镗削加工

镗削

一、镗床及其发展历史

镗削作为作为具有现代意义最早的加工方法伴随着第一台车床镗床的出现而大

放异彩。说起镗床，还先得说说达²芬奇。这位传奇式的人物，可能就是最早用

于金属加工的镗床的设计者。他设计的镗床是以水力或脚踏板作为动力，镗削的

工具紧贴着工件旋转，工件则固定在用起重机带动的移动台上。1540年，另一

位画家画了一幅《火工术》的画，也有同样的镗床图，那时的镗床专门用来对中

空铸件进行精加工。

由于制造武器的需要，在15世纪就已经出现了水力驱动的炮筒镗床。1769

年J.瓦特取得实用蒸汽机专利后，汽缸的加工精度就成了蒸汽机的关键问题。到

了17世纪，由于军事上的需要，大炮制造业的发展十分迅速，如何制造出大炮

的炮筒成了人们亟需解决的一大难题。

1774年英国人J.威尔金森发明炮筒镗床，威尔金森的镗床是一种能够精密地

加工大炮的钻孔机，它是一种空心圆筒形镗杆，两端都安装在轴承上。次年用于

为瓦特蒸汽机加工汽缸体。1776年他又制造了一台较为精确的汽缸镗床。1880

年前后，在德国开始生产带前后立柱和工作台的卧式镗床。为适应特大、特重工

件的加工，20世纪30年代发展了落地镗床。随着铣削工作量的增加，50年代出

现了落地镗铣床。20世纪初，由于钟表仪器制造业的发展，需要加工孔距误差

较小的设备，在瑞士出现了坐标镗床。为了提高镗床的定位精度，已广泛采用光

学读数头或数字显示装置。有些镗床还采用数字控制系统实现坐标定位和加工过

程自动化。

镗床的主要功能是镗削工件上各种孔和孔系，特别适合于多孔的箱体类零件的加

工。此外，还能加工平面、沟槽等。镗床的主要工作范围有：在镗床上可以对工

件进行钻孔、扩孔和铰孔等一般加工。能对各种大、中型零件的孔或孔系进行镗

削加工。能利用镗床主轴，安装铣刀盘或其他铣刀，对工件进行铣削加工。在卧

式镗床上，还可以利用平旋盘和其他机床附件，镗削大孔、大端面、槽及进行螺

纹等一些特殊的镗削加工。

镗床按外形结构特征，可分为立式、卧式两大类。立式坐标镗床分为单立柱

式和双立柱式；卧式坐标镗床分为纵床身式和横床身式。 坐标镗床主要用以

镗削高精度孔和有精确坐标精度的孔。可进行高精度的铣削加工。还常用来在样

板和精密零件上划线和刻线，以及对精密零件进行测量等工作。 坐标镗床的孔

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

不得不说的是镗削加工的工具，镗刀。镗刀是镗削刀具的一种，一般是圆柄

的，也有较大工件使用方刀杆，最常用的场合就是镗刀

内孔加工，扩孔，仿形等。有一个或两个切削部分、专门用于对已有的孔进

行粗加工、半精加工或精加工的刀具。镗刀可在镗床、车床或铣床上使用。 因

装夹方式的不同，部有方柄、莫氏锥柄和7:24锥柄等多种形式。单刃镗刀切削

部分的形状与车刀相似。为了使孔获得高的尺寸精度，精加工用镗刀的尺寸需要

准确地调整。微调镗刀可以在机床上精确地调节镗孔尺寸，它有一个精密游标刻

线的指示盘，指示盘同装有镗刀头的心杆组成一对精密丝杆螺母副机构。当转动

螺母时，装有刀头的心杆即可沿定向键作直线移动，借助游标刻度读数精度可达

0.001毫米。镗刀的尺寸也可在机床外用对刀仪预调。双刃镗刀有两个分布在中

心两侧同时切削的刀齿，由于切削时产生的径向力互相平衡,可加大切削用量,生

产效率高。双刃镗刀按刀片在镗杆上浮动与否分为浮动镗刀和定装镗刀。浮动镗

刀适用于孔的精加工。它实际上相当于铰刀，能镗削出尺寸精度高和表面光洁的

孔，但不能修正孔的直线性偏差。为了提高重磨次数，浮动镗刀常制成可调结构。

为了适应各种孔径和孔深的需要并减少镗刀的品种规格，人们将镗杆和刀头设计

成系列化的基本件──模块。使用时可根据工件的要求选用适当的模块，拼合成

各种镗刀,从而简化了刀具的设计和制造。

二、镗削加工的工艺特点及应用

镗床是一种主要用镗刀在工件上加工孔的机床。通常用于加工尺寸较大，精度要

求较高的孔，特别是分布在不同表面上，孔距和位置精度要求较高的孔。如箱体

上的孔，还可以进行铣削，钻孔，扩孔，铰孔等工作。

镗削运动构成:镗刀随镗杆一起转动，形成主切削运动，而工件不动。

用镗刀对已有的孔进行再加工，称为锐孔。对于直径较大的孔(一般D> 80～

100mm)、内成形面或孔内环槽等，锉削是唯一合适的加工方法。一般锉孔精度

达1T8～IT7，表而粗糙度值为0.8～1.6μm。精细镗时，精度可达IT7～IT6，表

面粗糙度Ra值为0.2～0.8μm。镗孔可以在多种机床上进行。回转体零件上的孔

多在车床上加工，箱体类零件上的孔或孔系(即要求相互平行或垂直的若干几个

孔)则常用悼床加工。

镗削是一种用刀具扩大孔或其它圆形轮廓的内径车削工艺，其应用范围一般从半

粗加工到精加工，所用刀具通常为单刃镗刀（称为镗杆）。

镗刀有三个基本元件：可转位刀片、刀杆和镗座。镗座用于夹持刀杆，夹持长度

通常约为刀杆直径的4倍。装有刀片的刀杆从镗座中伸出的长度称为悬伸量（镗

刀的无支承部分）。悬伸量决定了镗孔的最大深度，是镗刀最重要的尺寸。悬伸

量过大会造成刀杆严重挠曲，引起振颤，从而破坏工件的表面质量，还可能使刀

片过早失效。这些都会降低加工效率。

对于大多数加工应用，用户都应该选用静刚度和动刚度尽可能高的镗刀。静刚度

反映镗刀承受因切削力而产生挠曲的能力，动刚度则反映镗刀抑制振动的能力。

作用于镗刀上的切削力可用一个旋转测力计进行测量。被测力包括切向力、进给

力和径向力。与其它两个力相比，切向力的量值最大。

切向力垂直作用于刀片的前刀面，并将镗刀向下推。需要注意，切向力作用于刀

片的刀尖附近，而并非作用于刀杆的中心轴线，这一点至关重要。切向力偏离中

心线产生了一个力臂（从刀杆中心线到受力点的距离），从而形成一个力矩，它

会引起镗刀相对其中心线发生扭转变形。

进给力是量值第二大的力，其作用方向平行于刀杆的中心线，因此不会引起镗刀

的挠曲。径向力的作用方向垂直于刀杆的中心线，它将镗刀推离被加工表面。

因此，只有切向力和径向力会使镗刀产生挠曲。已沿用了几十年的一种经验算法

为：进给力和径向力的大小分别约为切向力的25％和50％。但如今，人们认为

这种比例关系并非“最优算法”，因为各切削力之间的关系取决于特定的工件材

料及其硬度、切削条件和刀尖圆弧半径。推荐采用以下公式来计算切向力Ft：

Ft＝396000³切削深度³进给率³功率常数

加工不同工件材料时镗刀所受径向力的计算公式见下表。

镗刀径向力的计算

工件材料－布氏硬度－径向力计算公式

碳钢，合金钢，不锈钢，工具钢－80～250－Fr＝0.308³Ft

碳钢，合金钢，不锈钢，工具钢－250～400－Fr＝0.672³Ft

球墨铸铁，灰铸铁－150～300－Fr＝0.331³Ft

镗刀的挠曲

镗刀类似于一端固定（镗座夹持部分）、另一端无支承（刀杆悬伸）的悬臂梁，

因此可用悬臂梁挠曲计算公式来计算镗刀的挠曲量：

y=(F×L3)/(3E×I)

式中：F为合力，L为悬伸量（单位：英寸），E为弹性模量（即刀杆材料的杨氏

模量）（单位：psi，磅/平方英寸），I为刀杆的截面惯性矩（单位：英寸4）。

镗刀杆截面惯性矩的计算公式为：

I=(π×D4)/64

式中：D为镗刀杆的外径（单位：英寸）。

镗刀挠曲计算实例：

加工条件：工件材料：AISI 1045碳钢，硬度HB250；切削深度：0.1″，进给量：

0.008英寸/转；刀杆直径：1″，刀杆的弹性模量：E＝30³106psi，刀杆的悬伸

量：4″。

（1）切向力的计算

Ft＝396000³切削深度³进给量³功率常数＝396000³0.1³0.008³0.99＝

313.6 lbs

（2）径向力的计算

Fr＝0.308³Ft＝0.308³313.6＝96.6 lbsnextpage

（3）合力的计算

F＝328.1 lbs

（4）截面惯性矩的计算：

I＝(π³D4)/64＝0.0491 in.4

（5）镗刀挠曲的计算

y=(F³L3)/(3E³I)=0.0048″

分析镗刀挠曲和截面惯性矩的计算公式可知，在镗削加工时应遵循以下原则：

（1）镗刀的悬伸量应尽可能小。因为随着悬伸量的增大，挠曲量也会随之增大。

例如，当悬伸量增大1.25倍时，在刀杆外径和切削参数保持不变的情况下，挠

曲量将增大近2倍。

（2）镗刀杆的直径应尽可能大。因为当刀杆直径增大时，其截面惯性矩也会增

大，挠曲量将会减小。例如，当刀杆直径增大1.25倍时，在悬伸量和切削参数

保持不变的情况下，挠曲量将减小近2.5倍。

（3）在悬伸量、刀杆外径和切削参数保持不变时，采用高弹性模量材料的

镗刀杆可以减小挠曲量。

镗刀杆的材料

镗刀杆由钢、钨基高密度合金或硬质合金制成。合金钢是最常用的刀杆材料，也

有一些镗刀杆制造商采用AISI 1144碳高速钢。无论何种牌号的碳钢和合金钢，

都有相同的弹性模量：E＝30³106psi。一种常见的误解是认为采用高硬度或高品

质钢制造镗刀杆可以减小挠曲量。而从挠曲计算公式可以看出，决定挠曲的变量

之一是弹性模量而非硬度。

钨基合金是采用粉末冶金技术加工制成。钨、镍、铁、铜等高纯度金属粉末是烧

结各种合金的典型元素，其中有些合金可用于制作镗刀杆和其它刀柄。用于制作

镗刀杆的典型钨基高密度合金牌号是K1700（E=45³106psi）和K1800（E=48³

106psi），用它们制成的镗刀杆在以相同切削参数进行镗削加工时，其挠曲量可比

相同直径和悬伸量的钢制刀杆减小50％～60％。

用硬质合金制成的镗刀杆挠曲量非常小，因为其弹性模量比钢和高密度钨基合金

高得多。制作镗刀杆的典型硬质合金牌号的碳化钨含量为90％～94％，钴含量

为10％～6％，根据行业编码规定，此类牌号属于C-1（E=82³106～84³106psi）、

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

镗刀片的材料及几何参数

镗刀片可采用硬质合金、陶瓷、金属陶瓷、PCD、PCBN等不同刀具材料制成。

硬质合金镗刀片大多采用PVD或CVD涂层。例如，PVD TiN涂层适于加工高

温合金和奥氏体不锈钢；PVD TiAlN涂层用途广泛，适于加工大部分钢、钛合金、

铸铁及有色金属合金。这两种涂层都涂覆于具有良好抗热变形和抗断续切削能力

的硬质合金基体上。此类硬质合金基体含有约94％的碳化钨和约6％的钴，属于

行业编码规定中的C-3和C-4系列，相当于ISO标准的K-10～K-20、M-10～M-25

及P-10～P-20系列。

CVD涂层硬质合金牌号适用于大部分钢和铸铁材料的镗削加工。CVD涂层

是由TiN、Al2O3、TiCN及TiC等多层成分组成的复合涂层，其中每一层涂层都

具有特定功能，不同的涂层组合能抵抗不同的磨损机制。典型的硬质合金牌号由

碳化钨、碳化钽及含钴TiC等多元碳化物组成，属于行业编码规定中的C-1～C-4、

C-5～C-7系列，相当于ISO标准中的K-10～K-30、M-10～M-45和P-05～P-45

系列。

陶瓷刀片牌号包括氧化铝（Al2O3）基和氮化硅（Si3N4）基两大类。氧化铝基陶

瓷刀片又分为未涂层和PVD TiN涂层两类牌号。未涂层牌号具有较好的韧性和

耐磨性，推荐用于合金钢、工具钢和硬度大于HRC60的马氏体不锈钢的镗削加

工。涂层牌号则用于淬硬钢、铸铁（硬度HRC45或更高）、镍基及钴基合金的精

镗加工。

氮化硅基陶瓷刀片包括双层CVD涂层（一层是TiN，另一层是Al2O3）牌号和

未涂层牌号。涂层牌号兼具良好的韧性和刃口耐磨性，推荐用于灰铸铁和球墨铸

铁的镗削加工。某些未涂层牌号具有优异的抗热冲击性及抗断裂韧性，而另一些

牌号能够吸收机械冲击和保持良好的刃口耐磨性，此类牌号适于高温合金的镗削

加工。具有高韧性的未涂层牌号推荐用于灰铸铁的粗镗加工和断续镗削。

金属陶瓷是由陶瓷材料（钛基硬质合金）与金属（镍、钴）结合剂组合而成的复

合材料。金属陶瓷分为涂层牌号和未涂层牌号两类。未涂层牌号硬度较高，具有

良好的抗积屑瘤和抗塑性变形能力，用于光洁度要求较高的合金钢精镗加工。多

层PVD涂层牌号（两层TiN涂层之间夹一层TiCN涂层）可用于大部分碳钢、

合金钢及不锈钢的高速精镗和半精镗加工；用于加工灰铸铁和球墨铸铁时，也可

获得较长的刀具寿命和良好的表面光洁度。

聚晶金刚石（PCD）是由金刚石微粉、结合剂和催化剂在高温、高压下制成的超

硬材料。PCD刀片是将PCD刀尖焊接在硬质合金基体上制成的。PCD刀具最有

效的用途是加工过共晶铝合金（硅含量超过12.6％）。PCD刀具的切削刃能长久

保持锋利，超过了任何其它刀具材料。此外，PCD刀具适用于高速切削。

聚晶立方氮化硼（PCBN）的硬度仅次于PCD。市场供应的PCBN刀片有多种结

构型式，如焊接式PCBN刀片（将或大或小的PCBN刀尖焊接在硬质合金刀片

上）、整体PCBN刀片、采用硬质合金基体的全加工面PCBN刀片等。PCBN刀

片牌号通常用于淬硬钢、工具钢、高速钢（HRC45～60）、灰铸铁、冷硬铸铁以

及粉末冶金材料的精镗加工。PCBN的一个独特性能是其室温硬度与切削时的高

温硬度基本相同，这就使PCBN刀具在高速加工中可获得比加工相同工件的其它

类型刀具更长的刀具寿命。

用于钢制镗刀杆的镗刀片型号有：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。镗刀片的主要几何角度有前角、刃倾角和余偏

角。前角和刃倾角为负值，典型的前角值为－6°；刃倾角根据刀片形状的不同，

在－10°～－16°之间取值；余偏角与刀片形状有关：CNMG和WNMG为－5°，

DNMG和VNMG为－3°，TNMG为－1°，SNMG为15°。

用户通过对刀片材料及几何参数、刀杆材料及切削力进行认真权衡和优选，

就会使镗刀的挠曲减至最小，加工出符合要求的孔。

三、镗削新发展

镗削工艺的新发展主要决定于新技术、新材料在镗刀制造方面的应用：近几年来

智能刀具、模块式组合镗刀等层出不穷。

现在的新型镗刀可缩短工艺过程中的调刀时间，帮助用户高速、小批量地生

产产品，从而保证工厂和车间及时完成生产加工任务。此外，这种镗刀自身可进

行自动调节、修正磨损、补偿误差或自动成形。以KomTronic镗刀为例，这一

系列的侍服传动镗刀由美国Komet公司生产提供。镗削加工头内的滑板由侍服

电机传动，它控制着脉冲，使镗杆向较大的直径方向移动，或支持其向较小的直

径方向移动。这一机构提高了镗床的加工精度，不需采用手工调节的方法调节螺

丝。

Komet公司的工程师们也在镗杆内安装了导轨，采用侍服电机来传动镗刀片，可

使一锥形刀杆轴向移动，也可使镗刀片向外扩大到更大的直径或向内缩小到更小

的直径。这取决于镗刀的设计，它可通过一个闭环系统，自动地对两个平面进行

补偿。镗刀头的行程范围可以变化，比如MO42可以在-1.0～+1.5mm的行程范

围内调节1mm，而U轴可偏离中心移动高达±25mm，镗削精度可达±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

用电机进行传动，而是采用切削液使其通过刀具，在流经切削区润滑和冷却前，

迫使切削液起到另一个作用，那就是帮助清除切屑。一种称作冷却液可调镗杆或

CABB的双重镶刀片设计形式的镗刀，其中包含一个内部的尼龙气囊。随着压力

的增加，气囊随之膨胀，迫使含有镶刀片刀架上的两个刀片向外扩张，因此使刀

具的直径扩大。

然而，为了适应气囊的要求，镗刀所需的局限直径至少应为51mm。为了使

这一机构能缩套在镗刀上，其直径应小到25.4mm，为此，设计组开发了一种“简

易密封”装置。Makino公司在两个镶刀片之间增加了一个夹心钢片。这一中心

件是固定的，随着压力的增加，里面的液体将推动刀片向外分离。

虽然Makino公司设计和生产了精度达到0.51mm的镗杆(见图1)，但其设计

的大部分CABB镗刀精度却能达到0.25mm左右。其原因是因为当刀具的精度一

旦大大超过这一数值时，对于大部分工作而言，精度就开始过度下降。大部分的

镶刀片在需要更换前，其磨损只有0.127 mm或更少。因此，仍然有余地使刀具

扩大至第二次、甚至扩大至第三次使用。

模块式组合镗刀

模块式镗刀即是将镗刀分为：基础柄(Basic Holder)、延长器(Extension)、减径器

(Reduction)、镗杆）、镗头(Boring Head)、刀片座(Inrt Holder)、刀片(Inrt)、（倒

角环）等多个部分，然后根据具体的加工内容（粗镗、精镗；孔的直径、深度、

形状；工件材料等）进行自由组合。这样不但大大地减少了刀柄的数量，降低了

成本，也可以迅速对应各种加工要求，并延长刀具整体的寿命。

模块式镗刀最先出现在欧洲市场，大约20年前日本大昭和精机株式会社(BIG)

与瑞士KAISER公司进行技术合作，BIG-KAISER模块式镗刀首次出现在日本市

场，并逐渐取代了一体式镗刀的地位。

现代镗刀之所以能够提供高精度和较大灵活性的另一因素是模块式组合镗刀的

制造商也像其他的制造商那样，已经投资了较好的生产加工工艺，以便充分发挥

现代机床的加工能力。因此，现在的模块式组合镗刀具有更高的精度。据Ingersoll

刀具公司的镗削加工生产线经理介绍，10年前，零件的组装重复精度达到

0.0127～0.0178mm是可以接受的。但现在的情况不再如此了。他指出，Ingersoll

刀具公司的模块式组合刀具一般的公差尺寸范围为2～4mm(见图2)。

图2 Ingersoll公司的模块式镗刀，它可根据用户的需要，直接将库存的模块元件

组装成镗削系统。当然，这并不是意味着单件的实心镗杆将很快在任一时间退出

历史舞台。Ingersoll公司也投资了一条实心镗杆生产线，使用导向块作为它们的

起点，他们可能会应用PCD镶刀片加工有色金属，或使用CBN镶刀片加工铸铁。

只需调节刀片的前、后角，就能够使孔径达到相应的精度要求。

这类镗杆不需要随同钻孔就可以自动镗孔。有时候，Ingersoll刀具公司根据

所谓的可控刀杆来生产这类镗杆，就可以对主轴和工件之间任何未经校准的地方

进行补偿，因此效果非常不错。这些刀杆上装有调节螺丝，可补偿X轴和Y轴

的倾斜角度，从而使操作人员可根据工件的相对位置来测量调节刀具。这类刀具

的其中一项用途就是镗削加工汽车的阀座。生产一种特殊的刀具应用于一种可控

的刀杆上，也许就能够使客户不必对气缸体或气缸盖进行磨削加工，其经济效益

是十分可观的。联轴机构提高镗刀的稳定性