薄壁盲孔的車削方法探索

吳馨 翟明恩

（遵義市梅嶺電源有限公司，貴州遵義 563002）

薄壁盲孔的車削方法探索

吳馨 翟明恩

（遵義市梅嶺電源有限公司，貴州遵義 563002）

在企業(yè)生產(chǎn)過程中，孔的加工非常普遍，要求不高的通孔，加工很容易，可以根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)選用車床，銑床或鉆床就可以完成。而對于普通盲孔的加工，用鉗工鉆孔的方法，是很容易完成的。但是要在薄壁上，加工一個盲孔，用普通的加工方法就不是一件容易的事。尤其是對不銹鋼這樣難加工的材料，要完成薄壁盲孔的加工更不容易。本文對在薄壁上加工盲孔的方法進(jìn)行了探索及在加工過程中要注意的問題，并提出了設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)。

工藝規(guī)程 刀具 盲孔 工藝試驗(yàn)

圖1所示為圓盤類零件，零件外形及φ80.4+0.05 +0.02的內(nèi)孔、螺紋等要素，用普通的車削加工方法就可以完成。但是，要求在零件的底部厚0.5mm的面上，加工一個φ3的盲孔，保證底厚尺寸0.05mm。這用常規(guī)孔的鉗工鉆孔加工方法是無法完成的，而且用普通的車削方法，同樣無法保證零件的設(shè)計(jì)要求。本文在生產(chǎn)實(shí)踐中對該零件的這一結(jié)構(gòu)要素的加工方法進(jìn)行了探索。

1　工藝規(guī)程

該零件的材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼，要加工φ3的盲孔，必須首先加工零件的其他結(jié)構(gòu)要素。而零件其他要素對φ3的盲孔的加工，產(chǎn)生直接的影響。根據(jù)零件材料及零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用要求對該零件外形、φ80.4+0.05 +0.02及M8×1-6H×3的螺紋加工的工藝規(guī)程是：

1.1粗車

圖1　圓盤類零件結(jié)構(gòu)圖

圖2　零件粗車后的形狀

（1）車床為C620普通車床。（2）刀具的確定，用圖3所示的外圓車刀。（3）刀具選用YG8硬質(zhì)合金材料，沒有選用YT類硬質(zhì)合金材料，主要是該不銹鋼中含有Ti，而YT類硬質(zhì)合金材料中也含有Ti，這樣同種元素之間會發(fā)生親和力而出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，當(dāng)切削溫度高，摩擦系數(shù)大，就加劇了刀具的磨損。刀具的幾何尺寸如表1所示。（4）切削參數(shù)的確定，車床主軸轉(zhuǎn)速n=230 r/min，走刀量S=0.8 mm/r，吃刀深度t=3mm。（5）量具的確定，游標(biāo)卡尺125×0.02。通過粗車車掉毛坯余量后，留2mm的精加工余量，粗車后的零件如圖2所示。

1.2精車

（1）車床為C616普通車床和數(shù)控車床。（2）刀具的確定，用圖3所示的外圓車刀和內(nèi)孔鏜刀。精車外圓車刀的幾何形狀與粗車外圓車刀一致，但幾何尺寸不同。刀具的幾何尺寸如表1所示。（3）刀具選用YG8硬質(zhì)合金材料。（4）切削參數(shù)的確定，車床主軸轉(zhuǎn)速n=200 r/ min，走刀量S=0.2 mm/r，吃刀深度t=0.3mm。（5）量具的確定，游標(biāo)卡尺125×0.02。

圖3　零件外圓車刀

圖4　零件的堵頭

圖5　改進(jìn)后的零件堵頭

圖6　道具的熱伸長

1.3內(nèi)孔加工

內(nèi)孔的加工方法是用φ45的鉆頭鉆孔，底部留0.5mm的余量，然后用鏜刀加工到要求的尺寸φ80.4+0.05 +0.02×10。螺紋M8× 1-6H×3的加工是由數(shù)控車床來完成的。因?yàn)槠胀ㄜ嚧膊蝗菀卓刂坡菁y深度，以致將螺紋底面撞傷，無法進(jìn)行后續(xù)加工。

1.4螺紋M8×1-6H×3的加工方法有兩種

第一種方法是用絲錐M8×1-6H攻螺紋，攻螺紋時用含油乳化液，另在絲錐上蘸涂豆油，效果良好；絲錐的前角γ=15-20°。

在普通車床攻絲時，尾架頂尖的推力要均勻，否則會損壞絲錐，尾架采用彈簧死頂尖扶正和輔助進(jìn)給，效果好；絲錐折斷在工件中時，可用電火花或硝酸腐蝕絲錐。硝酸腐蝕絲錐是因?yàn)椴讳P鋼耐酸，故螺紋可保證完好無損。

第二種加工方法是車削，車削螺紋選擇的是硬質(zhì)合金刀YG8。n=955-600rpm，吃刀深度t=0.15-0.25mm。車削螺紋時，切削速度為2-7m/min。

2　盲孔φ3的加工

通過上述工藝規(guī)程，把零件外形加工完成。現(xiàn)在要加工φ3的盲孔，保證零件的底厚為0.05mm。這一尺寸的要求，用常規(guī)的加工方法是無法完成的。首先，鉗工用鉆孔的方法操作，因?yàn)槠胀ㄆ降足@頭的鉆尖，最少有0.5mm，而且人工無法控制這一深度，并且0.05mm厚的薄壁已沒有強(qiáng)度可言，就是鉆頭的慣性也會將底部擊穿，所以鉗工加工是不能考慮的。其次是在普通車床上鉆孔，和鉗工存在同樣的問題。最后的方法就只有車削鏜孔和電火花加工了。但是作為普通車床，其精度都有0.02mm；刀具在加工中的熱伸縮量有0.03mm-0.05mm；裝夾誤差；零件的誤差等，要保證最后的0.05mm是很困難的。所以，選擇的工藝方法，就要通過工藝試驗(yàn)來進(jìn)行驗(yàn)證。

3　工藝試驗(yàn)

圖7　改進(jìn)后的零件結(jié)構(gòu)圖

這次對φ3孔底厚尺寸0.05mm進(jìn)行了兩種方法的工藝試驗(yàn)：電火花加工和車削加工。

3.1電火花加工工藝試驗(yàn)

這一方法是在零件精車后進(jìn)行的。由于刀具熱漲冷縮，在加工底面時，會存在零件邊上高中間低的現(xiàn)象，這就要求把零件的底面用磨床磨平，平面度0.01mm，然后用銅電極電火花加工φ3的孔。加工的結(jié)果是第一件底部被電流擊穿?？紤]到可能是電流太大，第二件將電流調(diào)到最小，用同樣的方法加工，零件底部還是被擊穿而失敗。

失敗的原因分析：根據(jù)電火花加工的原理，通常認(rèn)為，電火花加工中電極材料的蝕除過程是火花放電時的電場力、磁力、熱力、流體動力、電化學(xué)及膠體化學(xué)等綜合作用的過程。當(dāng)脈沖電壓施加到工具與工件電極之間時，極間介質(zhì)被擊穿并形成一個極為細(xì)小的放電通道。由于放電通道中電子和離子受到放電時的電磁力和周圍液體介質(zhì)的壓縮，因此其截面積很小，通道中的電流密度極大。通道中的介質(zhì)以等離子體狀態(tài)存在，其離子與電子的數(shù)量幾乎相等，因此，該通道是電的良導(dǎo)體并呈電中性。在極間電場作用下，通道中的正離子與電子高速地向陰極和陽極運(yùn)動并發(fā)生劇烈碰撞，從而在放電通道中產(chǎn)生大量的熱量；同時，陽極和陰極表面分別受到電子流和離子流的高速沖擊，動能也轉(zhuǎn)換為熱能，在電極放電點(diǎn)表面產(chǎn)生大量的熱，整個放電通道形成一個瞬時熱源，其溫度可達(dá)10000℃左右。這一熱源足可以使參與放電的電極材料表面局部熔化和氣化蒸發(fā)。由于這一加熱過程一般只有10-4-10-7s，因此金屬的熔化、氣化以及介質(zhì)的汽化都具有明顯的爆炸特征，爆炸力將熔化和氣化的金屬拋入周圍的工作液介質(zhì)中，在電極表面上就形成了蝕除凹坑使零件上該點(diǎn)的金屬材料迅速熔化和汽化，并在放電爆炸力的作用下，把熔化了的金屬拋出。從電火花加工的原理中可知，在加工過程中，放電區(qū)相當(dāng)于一個瞬時熱源，由于溫度在10000℃以上，所以，當(dāng)φ3孔的壁厚在達(dá)到0.05mm時，由于溫度太高而熔化擊穿底部。因此電火花加工該孔的方法不可行。

3.2車削加工工藝試驗(yàn)

由于電火花加工該孔的工藝試驗(yàn)失敗，所以只有尋求車削加工的方法來加工。

（1）在粗加工時，考慮到孔的底面厚度太薄，端面留φ20×1的外圓臺階（如圖2），以增加強(qiáng)度，然后用數(shù)控車床鏜出φ3×0.45的平底孔。普通車床車掉φ20×1的余量。在進(jìn)行本道工藝試驗(yàn)時，在零件壁厚達(dá)到0.5mm時，就無法繼續(xù)加工下去。因?yàn)檫@時壁厚變形讓刀而無法切削。因此采用圖4的堵頭以增加壁厚的強(qiáng)度。但是，即使這樣，當(dāng)車掉φ20×1的余量在壁厚還有0.1mm時，零件的底面就被車穿了。經(jīng)過分析認(rèn)為，是由于螺紋連接有間隙在端面余量逐漸減少的時候，就會發(fā)生松動及工藝系統(tǒng)的變形誤差造成的工藝試驗(yàn)失敗。然后對堵頭進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，把堵頭和壓緊螺母分開成兩零件，如圖5所示，不能成為一體。這樣在壓緊螺母壓緊堵頭時，由于彈性變形，只要擰緊力合理，就不會產(chǎn)生松動。吃刀深度t在開始的兩刀t=0.3mm，隨著余量的不斷減少，t值取0.02mm。用這種方法加工成功了。

（2）是在精車時在端面留出0.3的磨削余量，然后用磨床把端面磨平，平面度公差0.01mm，在普通車床上鏜出φ3的孔，保證底面厚度0.05mm。增加磨床是因?yàn)槎嗣姹仨氁剑嚭罅慵亩嗣媲闆r是邊上高，中間低，所以基準(zhǔn)不準(zhǔn)確，鏜孔時就會車壞零件。這一方法在裝夾零件時，底面與安裝的頂板必須要平，而且貼合要好，因?yàn)轫敯寰哂性黾恿慵酌鎻?qiáng)度的作用。同時要考慮到刀具熱變形的影響。所以用這種方法加工成功了。

刀具熱變形的影響是：雖然在切削過程中產(chǎn)生的熱量，大部分被切屑帶走，傳入刀具的熱量只占20%左右。但是刀具工作部分體積小，熱容量有限，因此其切削區(qū)域可達(dá)到很高的溫度。刀具的熱伸長在切削初期增長很快隨后逐漸減慢，因此對加工精度的影響在加工初期尤為嚴(yán)重。如圖6所示，經(jīng)過約10min左右，達(dá)到熱平衡狀態(tài)，刀具不再伸長，這時伸長量為0.03-0.05mm。這道工序加工的尺寸是0.05mm，刀具伸長量的影響是顯而易見的。通常情況下，刀具的切削工作是間斷的，如果切削時間和停歇時間安排合理，刀具的伸長和縮短逐漸趨于平衡，此時對尺寸精度的影響就不明顯了。減小刀具熱變形的措施是合理選擇刀具的幾何參數(shù)，采用充分的切削液。

4　結(jié)論及建議

通過對該零件的工藝試驗(yàn)和實(shí)際生產(chǎn)中的結(jié)果來看，用車削方法加工0.05mm薄壁是可行的。但是，由于工藝系統(tǒng)的誤差，刀具的熱變形，導(dǎo)致加工時，保證該尺寸比較困難，報(bào)廢率達(dá)到20%至30%。所以為了降低成本，建議把該零件進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)如圖7所示，即是將φ3的孔加工成通孔，在安裝座的底面車一臺階孔（φ10到φ20左右），深0.05+0.020mm，然后在用0.05mm厚的不銹鋼帶，加工一個堵片，堵片的尺寸為（φ10-φ20）×0.05mm，用激光焊接的方式，把堵片焊接在零件本體的臺階孔上即可。

［1］孟少農(nóng).機(jī)械加工工藝手冊.

［2］李洪.機(jī)械加工工藝手冊.

［3］陳榕林，陸同理主編 新編機(jī)械設(shè)計(jì)與制造禁忌手冊.