高精度深長(zhǎng)孔的加工方法研究

藍(lán)仁義

（廣西玉柴機(jī)器股份有限公司，廣西 玉林 537005）

鉸刀應(yīng)用于金屬材料上較高精度的孔類(lèi)加工領(lǐng)域，例如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、機(jī)床、汽車(chē)等機(jī)械制造業(yè)，只要有孔，都需要此項(xiàng)技術(shù)。筆者以汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)零件為例，闡述在機(jī)械加工領(lǐng)域中工藝性差，且精度高的孔的加工方法。隨著科技的發(fā)展，加工的精度要求越來(lái)越高，加工孔的精度更是要求嚴(yán)格。其材質(zhì)一般為鋁、鑄鐵等，是比較軟的材質(zhì)，傳統(tǒng)的鉸刀在鉸孔過(guò)程中，就越來(lái)越暴露出不能滿足加工精度的問(wèn)題。

玉柴公司生產(chǎn)一款型號(hào)為YC6M 的重型發(fā)動(dòng)機(jī)，其氣缸體的加工精度要求尤其高。機(jī)體是發(fā)動(dòng)機(jī)零部件加工復(fù)雜程度最高的零件之一，而挺柱孔是機(jī)體最難加工的工序之一。挺柱孔一般布置在柴油機(jī)機(jī)體內(nèi)腔中部，受結(jié)構(gòu)限制加工比較困難，工藝性比較差[1]。保證挺柱孔對(duì)凸輪軸的垂直度0.05 mm，是柴油機(jī)加工工藝關(guān)鍵之一。挺柱孔是深長(zhǎng)孔，精度要求高，粗糙度Ra 1.6 μm，孔徑精度Φ 38 H8；況且，一個(gè)工件有12個(gè)挺柱孔，只要其中任何一個(gè)孔存在品質(zhì)缺陷，那么這件工件就是不合格品，這就增加了加工難度（挺柱孔附圖見(jiàn)圖1）。

圖1 挺柱孔圖

以下具體介紹3 種對(duì)刀具整改的方式。

1 傳統(tǒng)的加工方法

傳統(tǒng)的鉸刀采用刀具以刀桿作為后導(dǎo)向、接桿與主軸剛性聯(lián)接的方式。

鉸刀在加工YC6M氣缸體這種既深長(zhǎng)，精度要求又高的孔時(shí)，遇到了上述難題。新引進(jìn)的機(jī)床采用的是傳統(tǒng)的加工方法，該方法采用接桿剛性聯(lián)接機(jī)床主軸，接桿夾持刀柄傳遞力矩，而刀具是以刀桿與模板上的導(dǎo)向套間隙配合作為后導(dǎo)向[2]。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，普遍用于專(zhuān)機(jī)。刀具結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 傳統(tǒng)的鉸刀結(jié)構(gòu)圖

這種結(jié)構(gòu)只有一個(gè)導(dǎo)向套和刀具導(dǎo)向桿輕微間隙配合作為導(dǎo)向，導(dǎo)向是唯一的。但是在加工6M機(jī)體挺柱孔時(shí)，幾乎不能保證加工品質(zhì)，如圓柱度差，孔徑至少大于檢棒0.015 mm 以上才能過(guò)通規(guī)；孔的表面品質(zhì)差，粗糙度達(dá)不到圖樣要求，還會(huì)出現(xiàn)不同程度的刀痕。如果產(chǎn)生以上品質(zhì)問(wèn)題，只能通過(guò)頻繁地更換使用新刀具來(lái)解決。

但頻繁更換新刀具導(dǎo)致最直接的后果是單件工件成本居高不下，而且頻繁換刀也導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，在大批量生產(chǎn)中是不能接受的。經(jīng)過(guò)仔細(xì)推敲分析，以上出現(xiàn)的都是常用的加工方式和常用結(jié)構(gòu)問(wèn)題，之所以在加工6M機(jī)體挺柱孔時(shí)出現(xiàn)這種問(wèn)題，是因?yàn)?M機(jī)體零件比較大，挺柱孔在機(jī)體內(nèi)腔中部，孔口離機(jī)體頂面約140 mm，鉸孔深度90 mm（如圖1）。

導(dǎo)向套（刀具的有效導(dǎo)向）和機(jī)體頂面還有一段距離（20～30 mm），也就是說(shuō)刀具的有效導(dǎo)向位置距離刀具切削位置最長(zhǎng)為250 mm，導(dǎo)向與切削的距離懸長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，機(jī)床- 夾具- 刀具系統(tǒng)中有任何輕微的顫動(dòng)，都會(huì)放大影響到刀尖的正常切削，進(jìn)而會(huì)影響到被加工表面品質(zhì)；也正是在加工中存在輕微干擾，刀具也加速磨損，不正常的刀具磨損對(duì)于鉸刀來(lái)說(shuō)是致命的，使得刀具壽命非常短，同時(shí)也加劇了鉸孔的孔內(nèi)的破壞程度，造成品質(zhì)缺陷[3]。

除了產(chǎn)生加工品質(zhì)問(wèn)題外，同時(shí)，這種方式也很容易使刀具導(dǎo)向與導(dǎo)向套燒傷燒結(jié)，進(jìn)而破壞機(jī)床與夾具的精度。刀套燒傷的原因，可能是配合間隙太小，更多是因?yàn)榧庸ふ駝?dòng)時(shí)或者夾有鐵屑時(shí)會(huì)引起碰傷導(dǎo)向表面，摩擦生熱進(jìn)而燒結(jié)。同時(shí)也因?yàn)楸容^大徑的刀具，剛性較大，在機(jī)床主軸與導(dǎo)向套同軸度不是很理想時(shí)，容易“憋死”，擠壓造成摩擦生熱而燒結(jié)。

2 改善后的加工方式

改善的鉸刀采用鉸刀前后導(dǎo)向、接桿與主軸浮動(dòng)連接方式。

從第一種方式分析來(lái)看，由于導(dǎo)向位置距離刀尖切削過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致加工過(guò)長(zhǎng)不受控，因此，刀具增加一段前導(dǎo)向，減少刀尖切削時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)和偏移。鉸刀長(zhǎng)850 mm，貫穿過(guò)整個(gè)機(jī)體，刀刃在中間段，刀具的后部后導(dǎo)向，是以在模板上安裝的軸承導(dǎo)套間隙配合作為導(dǎo)向；刀具的前端前導(dǎo)向，是以?shī)A具底部的固定導(dǎo)套間隙配合作為導(dǎo)向。刀具結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 改善后的加工方式刀具結(jié)構(gòu)圖

這種方式要求機(jī)床精度保持很高水平，否則，由于前后導(dǎo)向不在同一直線上，使得加工出來(lái)的孔圓柱度比較差，不容易通規(guī)。與傳統(tǒng)方法一樣，導(dǎo)向與切削的距離懸長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，機(jī)床- 夾具- 刀具系統(tǒng)中的輕微顫動(dòng)，一樣會(huì)影響挺柱孔的表面品質(zhì)，甚至使孔內(nèi)表面產(chǎn)生明顯刀痕，粗糙度不滿足圖樣要求。

雖然已從刀具結(jié)構(gòu)、刀刃、刀具角度到冷卻、排屑等各方面都加以改進(jìn)，但效果還是不理想，不能維持正常的生產(chǎn)，最終也棄用這種方案。

3 本文著重介紹的擴(kuò)鉸擠刀

擴(kuò)絞擠刀采用刀具前后自導(dǎo)向、接桿部分導(dǎo)向并與主軸剛性連接方式[1]，如圖4 所示，即為本文著重介紹的刀具，一種本身自導(dǎo)向的鉸刀。

圖4 本文著重介紹的擴(kuò)鉸擠刀

從工作原理上來(lái)說(shuō)，可以形象稱(chēng)之為擴(kuò)鉸擠刀。其結(jié)構(gòu)包括刀體4，在刀體4 的前端部焊接有多個(gè)硬質(zhì)合金刀刃的預(yù)鉸孔刀刃段1，中間部分是焊接有多個(gè)硬質(zhì)合金刀刃的多刃鉸刀段2，接著連接一段焊接多個(gè)合金刀刃的后導(dǎo)向段3。其中預(yù)鉸孔刀刃段1 的直徑為d，鉸刀段直徑為D，后導(dǎo)向段直徑為D0，相互關(guān)系為

D- d=0.06～0.20 mm；

D- D0≈0.005 mm。

本刀具焊接式多刃預(yù)鉸孔刀刃段1，即擴(kuò)孔刀頭，外圓保留比較大的圓刃寬度0.8～1.2 mm，預(yù)鉸刀頭是在接桿的導(dǎo)向作用的情況下，開(kāi)始進(jìn)入切削，在進(jìn)入被加工孔內(nèi)一段深度以后，接桿導(dǎo)向就開(kāi)始失效，全由預(yù)鉸刀頭引導(dǎo)鉸刀段2 進(jìn)入進(jìn)行精鉸，這時(shí)候預(yù)鉸孔刀刃段的大圓刃，起定心導(dǎo)向的作用，同時(shí)去除大部分鉸孔余量，只留0.06～0.20 mm 的很小的最終精鉸余量給鉸刀段2 加工，使得鉸刀段2 的磨損降到最小，延長(zhǎng)了鉸刀段的壽命。鉸刀段2 精加工到尺寸D，因?yàn)閮啥吻邢魅惺峭S復(fù)合刀，兩段刀刃同心，從根本上消除了鉸偏或者鉸不出的隱患[4]。

預(yù)鉸孔刀刃段1 去除了大部分加工余量，去除的單邊余量可達(dá)1.0 mm，可省掉中間的擴(kuò)孔工序，也提高了生產(chǎn)效率。

后導(dǎo)向段3，是鉸刀段后面直接用合金焊接的導(dǎo)向段，直徑比鉸刀段2 小0.005 mm。在加工進(jìn)給中，有了這導(dǎo)向段以已加工孔作為導(dǎo)向的保駕護(hù)航，就能避免機(jī)床- 夾具- 刀具系統(tǒng)中輕微顫動(dòng)對(duì)內(nèi)孔產(chǎn)生劃痕等不良的表面品質(zhì)，同時(shí)合金導(dǎo)向段也會(huì)對(duì)加工后的內(nèi)孔表面產(chǎn)生輕微摩擦、滾壓的作用，使其表面產(chǎn)生一定的塑性變形，達(dá)到修正表面微觀幾何形狀[5]，降低表面粗糙度值的目的，其粗糙度可達(dá)Ra 1.6 μm 以下，同時(shí)使得滾壓后的的孔圓柱度精度比較高，從這個(gè)角度上說(shuō)，刀具的使用壽命得以延長(zhǎng)，生產(chǎn)成本也就降低了[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)整改，使用這把擴(kuò)鉸擠刀進(jìn)行加工，使得孔表面品質(zhì)好，粗糙度可控在Ra 1.6 μm 以內(nèi)；加工后的孔精度高，圓度和錐度可控在0.006 mm 以內(nèi)。預(yù)鉸孔刀刃段可去除大部分余量，而鉸刀段切削余量很少，預(yù)鉸孔刀刃段1 可去除單邊達(dá)1.0 mm 的余量，可減少中間擴(kuò)孔工序，有效提高加工效率。預(yù)鉸孔刀刃段和后導(dǎo)向段的自身就起著導(dǎo)向的作用[5]，從根本上消除鉸刀段的輕微振動(dòng)對(duì)鉸孔精致的影響。后導(dǎo)向段可對(duì)加工后的內(nèi)孔表面產(chǎn)生輕微摩擦、滾壓的作用，進(jìn)一步有效提高孔的精度。預(yù)鉸孔刀刃段和鉸刀段為同軸設(shè)置，而以預(yù)鉸孔刀刃段加工的孔作為導(dǎo)向，不存在擴(kuò)孔和鉸孔的位置度偏差，可保證鉸刀段加工部分鉸穿，有效避免不良產(chǎn)品產(chǎn)生。

基于以上諸多優(yōu)點(diǎn)，這種擴(kuò)鉸擠刀可以推廣應(yīng)用到機(jī)械加工領(lǐng)域的孔類(lèi)加工，特別是在加工工藝比較差且精度要求較高的的深長(zhǎng)孔方面，其優(yōu)勢(shì)尤為突出。

[1]藍(lán)仁義.一種擴(kuò)鉸擠刀[P].公開(kāi)號(hào)：CN201889550U，2011.

[2]華楚生. 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 重慶：重慶大學(xué)出版社，2003.

[3]周澤華. 金屬切削原理[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1984.

[4]王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)（第三版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[5]何少平，李國(guó)順，舒金波.機(jī)械結(jié)構(gòu)工藝性[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2004.

[6]孫大涌.先進(jìn)制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.