一、管材材料
美国以前用于制造精密管材的主要材料是4140和4150（AISI），其中4140使用得更多，其对应的中国钢号是42CrMoA。
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（一）4140材料
- 材料名称：合金结构钢
- 牌号：4140
- 特性及适用范围：这种钢材具有中等淬透性，经过热处理后强度高，综合力学性能良好，加工性能优良，成材率高。其最高使用温度可达427℃，常用于制造汽轮机紧固件等高强度部件。
- 化学成分
- 碳（C）：0.33～0.48
- 硅（Si）：0.15～0.35
- 锰（Mn）：0.75～1.00
- 硫（S）：≤0.030
- 磷（P）：≤0.030
- 铬（Cr）：0.80～1.10
- 钼（Mo）：0.15～0.25
- 力学性能
- 抗拉强度（σb）：795 MPa
- 条件屈服强度（σ0.2）：610 MPa
- 伸长率（δ5）：22%
- 断面收缩率（ψ）：67%
- 冲击韧性值（αku）：157 J/cm²
- 硬度：241 HB
- 试样尺寸：某试样
- 热处理规范及金相组织
- 热处理规范：在880℃下加热1小时后进行油淬，然后在650～680℃下回火2小时，最后空冷。
- 金相组织：回火马氏体。
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（二）42CrMoA材料
- 执行标准：GB/T 3077—1999
- 统一数字代号：A30422
- 化学成分
- 碳（C）：0.38～0.45
- 硅（Si）：0.17～0.37
- 锰（Mn）：0.50～0.80
- 铬（Cr）：0.90～1.20
- 钼（Mo）：0.15～0.25
- 试样毛坯尺寸：25mm
- 热处理
- 淬火温度：850℃
- 冷却剂：油
- 回火温度：560℃
- 冷却剂：水或油
- 力学性能
- 抗拉强度：1080 MPa
- 屈服强度：930 MPa
- 伸长率：12%
- 断面收缩率：45%
- 冲击吸收功：63 J
- 退火或高温回火供应状态布氏硬度（HB）：≤217
- 用途：这种钢材适用于制造比35CrMo钢要求强度更高或断面更大的锻件，如机车牵引用大齿轮、增压器传动齿轮、后轴、发动机气缸等。它还可以用于制造1200～2000m石油深井钻杆接头与打捞工具，可替代含镍较高的调质钢。
- 材料：现在主要使用的管材钢是416（AISI），国内对应钢号是Y1Cr13，属于马氏体钢，是一种易切削不锈钢，也是不锈钢中切削性能最好的钢种之一。
- 牌号：Y1Cr13
- 标准：GB/T 1220 - 1992
- 特性及适用范围：这种钢材具有优良的切削性能，特别适合在自动车床上加工。
- 化学成分
- 碳（C）：≤0.15
- 硅（Si）：≤1.00
- 锰（Mn）：≤1.25
- 硫（S）：≤0.15
- 磷（P）：≤0.060
- 铬（Cr）：12.00～14.00
- 镍（Ni）：≤0.60（可选）
- 钼（Mo）：≤0.60（可选）
- 力学性能
- 抗拉强度（σb）：淬火回火后≥540 MPa
- 条件屈服强度（σ0.2）：淬火回火后≥345 MPa
- 伸长率（δ5）：淬火回火后≥25%
- 断面收缩率（ψ）：淬火回火后≥55%
- 冲击功（Akv）：淬火回火后≥78 J
- 硬度：退火状态下≤200 HB；淬火回火后≥159 HB
- 热处理规范及金相组织
- 热处理规范
- 退火：800～900℃缓冷或约750℃快冷
- 淬火：950～1000℃油冷
- 回火：700～750℃快冷
- 金相组织：组织特征为马氏体型。
二、精密管材内孔的深孔加工
（一）管材内孔的深孔铰削的运动方式
在加工精密管材内孔时，通常采用以下两种运动方式：
- 铰刀随主轴回转，工件不转，仅进行轴向进给
- 这种方式便于工件的装夹，一次可同时装夹6～8根管材，机床结构简单，因此应用较为广泛。
- 工件随主轴回转，铰刀不转，仅进行轴向进给
- 这种方式易于保证管材中心与刀具中心的同轴度，但机床结构相对复杂，一次只能装夹1～2根管材。
深孔铰削主要有以下两种方法：
- 推铰法
- 铰刀推过内孔。这种方法的优点是刀具加工制造和刃磨较为方便，刀杆可以通过已铰大的内孔，其直径可以做得稍大。然而，由于刀杆承受轴向压力和扭力，可能会发生弯曲，从而擦伤已加工的内孔表面。加工完成后，需要将铰刀退出内孔以便重新装夹，这可能会损伤已加工的内孔表面，或者需要先卸下铰刀，然后将刀杆退出内孔，再重新装上铰刀，这会增加辅助时间。因此，这种方法更适合低速铰削。
- 拉铰法
- 铰刀拉过内孔。在这种方法中，刀杆承受轴向拉力和扭力，不会发生弯曲，加工完成后，铰刀已经离开内孔，因此在重新装夹时不会损伤已加工的表面。切屑可以通过已铰大的内孔排出，排屑条件更为有利。但铰刀的切削刃靠近刀杆，刃磨较为困难。每加工完一根管材，必须取下铰刀，才能重新安装和继续加工，这也会增加辅助时间。因此，这种方法既适用于低速铰削，也适用于高速铰削。
精密管材内孔的主要技术参数如下：
- 内径：Φ18.4 + 0.20mm
- 表面粗糙度：Ra1.6μm
- 全长：460～800mm
- 内孔直线度：Φ0.20mm
从这些技术参数可以看出，内孔的加工工艺性较差。传统的深孔低速铰削工艺具有以下特点：
- 切削用量小，生产效率低
- 切削速度（v）：5.5～8m/min
- 进给量（f）：0.10～0.15mm/r
- 切削深度（ap）：0.05～0.25mm
- 若加工余量为1mm，则需要加工5～6刀次才能达到尺寸精度要求。以管材长度760mm计算，一次走刀时间将达到35～45分钟。
- 加工精度高，但需要润滑
- 低速铰孔后可获得较高的精度，通常可达IT7～IT8级，表面粗糙度可达Ra1.6μm。但为了保证加工质量，需要用植物油（如豆油）进行润滑。
- 刀具制造缺陷的影响
- 由于刀具制造过程中的一些缺陷，如刃口粗糙度差、刃口不够锋利、铰刀的直线度和切削角度与加工材料匹配性不佳等因素，可能会导致内孔内表面出现沟槽、孔径扩大或缩小、椭圆孔、铰刀磨损快、刀刃崩刃、铰孔直线度差等问题。
- 对刀具刃磨的要求高
- 低速铰加工时，余量小且工作时间长，因此需要保证刀具的每个刀刃都参与切削。这要求操作者对铰刀进行精细的刃磨，这是一项技术性和经验性要求较高的操作。同时，还需要制作高精度的刀套来检验刃磨的效果。
为了提高加工质量、生产效率和刀具寿命，我厂在管材内孔的深孔铰削中采用了硬质合金铰刀进行高速铰削加工。这种方法具有以下特点：
- 刀具选择
- 采用硬质合金铰刀（YT15），工作部分比低速铰刀短，采用拉铰法。切削锥体靠近刀柄，在切削过程中对内孔产生挤压作用，加工后内孔略有收缩，收缩量一般为0.005～0.02mm。
- 切削用量大，生产效率高
- 切削速度（v）：100～120m/min
- 进给量（f）：0.2～0.4mm/r
- 切削深度（ap）：0.5～1.5mm
- 加工质量高
- 加工精度可达IT7～IT9级，表面粗糙度Ra1.6～0.4μm。
- 刀具性能优势
- 由于采用拉铰法，刀杆受拉力，不会发生弯曲变形，且能承受较大的切削抗力。因此，这种方法适用于孔径较小的深孔加工，且加工出的内孔直线度好。加工完成后，铰刀已经离开内孔，不会损伤已加工的表面。在加工过程中，也不需要操作者对刀具进行刃磨。
- 冷却润滑措施
- 采用刀杆内通高压冷却液，冷却液直接到达刀具的切削部位，及时排除切屑，并带走管材与刀具的切削热。由于高速铰削的切削用量大，产生的切削热较多，因此采用乳化油润滑是最合适的选择。
硬质合金铰刀由刀体、刀片、导向套和刀垫组成。刀体分为镶嵌硬质合金刀片的工作部分、装导向套的导向部分以及与刀杆相连接的部分。导向套采用夹布胶木材料，刀垫采用45号钢淬火处理，其作用是防止刀具在工作时因旋转力矩而拧入刀杆锁紧。连接部分采用矩形螺纹，铰刀的工作部分较短，这是因为其长度等于硬质合金刀片的长度。缩短工作部分可以增强铰刀的抗振性。工作部分又分为切削部分、校准部分和后锥部分。硬质合金铰刀采用拉铰方式，切削部分靠近刀杆一侧，其具体的几何参数特点如下：
- 切削锥角
- 又称主切削刃锥角（y1），即主偏角，是影响铰刀耐用度和铰孔后表面粗糙度的基本角度之一。当y1 = 5°时，切入时容易振动，导致刀具损坏；当y1 = 45°时，刀口尖点负荷过重，容易崩裂，使表面粗糙度增大。通过实验，选择y1 = 15°，此时可以获得较小的表面粗糙度和较高的刀具耐用度。
- 过渡切削用锥角（y2）
- 在切削刃与校准刃之间应制造过渡刃，其长度为2～3mm，斜度即y2 = 2°～3°。其作用是使铰削过程更加平稳，提高刀具的耐用度和加工表面的粗糙度。
- 校准部分的长度和直径
- 这些参数影响孔的粗糙度、精度以及孔径的收缩。为了保证铰削过程中的引导作用以及铰刀切削部分的刃磨，校准部分的长度一般取0.5～1倍铰刀直径。铰刀直径的计算公式如下：
- d1max = Dwmax + Pamin
- d1min = Dwmax + Pamin - G
- dif = Dwmin + Pamax
- 其中：
- d1为铰刀直径
- Dw为工件铰孔直径
- dif为铰刀报废尺寸
- Pa为铰孔收缩量，一般为0.005～0.02mm
- G为铰刀制造公差
- 前角（g）
- 采用负前角，一般为0°～ - 6°。在生产中，需要用油石对切削刃进行研磨，并确保切削刃的圆角半径大于0.05mm。为了使切屑易于排出，最好将铰刀的主切削刃和过渡切削刃的前角设计为较大的负前角，而校准刃的负前角绝对值应适当减小。这样不仅便于刀具的刃磨，而且有利于切屑向已加工方向排出，避免切屑与导向部分相互干涉。
- 后角（a）
- 后角a影响铰刀的耐用度。耐用度随着后角的减小而增加，但后角不能小于6°，否则会增大摩擦，提高切削热，降低合金刀片的工作能力。一般取主后角a1 = 8°～12°，第二后角a2 = 15°～25°。
- 刃带（f）
- 校准部分应留有刃带，但刃带不能过大，否则会导致孔的收缩率和圆度误差增大，表面粗糙度恶化。一般校准部位的刃带宽度为0.10～0.25mm，主切削刃上的刃带尽量小，一般宽度为0.03～0.05mm。
- 倒锥度
- 在校准部分上应设计倒锥角，这可以使铰刀在铰削时更加平稳，减少噪音，并显著降低轴向力和切削扭矩。一般取倒锥度为0.02～0.10mm，直径越大，倒锥度取值越大。
- 倒锥角（y2）及其长度
- 校准部分应有后锥，其作用是避免划伤已加工完成的孔壁。一般倒锥角y2 = 6°～10°，后锥长度为3～5mm。
- 切削刃的刃倾角（l）
- 硬质合金刀片镶嵌时，加工成与刀体中心成3°的左斜式，此角度即为刃倾角l。其作用是使切屑自动流向已加工完成的孔，同时减小圆周扭力。
我厂通过近几年的实际应用，采用硬质合金铰刀进行高速铰削加工管材内孔，与以往的低速铰削工艺相比，取得了显著的改进。具体表现在以下几个方面：
- 加工质量显著提高
- 低速铰削工艺加工管材的合格率仅为60%～70%，而采用高速铰削工艺后，合格率提高到95%以上。
- 生产效率大幅提升
- 旧工艺每月产量仅为1500～2000根管材，而采用新工艺后，每月产量可达到3500～4000根管材。
因此，高速铰削加工管材内孔是一种既能保证加工质量，又能提高生产效率的新工艺。