn)楣潭ㄊ姐q刀制造工藝簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。下面具體討論一下鉸刀主要部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　
　　1.夾持部 2.后導(dǎo)部 3.倒錐部 4. 校正部 5.切削部 6.前導(dǎo)部
　　
　　1) 校正部的設(shè)計(jì) 校正部是鉸刀的修光和提高精度的部分，主要承擔(dān)清除切削部加工時(shí)遺留下來(lái)的粗糙波峰的少許余量，是影響被加工孔的加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。
　　
　　一般地，校正部的長(zhǎng)度按加工孔徑的2~3倍來(lái)選取?？组L(zhǎng)時(shí)取小值，孔短時(shí)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(yù)制孔精度和鉸削擴(kuò)張量等具體條件。
　　
　　2) 切削部的設(shè)計(jì) 切削部是鉸刀的切削部分，負(fù)擔(dān)切除被加工工件的80%~90%的加工余量，對(duì)鉸刀壽命和加工質(zhì)量有很大影響。
　　
　　切削部的長(zhǎng)度和錐角主要根據(jù)切削余量的大小來(lái)確定，一般地，長(zhǎng)度取15~25mm；切削錐角粗鉸時(shí)取θ=0°3′~0°15′，精鉸時(shí)取θ=0°1′~0°5′，以保證鉸刀在2/5~1/2處即進(jìn)入實(shí)際的切削狀態(tài)(圖5)。
　　
　　L——切削部長(zhǎng)度，x——實(shí)際切削長(zhǎng)度，q——切削部錐角
　　
　　錐角大小的計(jì)算公式為
　　
　　tgθ=S/LK
　　
　　式中 S——切削深度，mm
　　
　　L——切削部長(zhǎng)度,mm
　　
　　K——長(zhǎng)度系數(shù)，取2/5~1/2
　　
　　錐角公差取3~4級(jí)。
　　
　　3) 冷卻槽的設(shè)計(jì) 金剛石鉸刀鉸孔時(shí)，若熱量和切屑來(lái)不及排出，刀體將發(fā)熱膨脹，孔的加工質(zhì)量會(huì)明顯降低，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生“咬死”刀現(xiàn)象。因此鉸刀的各主要表面上都要設(shè)計(jì)有冷卻槽，并滿足下列條件：①冷卻槽必須保證鉸刀工作時(shí)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(shè)計(jì)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(jìn)，確保已鉸過(guò)的表面免受擦傷。同時(shí)螺旋槽和螺旋角的選擇要保證鉸刀切削寬度大小適當(dāng)，一般以12~18mm為宜。
　　
　　4 金剛石鉸刀的內(nèi)鍍法制造工藝
　　
　　由于內(nèi)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(shè)計(jì)與制造至關(guān)重要。胎模內(nèi)孔應(yīng)設(shè)計(jì)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(guò)制造添加劑含量，來(lái)減小鍍層內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)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(duì)內(nèi)鍍法電鍍液流動(dòng)性差的缺陷，電鍍時(shí)宜采用流動(dòng)電鍍工藝，電鍍液循環(huán)流動(dòng)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(jīng)精磨而成。
　　
　　開刃和開槽處理時(shí)，必須保證鉸刀的鍍層尺寸精度不受影響。開刃時(shí)可用剛玉砂輪修磨鍍層金屬，也可通過(guò)電鍍兩種化學(xué)溶解度不同的金屬，再進(jìn)行腐蝕處理。開槽時(shí)采用電化學(xué)腐蝕及機(jī)械加工的方法即可。
　　
　　5 結(jié)束語(yǔ)
　　
　　經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，最終我們得到了系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)包容精密金剛石鉸刀。通過(guò)對(duì)典型材料與典型零件的加工與試驗(yàn)，以及和外鍍法制造的鉸刀技術(shù)指標(biāo)與切削性能的對(duì)比，可以得到以下結(jié)論：
　　
　　1) 精密和高精度金剛石鉸刀更適宜采用內(nèi)鍍法進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造。
　　
　　2) 金剛石鉸刀的內(nèi)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(shù)合理和規(guī)范，內(nèi)鍍法金剛石鉸刀的設(shè)計(jì)與制造同樣簡(jiǎn)單、方便