[发明专利]高精度、高表面光洁度的拉削方法、刀具和润滑/冷却剂

说明书

本发明涉及加工技术，而更具体地说是涉及制作高精度和高表面光洁度的细深孔的拉削方法、刀具及润滑/冷却剂。

高精度和高表面光洁度的细深孔的加工在技术上仍然是个问题。一个细深的精密孔可定义为：其直径小于12毫米，纵横（深度/直径）比不小于5，（尺寸）精度是ISO标准的H₆-H₇，角度公差是H₆，表面粗糙度是0.4-0.1微米，孔的不圆度、不圆柱度和锥度在公差的1/2-1/3范围内。

先有技术中加工细深孔的方法包括：钻孔和扩孔（随后进行粗铰和精铰），粗镗和精镗，或镗及研磨。其它的方法包括：珩磨和电火花加工（EDM）。这些先有技术方法的缺点是：需多道复杂的加工工序，要获得满意的精度、表面光洁度和互换性极其困难，生产率低，质量控制差，废品率高，以及孔的出口端经常呈锥状变形（即喇叭口）。

与上述方法相比拉削是一种能以高的生产率来加工孔与槽的工艺方法。可以用拉削方法在许多金属上打孔，这些金属包括：低碳钢、低碳合金钢、磷青铜、纯铝、不锈钢、钛合金和其它的材料。

拉刀通常包含一个细长的刀体，其上有直接制成的或后加上去的一些平行切削刀齿。从刀具的前端到后端的刀齿直径以一个增量（叫做“齿计量”）逐渐加大，以使每一个刀齿比前面的刀齿稍为切深些。

在题为“拉削刀具”，且于1934年2月6日授予B.Schlitz专利权的美国专利1，945，535号中描述了一种基本的拉削刀具和方法，在题为“拉刀制造方法”，且于1985年2月12日授予W.Grace专利权的美国专利4，498，361号中描述了一种制造基本的拉削刀具的方法。

对于加工高精度、高光洁度的细深孔来说，常规的（拉削）实践中还未发挥出拉削的潜力。这是由于仍然存在若干未解决的根本问题。

当拉削刀具在力驱动下穿入工件时，每个切削刀齿和齿前边的被挤压材料之间的巨大摩擦和比压产生大量热，该热量导致产生一层粘在刀齿的前面的材料，称为“切屑瘤”。

拉削刀具最好设计成让产生的切屑瘤是相对较小的临界状态物质，并随后破裂或崩裂掉。如果产生这种效应，就能获得光滑的孔。在题为“机床刀具”且于1946年1月8日授予L.Kaplan等人的美国专利2，392，481号中描述了专门设计用来减小切屑瘤组织的拉削刀具。

某些“粘性的”材料（例如不锈钢）呈现出很高的弹性、延伸率和塑性变形。对于这些材料，拉削刀具和工件之间的摩擦力与压力特别高，导致孔的表面生成氧化皮，并进一步使切屑瘤长成不希望的大尺寸。这使得孔的直径逐渐增大，并且生成很粗糙的“一点一点地啃”的表面光洁度。

如果切屑瘤长成大尺寸随后崩裂掉时，则孔的表面具有带状氧化皮。因为垂直地拉削深孔时，冷却和润滑在深孔的下部相对地不起作用，而氧化皮带通常出现在孔的下半部分。

不锈钢不仅对塑性变性具有高回弹性和敏感性，且往往因切削而造成表面硬化。这使得拉削刀具后部的刀齿在工件上滑过而不是切削，增加了加工的难度和降低了表面质量。

每个刀齿的前面有一个“齿面角”，而每个刀齿的后面或齿背上有一个“后角”。齿面角和后角做得越大越好，以提高切削效率和减少生热。先有技术的拉削刀具通常不能平稳地被引导穿过（加工的）孔，而往往发生横向振动，在孔的（内）表面产生环状刀痕。

对于加工粘性的金属（如不锈钢）还存在另一问题即是：切屑瘤也可在切削刀齿的齿背和孔的（内）表面之间生成。如果后角太小/或齿背的平滑性不高，就将加剧这种情况。刀齿齿背上的切屑瘤参差不齐地崩碎，导致在孔的（内）表面产生轴向刀痕。

先有技术的拉削刀具造有“后导”，它包括若干不切削的环面，它们的直径比加工完毕的孔的直径略为小些。后导的作用是平稳地引导拉削刀具的尾部穿出被加工孔。然而，由于环面和孔之间有间隙，刀具就可能径向地移动或径向地振动，导致被加工孔的出口端变成锥形（即喇叭口）。极端情况下，后导的最后的环面可能从孔的一侧“啃下”一小块金属。

用于加工细深孔的先有技术的拉削刀具通常很长很细。制造这些刀具是困难的，因为在热处理和机加工期间，它们往往要弯曲（变形）。不是极直的拉削刀具就不能制出高精度和高表面光洁度的孔。

以传统的切削润滑油为基础的先有技术的润滑和冷却剂都不能充分地减小拉制细深孔期间产生的摩擦力、温度和压力。因此这限制了被拉削形成的孔的精度和表面光洁度。