某舵類零件的小孔徑多層深孔加工工藝優(yōu)化

鄧曉立　董李揚(yáng)

摘要：針對(duì)某舵類零件中，孔結(jié)構(gòu)多層、孔徑小、長徑比大、加工刀具伸長量大、易產(chǎn)生加工變形、耗時(shí)長、效率低等結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)，提出了一種以球頭銑刀代替鏜刀，銑削深孔的加工方法。銑削加工金屬切除率高，大幅度縮短了加工時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。銑刀刀桿直徑與孔徑相同，加工過程中，已加工完成的上層孔結(jié)構(gòu)對(duì)刀桿起到了導(dǎo)向和支撐作用，減小了由細(xì)長刀桿剛度低引起的讓刀誤差，提高了深孔的尺寸和位置精度。該方法在生產(chǎn)實(shí)踐中取得了良好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：小孔徑；深孔；銑削；工藝優(yōu)化

孔結(jié)構(gòu)是常見的機(jī)械結(jié)構(gòu)，其中長徑比大于5的孔結(jié)構(gòu)稱為深孔，深孔加工一直是機(jī)械制造行業(yè)的技術(shù)難點(diǎn)，排屑、冷卻潤滑和散熱是深孔加工技術(shù)中的三大難題。特別是加工小直徑的深孔，刀具刀桿細(xì)長，剛性差，所能承受的切削力較小，加工過程中易產(chǎn)生變形，引起刀具偏斜，產(chǎn)生圓柱度超差、位置精度低等現(xiàn)象。本文闡述了某舵類零件中小直徑多層深孔的一種優(yōu)化加工工藝方法。

1.零件加工工藝分析

圖1是該舵類零件的三維模型，所述孔結(jié)構(gòu)尺寸要求為 mm，加工長度為62mm，沿舵面方向呈4層布置，圖2示出了其與零件各特征面之間的相對(duì)位置關(guān)系?？纵S線與相鄰側(cè)壁平行，位置尺寸1要求為 mm（如圖2中右圖所示），且軸線與零件中間平面平行，位置尺寸2要求為 mm（如圖2左圖所示）。加工該零件所采用設(shè)備是坐標(biāo)鏜床，豎直進(jìn)刀，逐層加工。加工時(shí)，需用專用工裝使孔軸線沿豎直方向設(shè)置，加工位置距離舵面邊緣較遠(yuǎn)，為避免刀柄與舵面之間的干涉，需采用特殊訂制刀具，與一般的深孔加工刀具相比，刀桿直徑更小伸長量更大，所能承受的切削力較小。該孔結(jié)構(gòu)是與他級(jí)舵相連接的配合孔，要求具有較高的加工精度。零件材料為不銹鋼，強(qiáng)度大，為控制刀具變形和加工尺寸誤差，需采用小的切削量，因此，采用傳統(tǒng)加工方法進(jìn)行加工時(shí)，存在耗時(shí)長，加工效率低，加工精度低的問題。

2.傳統(tǒng)加工工藝方法

傳統(tǒng)加工過程采用了中心鉆鉆削，鉆頭鉆削，鏜削，鉸削四個(gè)工步逐層切削的加工工藝方法，各工步的具體工作內(nèi)容如下：

2.1采用直徑為1.5mm，長度為200mm的中心鉆進(jìn)行預(yù)鉆孔，用于定心，防止鉆頭偏擺；

2.2采用直徑為4.5mm，長度為200mm的鉆頭進(jìn)行粗加工；

2.3采用直徑為4.5mm，長度為200mm的鏜刀進(jìn)行半精加工，加工后所得孔徑為4.9mm；

2.4采用直徑為5mm，長度為200mm的鉸刀進(jìn)行精加工，尺寸到位。

根據(jù)該舵類零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所采用的非標(biāo)刀具設(shè)計(jì)為自刀尖沿刀長方向，刀桿直徑逐漸增大，以最大限度的提高刀具剛度，減小加工過程中的刀具變形。由于所采用材料的強(qiáng)度高，刀具剛性差，步驟三的鏜削加工需采用小吃刀量反復(fù)進(jìn)行。重復(fù)上述四個(gè)工步完成零件孔結(jié)構(gòu)的逐層加工，耗時(shí)5個(gè)小時(shí)，生產(chǎn)效率低。由于鏜刀刀桿細(xì)長，加工中容易產(chǎn)生讓刀，導(dǎo)致孔徑大小頭現(xiàn)象，即易致孔的圓柱度超差，且加工穩(wěn)定性差，孔軸線易產(chǎn)生傾斜。

為檢驗(yàn)所得孔的位置精度，對(duì)孔軸線與兩基準(zhǔn)平面之間的垂直距離進(jìn)行測(cè)量。所采取的檢驗(yàn)方法為：將零件按一定方位放置并固定，分別使兩基準(zhǔn)平面與水平工作臺(tái)重合，將符合孔徑尺寸公差要求的專用通長檢驗(yàn)柱置于所得孔結(jié)構(gòu)中，打表測(cè)量檢驗(yàn)柱最高點(diǎn)與臺(tái)面之間的垂直距離。試驗(yàn)中，在檢驗(yàn)柱上各層孔結(jié)構(gòu)之間取共計(jì)5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，所得位置尺寸值列于表1：

上表結(jié)果顯示，位置尺寸1的實(shí)際公差最大值為-0.09，最小值為-0.19；位置尺寸2的實(shí)際公差最大值為+0.0，最小值為-0.08，兩個(gè)位置尺寸均出現(xiàn)超差現(xiàn)象。在此，我們用單位長度誤差，即100mm長度上位置尺寸的差值，來進(jìn)一步描述孔軸線的位置精度，計(jì)算公式為：

其中M、N為兩任意檢測(cè)點(diǎn)，LMN為兩點(diǎn)之間的軸向距離。兩位置尺寸的單位長度誤差分別為0.16mm/100mm，0.13mm/100mm。

3.優(yōu)化后的加工工藝方法

針對(duì)原加工工藝中，效率低，尺寸和位置精度差的問題，對(duì)前述加工工藝方法進(jìn)行優(yōu)化，具體措施如下：

3.1采用原工藝方法，通過中心鉆、鉆削、鏜削、鉸削四個(gè)工步完成第一層孔結(jié)構(gòu)的加工；

3.2采用直徑為1.5mm，桿直徑5mm， 長度為200mm的中心鉆進(jìn)行預(yù)鉆孔；

3.3采用直徑為4.9mm，長度為200mm的鉆頭進(jìn)行粗加工；

3.4采用直徑為5mm，長度為200mm的球頭銑刀對(duì)孔徑和孔位進(jìn)行校正；

3.5采用直徑為5mm，長度為200mm的鉸刀進(jìn)行精加工，提高加工精度和表面質(zhì)量。

重復(fù)上述步驟二至五完成深孔第二、三、四層的加工。步驟四采用球頭銑刀代替鏜刀進(jìn)行銑削加工，金屬切削率高，加工過程中，直徑同樣為5mm的銑刀刀桿位于已加工完成的上層孔結(jié)構(gòu)中，起到了導(dǎo)向、支撐的輔助作用，增大了刀具剛度，減小了由于刀桿剛度差而引起的變形誤差。相應(yīng)地，步驟三中以直徑4.9mm的鉆頭代替原方案中直徑為4.5mm的鉆頭，目的是減小加工余量，減小銑削過程中銑刀底刃的切削量，避免抱死。采用所述優(yōu)化措施，以銑削加工代替鏜削加工，大大縮短了加工耗時(shí)，1.5個(gè)小時(shí)即可完成整個(gè)加工過程，加工效率高，穩(wěn)定性好，孔軸線的傾斜問題得到改善。采用同樣的檢驗(yàn)方法，對(duì)所得孔的位置尺寸進(jìn)行檢測(cè)，檢驗(yàn)柱最高點(diǎn)與水平工作臺(tái)的垂直距離列于表2中：

從檢測(cè)結(jié)果可以看出，位置尺寸1的實(shí)際公差最大值為-0.1，最小值為-0.12；位置尺寸2的實(shí)際公差最大值為+0.0，最小值為-0.01，產(chǎn)品位置尺寸無超差，兩位置尺寸的單位長度誤差分別為0.03mm/100mm，0.02mm/100mm，加工精度得到顯著提高。

4.結(jié)論

筆者經(jīng)過對(duì)某舵類零件的小孔徑多層深孔的加工工藝進(jìn)行反復(fù)實(shí)踐和摸索，提出了用球頭銑刀代替鏜刀，采用鉆-銑-鉸的加工方法，對(duì)該孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐層加工，與原加工工藝方法相比，耗時(shí)縮短了70%，兩位置尺寸的單位長度誤差由原來的0.16mm/100mm和0.13mm/100mm縮小為0.03mm/100mm和0.02mm/100mm，所有工步均可在坐標(biāo)鏜床上完成，有效地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)于具有相似孔結(jié)構(gòu)的零件加工生產(chǎn)具有一定的技術(shù)指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]都啟軍.淺談深孔加工技術(shù)[J].裝備制造技術(shù)，2013，3：72-74.

[2]王峻.現(xiàn)代深孔加工技術(shù)[M].哈爾濱：哈爾濱大學(xué)工業(yè)出版社，2005.

作者簡介：鄧曉立（1981.6-）男，北京，漢，大專，技師，小孔徑多層深孔加工。