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摘要：金刚石铰刀具有加工精度高、表面粗糙度值小、效率高、寿命长等优点，目前已日益广泛应用于精密孔零件的加工之中。文章介绍了精密金刚石铰刀的一种新型设计与制造的方法——内包容电镀法，阐述了此种铰刀的设计与制造中一些关键技术问题。
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。
1.刀体 2.切屑 3.粘结剂 4.金刚石颗粒
图1
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，如图1所示。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。
1.金刚石 2.切屑
图2
1.金刚石颗粒 2.切屑 3.粘结剂 4.刀体
图3
1.夹持部 2.后导部 3.倒锥部 4. 校正部 5.切削部 6.前导部
图4
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(图2)， 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(图3)。
3 内包容金刚石铰刀的结构设计
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的结构简图如图4所示。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。
L——切削部长度，x——实际切削长度，q——切削部锥角
图5
图6
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q=0°3′～0°15′，精铰时取q=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(图5)。锥角大小的计算公式为
tgq=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(图6)。
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。比较合理的电镀工艺规范如下表所示： 名称 含量(g/L) 硫酸镍(NiSO4—7H2O) 250～300 氯化钠(NaCl) 10～20 硼酸(H3BO3) 35～40 糖精(6H5COSO2NH2) 1～2 香豆素(C9H6O2) 0.5～1 十二烷基硫酸钠(C12H25SO4Na) 0.1～0.2 PH值 4.0～4.5 温度(℃) 40～45 电流密度(A/dm2) 1.5～3
了使电镀层尺寸均匀且沉积速度快，针对内镀法电镀液流动性差的缺陷，电镀时宜采用流动电镀工艺，电镀液循环流动的速度大约为5～30m/min。
刀体材料一般用45钢，淬火至硬度40～45HRC，经精磨而成。
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。
5 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。
Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, ,,,etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, it’s our pleasure to serve for you. BW product including: utting tool、aerospace tool .HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、Core drill、Taperd end mills、Metric end mills、Miniature end mills、Pilot reamer、Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angeled carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-noseed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.
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摘要：金刚石铰刀具有加工精度高、表面粗糙度值小、效率高、寿命长等优点，目前已日益广泛应用于精密孔零件的加工之中。文章介绍了精密金刚石铰刀的一种新型设计与制造的方法——内包容电镀法，阐述了此种铰刀的设计与制造中一些关键技术问题。
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。
1.刀体 2.切屑 3.粘结剂 4.金刚石颗粒
图1
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，如图1所示。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。
1.金刚石 2.切屑
图2
1.金刚石颗粒 2.切屑 3.粘结剂 4.刀体
图3
1.夹持部 2.后导部 3.倒锥部 4. 校正部 5.切削部 6.前导部
图4
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(图2)， 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(图3)。
3 内包容金刚石铰刀的结构设计
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的结构简图如图4所示。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。
L——切削部长度，x——实际切削长度，q——切削部锥角
图5
图6
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q=0°3′～0°15′，精铰时取q=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(图5)。锥角大小的计算公式为
tgq=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(图6)。
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。比较合理的电镀工艺规范如下表所示： 名称 含量(g/L) 硫酸镍(NiSO4—7H2O) 250～300 氯化钠(NaCl) 10～20 硼酸(H3BO3) 35～40 糖精(6H5COSO2NH2) 1～2 香豆素(C9H6O2) 0.5～1 十二烷基硫酸钠(C12H25SO4Na) 0.1～0.2 PH值 4.0～4.5 温度(℃) 40～45 电流密度(A/dm2) 1.5～3
了使电镀层尺寸均匀且沉积速度快，针对内镀法电镀液流动性差的缺陷，电镀时宜采用流动电镀工艺，电镀液循环流动的速度大约为5～30m/min。
刀体材料一般用45钢，淬火至硬度40～45HRC，经精磨而成。
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。
5 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。
Welcome to BW tool world! We are an experienced tool maker specialized in cutting tools. We focus on what you need and endeavor to research the best cutter to satisfy users’ demand. Our customers involve wide range of industries, like mold & die, aerospace, electronic, machinery, ,,,etc. We are professional expert in cutting field. We would like to solve every problem from you. Please feel free to contact us, it’s our pleasure to serve for you. BW product including: utting tool、aerospace tool .HSS Cutting tool、Carbide end mills、Carbide cutting tool、NAS Cutting tool、Carbide end mill、Aerospace cutting tool、Carbide drill、High speed steel、Milling cutter、Core drill、Taperd end mills、Metric end mills、Miniature end mills、Pilot reamer、Electronics cutter、Step drill、Metal cutting saw、Double margin drill、Gun barrel、Angle milling cutter、Carbide burrs、Carbide tipped cutter、Chamfering tool、IC card engraving cutter、Side cutter、NAS tool、DIN tool、Special tool、Metal slitting saws、Shell end mills、Side and face milling cutters、Side chip clearance saws、Long end mills、Stub roughing end mills、Dovetail milling cutters、Carbide slot drills、Carbide torus cutters、Angeled carbide end mills、Carbide torus cutters、Carbide ball-noseed slot drills、Mould cutter、Tool manufacturer.
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