鏜削加工

鏜削

一、鏜床及其發展歷史

鏜削作為作為具有現代意義最早的加工方法伴隨著第一臺車床鏜床的出現而大

放異彩。說起鏜床，還先得說說達2芬奇。這位傳奇式的人物，可能就是最早用

于金屬加工的鏜床的設計者。他設計的鏜床是以水力或腳踏板作為動力，鏜削的

工具緊貼著工件旋轉，工件則固定在用起重機帶動的移動臺上。1540年，另一

位畫家畫了一幅《火工術》的畫，也有同樣的鏜床圖，那時的鏜床專門用來對中

空鑄件進行精加工。

由于制造武器的需要，在15世紀就已經出現了水力驅動的炮筒鏜床。1769

年J.瓦特取得實用蒸汽機專利后，汽缸的加工精度就成了蒸汽機的關鍵問題。到

了17世紀，由于軍事上的需要，大炮制造業的發展十分迅速，如何制造出大炮

的炮筒成了人們亟需解決的一大難題。

1774年英國人J.威爾金森發明炮筒鏜床，威爾金森的鏜床是一種能夠精密地

加工大炮的鉆孔機，它是一種空心圓筒形鏜桿，兩端都安裝在軸承上。次年用于

為瓦特蒸汽機加工汽缸體。1776年他又制造了一臺較為精確的汽缸鏜床。1880

年前后，在德國開始生產帶前后立柱和工作臺的臥式鏜床。為適應特大、特重工

件的加工，20世紀30年代發展了落地鏜床。隨著銑削工作量的增加，50年代出

現了落地鏜銑床。20世紀初，由于鐘表儀器制造業的發展，需要加工孔距誤差

較小的設備，在瑞士出現了坐標鏜床。為了提高鏜床的定位精度，已廣泛采用光

學讀數頭或數字顯示裝置。有些鏜床還采用數字控制系統實現坐標定位和加工過

程自動化。

鏜床的主要功能是鏜削工件上各種孔和孔系，特別適合于多孔的箱體類零件的加

工。此外，還能加工平面、溝槽等。鏜床的主要工作范圍有：在鏜床上可以對工

件進行鉆孔、擴孔和鉸孔等一般加工。能對各種大、中型零件的孔或孔系進行鏜

削加工。能利用鏜床主軸，安裝銑刀盤或其他銑刀，對工件進行銑削加工。在臥

式鏜床上，還可以利用平旋盤和其他機床附件，鏜削大孔、大端面、槽及進行螺

紋等一些特殊的鏜削加工。

鏜床按外形結構特征，可分為立式、臥式兩大類。立式坐標鏜床分為單立柱

式和雙立柱式；臥式坐標鏜床分為縱床身式和橫床身式。 坐標鏜床主要用以

鏜削高精度孔和有精確坐標精度的孔。可進行高精度的銑削加工。還常用來在樣

板和精密零件上劃線和刻線，以及對精密零件進行測量等工作。 坐標鏜床的孔

加工坐標定位精度可達0.004~0.01mm，加工面的表面粗糙度值小于Ra0.8μm。

不得不說的是鏜削加工的工具，鏜刀。鏜刀是鏜削刀具的一種，一般是圓柄

的，也有較大工件使用方刀桿，最常用的場合就是鏜刀

內孔加工，擴孔，仿形等。有一個或兩個切削部分、專門用于對已有的孔進

行粗加工、半精加工或精加工的刀具。鏜刀可在鏜床、車床或銑床上使用。 因

裝夾方式的不同，部有方柄、莫氏錐柄和7:24錐柄等多種形式。單刃鏜刀切削

部分的形狀與車刀相似。為了使孔獲得高的尺寸精度，精加工用鏜刀的尺寸需要

準確地調整。微調鏜刀可以在機床上精確地調節鏜孔尺寸，它有一個精密游標刻

線的指示盤，指示盤同裝有鏜刀頭的心桿組成一對精密絲桿螺母副機構。當轉動

螺母時，裝有刀頭的心桿即可沿定向鍵作直線移動，借助游標刻度讀數精度可達

0.001毫米。鏜刀的尺寸也可在機床外用對刀儀預調。雙刃鏜刀有兩個分布在中

心兩側同時切削的刀齒，由于切削時產生的徑向力互相平衡,可加大切削用量,生

產效率高。雙刃鏜刀按刀片在鏜桿上浮動與否分為浮動鏜刀和定裝鏜刀。浮動鏜

刀適用于孔的精加工。它實際上相當于鉸刀，能鏜削出尺寸精度高和表面光潔的

孔，但不能修正孔的直線性偏差。為了提高重磨次數，浮動鏜刀常制成可調結構。

為了適應各種孔徑和孔深的需要并減少鏜刀的品種規格，人們將鏜桿和刀頭設計

成系列化的基本件──模塊。使用時可根據工件的要求選用適當的模塊，拼合成

各種鏜刀,從而簡化了刀具的設計和制造。

二、鏜削加工的工藝特點及應用

鏜床是一種主要用鏜刀在工件上加工孔的機床。通常用于加工尺寸較大，精度要

求較高的孔，特別是分布在不同表面上，孔距和位置精度要求較高的孔。如箱體

上的孔，還可以進行銑削，鉆孔，擴孔，鉸孔等工作。

鏜削運動構成:鏜刀隨鏜桿一起轉動，形成主切削運動，而工件不動。

用鏜刀對已有的孔進行再加工，稱為銳孔。對于直徑較大的孔(一般D> 80～

100mm)、內成形面或孔內環槽等，銼削是唯一合適的加工方法。一般銼孔精度

達1T8～IT7，表而粗糙度值為0.8～1.6μm。精細鏜時，精度可達IT7～IT6，表

面粗糙度Ra值為0.2～0.8μm。鏜孔可以在多種機床上進行。回轉體零件上的孔

多在車床上加工，箱體類零件上的孔或孔系(即要求相互平行或垂直的若干幾個

孔)則常用悼床加工。

鏜削是一種用刀具擴大孔或其它圓形輪廓的內徑車削工藝，其應用范圍一般從半

粗加工到精加工，所用刀具通常為單刃鏜刀（稱為鏜桿）。

鏜刀有三個基本元件：可轉位刀片、刀桿和鏜座。鏜座用于夾持刀桿，夾持長度

通常約為刀桿直徑的4倍。裝有刀片的刀桿從鏜座中伸出的長度稱為懸伸量（鏜

刀的無支承部分）。懸伸量決定了鏜孔的最大深度，是鏜刀最重要的尺寸。懸伸

量過大會造成刀桿嚴重撓曲，引起振顫，從而破壞工件的表面質量，還可能使刀

片過早失效。這些都會降低加工效率。

對于大多數加工應用，用戶都應該選用靜剛度和動剛度盡可能高的鏜刀。靜剛度

反映鏜刀承受因切削力而產生撓曲的能力，動剛度則反映鏜刀抑制振動的能力。

作用于鏜刀上的切削力可用一個旋轉測力計進行測量。被測力包括切向力、進給

力和徑向力。與其它兩個力相比，切向力的量值最大。

切向力垂直作用于刀片的前刀面，并將鏜刀向下推。需要注意，切向力作用于刀

片的刀尖附近，而并非作用于刀桿的中心軸線，這一點至關重要。切向力偏離中

心線產生了一個力臂（從刀桿中心線到受力點的距離），從而形成一個力矩，它

會引起鏜刀相對其中心線發生扭轉變形。

進給力是量值第二大的力，其作用方向平行于刀桿的中心線，因此不會引起鏜刀

的撓曲。徑向力的作用方向垂直于刀桿的中心線，它將鏜刀推離被加工表面。

因此，只有切向力和徑向力會使鏜刀產生撓曲。已沿用了幾十年的一種經驗算法

為：進給力和徑向力的大小分別約為切向力的25％和50％。但如今，人們認為

這種比例關系并非“最優算法”，因為各切削力之間的關系取決于特定的工件材

料及其硬度、切削條件和刀尖圓弧半徑。推薦采用以下公式來計算切向力Ft：

Ft＝3960003切削深度3進給率3功率常數

加工不同工件材料時鏜刀所受徑向力的計算公式見下表。

鏜刀徑向力的計算

工件材料－布氏硬度－徑向力計算公式

碳鋼，合金鋼，不銹鋼，工具鋼－80～250－Fr＝0.3083Ft

碳鋼，合金鋼，不銹鋼，工具鋼－250～400－Fr＝0.6723Ft

球墨鑄鐵，灰鑄鐵－150～300－Fr＝0.3313Ft

鏜刀的撓曲

鏜刀類似于一端固定（鏜座夾持部分）、另一端無支承（刀桿懸伸）的懸臂梁，

因此可用懸臂梁撓曲計算公式來計算鏜刀的撓曲量：

y=(F×L3)/(3E×I)

式中：F為合力，L為懸伸量（單位：英寸），E為彈性模量（即刀桿材料的楊氏

模量）（單位：psi，磅/平方英寸），I為刀桿的截面慣性矩（單位：英寸4）。

鏜刀桿截面慣性矩的計算公式為：

I=(π×D4)/64

式中：D為鏜刀桿的外徑（單位：英寸）。

鏜刀撓曲計算實例：

加工條件：工件材料：AISI 1045碳鋼，硬度HB250；切削深度：0.1″，進給量：

0.008英寸/轉；刀桿直徑：1″，刀桿的彈性模量：E＝303106psi，刀桿的懸伸

量：4″。

（1）切向力的計算

Ft＝3960003切削深度3進給量3功率常數＝39600030.130.00830.99＝

313.6 lbs

（2）徑向力的計算

Fr＝0.3083Ft＝0.3083313.6＝96.6 lbsnextpage

（3）合力的計算

F＝328.1 lbs

（4）截面慣性矩的計算：

I＝(π3D4)/64＝0.0491 in.4

（5）鏜刀撓曲的計算

y=(F3L3)/(3E3I)=0.0048″

分析鏜刀撓曲和截面慣性矩的計算公式可知，在鏜削加工時應遵循以下原則：

（1）鏜刀的懸伸量應盡可能小。因為隨著懸伸量的增大，撓曲量也會隨之增大。

例如，當懸伸量增大1.25倍時，在刀桿外徑和切削參數保持不變的情況下，撓

曲量將增大近2倍。

（2）鏜刀桿的直徑應盡可能大。因為當刀桿直徑增大時，其截面慣性矩也會增

大，撓曲量將會減小。例如，當刀桿直徑增大1.25倍時，在懸伸量和切削參數

保持不變的情況下，撓曲量將減小近2.5倍。

（3）在懸伸量、刀桿外徑和切削參數保持不變時，采用高彈性模量材料的

鏜刀桿可以減小撓曲量。

鏜刀桿的材料

鏜刀桿由鋼、鎢基高密度合金或硬質合金制成。合金鋼是最常用的刀桿材料，也

有一些鏜刀桿制造商采用AISI 1144碳高速鋼。無論何種牌號的碳鋼和合金鋼，

都有相同的彈性模量：E＝303106psi。一種常見的誤解是認為采用高硬度或高品

質鋼制造鏜刀桿可以減小撓曲量。而從撓曲計算公式可以看出，決定撓曲的變量

之一是彈性模量而非硬度。

鎢基合金是采用粉末冶金技術加工制成。鎢、鎳、鐵、銅等高純度金屬粉末是燒

結各種合金的典型元素，其中有些合金可用于制作鏜刀桿和其它刀柄。用于制作

鏜刀桿的典型鎢基高密度合金牌號是K1700（E=453106psi）和K1800（E=483

106psi），用它們制成的鏜刀桿在以相同切削參數進行鏜削加工時，其撓曲量可比

相同直徑和懸伸量的鋼制刀桿減小50％～60％。

用硬質合金制成的鏜刀桿撓曲量非常小，因為其彈性模量比鋼和高密度鎢基合金

高得多。制作鏜刀桿的典型硬質合金牌號的碳化鎢含量為90％～94％，鈷含量

為10％～6％，根據行業編碼規定，此類牌號屬于C-1（E=823106～843106psi）、

C-2（E=853106～873106psi）或C-3（E=893106psi）系列。

鏜刀片的材料及幾何參數

鏜刀片可采用硬質合金、陶瓷、金屬陶瓷、PCD、PCBN等不同刀具材料制成。

硬質合金鏜刀片大多采用PVD或CVD涂層。例如，PVD TiN涂層適于加工高

溫合金和奧氏體不銹鋼；PVD TiAlN涂層用途廣泛，適于加工大部分鋼、鈦合金、

鑄鐵及有色金屬合金。這兩種涂層都涂覆于具有良好抗熱變形和抗斷續切削能力

的硬質合金基體上。此類硬質合金基體含有約94％的碳化鎢和約6％的鈷，屬于

行業編碼規定中的C-3和C-4系列，相當于ISO標準的K-10～K-20、M-10～M-25

及P-10～P-20系列。

CVD涂層硬質合金牌號適用于大部分鋼和鑄鐵材料的鏜削加工。CVD涂層

是由TiN、Al2O3、TiCN及TiC等多層成分組成的復合涂層，其中每一層涂層都

具有特定功能，不同的涂層組合能抵抗不同的磨損機制。典型的硬質合金牌號由

碳化鎢、碳化鉭及含鈷TiC等多元碳化物組成，屬于行業編碼規定中的C-1～C-4、

C-5～C-7系列，相當于ISO標準中的K-10～K-30、M-10～M-45和P-05～P-45

系列。

陶瓷刀片牌號包括氧化鋁（Al2O3）基和氮化硅（Si3N4）基兩大類。氧化鋁基陶

瓷刀片又分為未涂層和PVD TiN涂層兩類牌號。未涂層牌號具有較好的韌性和

耐磨性，推薦用于合金鋼、工具鋼和硬度大于HRC60的馬氏體不銹鋼的鏜削加

工。涂層牌號則用于淬硬鋼、鑄鐵（硬度HRC45或更高）、鎳基及鈷基合金的精

鏜加工。

氮化硅基陶瓷刀片包括雙層CVD涂層（一層是TiN，另一層是Al2O3）牌號和

未涂層牌號。涂層牌號兼具良好的韌性和刃口耐磨性，推薦用于灰鑄鐵和球墨鑄

鐵的鏜削加工。某些未涂層牌號具有優異的抗熱沖擊性及抗斷裂韌性，而另一些

牌號能夠吸收機械沖擊和保持良好的刃口耐磨性，此類牌號適于高溫合金的鏜削

加工。具有高韌性的未涂層牌號推薦用于灰鑄鐵的粗鏜加工和斷續鏜削。

金屬陶瓷是由陶瓷材料（鈦基硬質合金）與金屬（鎳、鈷）結合劑組合而成的復

合材料。金屬陶瓷分為涂層牌號和未涂層牌號兩類。未涂層牌號硬度較高，具有

良好的抗積屑瘤和抗塑性變形能力，用于光潔度要求較高的合金鋼精鏜加工。多

層PVD涂層牌號（兩層TiN涂層之間夾一層TiCN涂層）可用于大部分碳鋼、

合金鋼及不銹鋼的高速精鏜和半精鏜加工；用于加工灰鑄鐵和球墨鑄鐵時，也可

獲得較長的刀具壽命和良好的表面光潔度。

聚晶金剛石（PCD）是由金剛石微粉、結合劑和催化劑在高溫、高壓下制成的超

硬材料。PCD刀片是將PCD刀尖焊接在硬質合金基體上制成的。PCD刀具最有

效的用途是加工過共晶鋁合金（硅含量超過12.6％）。PCD刀具的切削刃能長久

保持鋒利，超過了任何其它刀具材料。此外，PCD刀具適用于高速切削。

聚晶立方氮化硼（PCBN）的硬度僅次于PCD。市場供應的PCBN刀片有多種結

構型式，如焊接式PCBN刀片（將或大或小的PCBN刀尖焊接在硬質合金刀片

上）、整體PCBN刀片、采用硬質合金基體的全加工面PCBN刀片等。PCBN刀

片牌號通常用于淬硬鋼、工具鋼、高速鋼（HRC45～60）、灰鑄鐵、冷硬鑄鐵以

及粉末冶金材料的精鏜加工。PCBN的一個獨特性能是其室溫硬度與切削時的高

溫硬度基本相同，這就使PCBN刀具在高速加工中可獲得比加工相同工件的其它

類型刀具更長的刀具壽命。

用于鋼制鏜刀桿的鏜刀片型號有：CNMG 332、CNMG432和CNMG542；DNMG

332和DNMG 442；SNMG 432；TNMG 332和TNMG 432；VNMG 332和VNMG

432；WNMG 332和WNMG 432。鏜刀片的主要幾何角度有前角、刃傾角和余偏

角。前角和刃傾角為負值，典型的前角值為－6°；刃傾角根據刀片形狀的不同，

在－10°～－16°之間取值；余偏角與刀片形狀有關：CNMG和WNMG為－5°，

DNMG和VNMG為－3°，TNMG為－1°，SNMG為15°。

用戶通過對刀片材料及幾何參數、刀桿材料及切削力進行認真權衡和優選，

就會使鏜刀的撓曲減至最小，加工出符合要求的孔。

三、鏜削新發展

鏜削工藝的新發展主要決定于新技術、新材料在鏜刀制造方面的應用：近幾年來

智能刀具、模塊式組合鏜刀等層出不窮。

現在的新型鏜刀可縮短工藝過程中的調刀時間，幫助用戶高速、小批量地生

產產品，從而保證工廠和車間及時完成生產加工任務。此外，這種鏜刀自身可進

行自動調節、修正磨損、補償誤差或自動成形。以KomTronic鏜刀為例，這一

系列的侍服傳動鏜刀由美國Komet公司生產提供。鏜削加工頭內的滑板由侍服

電機傳動，它控制著脈沖，使鏜桿向較大的直徑方向移動，或支持其向較小的直

徑方向移動。這一機構提高了鏜床的加工精度，不需采用手工調節的方法調節螺

絲。

Komet公司的工程師們也在鏜桿內安裝了導軌，采用侍服電機來傳動鏜刀片，可

使一錐形刀桿軸向移動，也可使鏜刀片向外擴大到更大的直徑或向內縮小到更小

的直徑。這取決于鏜刀的設計，它可通過一個閉環系統，自動地對兩個平面進行

補償。鏜刀頭的行程范圍可以變化，比如MO42可以在-1.0～+1.5mm的行程范

圍內調節1mm，而U軸可偏離中心移動高達±25mm，鏜削精度可達±10mm。

智能刀具

Makino公司使用的是Smart系列智能刀具。Makino公司采用的方法不是利

用電機進行傳動，而是采用切削液使其通過刀具，在流經切削區潤滑和冷卻前，

迫使切削液起到另一個作用，那就是幫助清除切屑。一種稱作冷卻液可調鏜桿或

CABB的雙重鑲刀片設計形式的鏜刀，其中包含一個內部的尼龍氣囊。隨著壓力

的增加，氣囊隨之膨脹，迫使含有鑲刀片刀架上的兩個刀片向外擴張，因此使刀

具的直徑擴大。

然而，為了適應氣囊的要求，鏜刀所需的局限直徑至少應為51mm。為了使

這一機構能縮套在鏜刀上，其直徑應小到25.4mm，為此，設計組開發了一種“簡

易密封”裝置。Makino公司在兩個鑲刀片之間增加了一個夾心鋼片。這一中心

件是固定的，隨著壓力的增加，里面的液體將推動刀片向外分離。

雖然Makino公司設計和生產了精度達到0.51mm的鏜桿(見圖1)，但其設計

的大部分CABB鏜刀精度卻能達到0.25mm左右。其原因是因為當刀具的精度一

旦大大超過這一數值時，對于大部分工作而言，精度就開始過度下降。大部分的

鑲刀片在需要更換前，其磨損只有0.127 mm或更少。因此，仍然有余地使刀具

擴大至第二次、甚至擴大至第三次使用。

模塊式組合鏜刀

模塊式鏜刀即是將鏜刀分為：基礎柄(Basic Holder)、延長器(Extension)、減徑器

(Reduction)、鏜桿）、鏜頭(Boring Head)、刀片座(Inrt Holder)、刀片(Inrt)、（倒

角環）等多個部分，然后根據具體的加工內容（粗鏜、精鏜；孔的直徑、深度、

形狀；工件材料等）進行自由組合。這樣不但大大地減少了刀柄的數量，降低了

成本，也可以迅速對應各種加工要求，并延長刀具整體的壽命。

模塊式鏜刀最先出現在歐洲市場，大約20年前日本大昭和精機株式會社(BIG)

與瑞士KAISER公司進行技術合作，BIG-KAISER模塊式鏜刀首次出現在日本市

場，并逐漸取代了一體式鏜刀的地位。

現代鏜刀之所以能夠提供高精度和較大靈活性的另一因素是模塊式組合鏜刀的

制造商也像其他的制造商那樣，已經投資了較好的生產加工工藝，以便充分發揮

現代機床的加工能力。因此，現在的模塊式組合鏜刀具有更高的精度。據Ingersoll

刀具公司的鏜削加工生產線經理介紹，10年前，零件的組裝重復精度達到

0.0127～0.0178mm是可以接受的。但現在的情況不再如此了。他指出，Ingersoll

刀具公司的模塊式組合刀具一般的公差尺寸范圍為2～4mm(見圖2)。

圖2 Ingersoll公司的模塊式鏜刀，它可根據用戶的需要，直接將庫存的模塊元件

組裝成鏜削系統。當然，這并不是意味著單件的實心鏜桿將很快在任一時間退出

歷史舞臺。Ingersoll公司也投資了一條實心鏜桿生產線，使用導向塊作為它們的

起點，他們可能會應用PCD鑲刀片加工有色金屬，或使用CBN鑲刀片加工鑄鐵。

只需調節刀片的前、后角，就能夠使孔徑達到相應的精度要求。

這類鏜桿不需要隨同鉆孔就可以自動鏜孔。有時候，Ingersoll刀具公司根據

所謂的可控刀桿來生產這類鏜桿，就可以對主軸和工件之間任何未經校準的地方

進行補償，因此效果非常不錯。這些刀桿上裝有調節螺絲，可補償X軸和Y軸

的傾斜角度，從而使操作人員可根據工件的相對位置來測量調節刀具。這類刀具

的其中一項用途就是鏜削加工汽車的閥座。生產一種特殊的刀具應用于一種可控

的刀桿上，也許就能夠使客戶不必對氣缸體或氣缸蓋進行磨削加工，其經濟效益

是十分可觀的。聯軸機構提高鏜刀的穩定性