薄壁盲孔的車削方法探索

吳馨 翟明恩

【摘 要】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行了探索及在加工過程中要注意的問題，并提出了設(shè)計方法的改進。

【關(guān)鍵詞】工藝規(guī)程 刀具 盲孔 工藝試驗

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)計要求。本文在生產(chǎn)實踐中對該零件的這一結(jié)構(gòu)要素的加工方法進行了探索。

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

（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。

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。因為普通車床不容易控制螺紋深度，以致將螺紋底面撞傷，無法進行后續(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。硝酸腐蝕絲錐是因為不銹鋼耐酸，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?，F(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，因為普通平底鉆頭的鉆尖，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，就要通過工藝試驗來進行驗證。

3 工藝試驗

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

3.1電火花加工工藝試驗

這一方法是在零件精車后進行的。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。考慮到可能是電流太大，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

由于電火花加工該孔的工藝試驗失敗，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。在進行本道工藝試驗時，在零件壁厚達到0.5mm時，就無法繼續(xù)加工下去。因為這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失敗。然后對堵頭進行改進設(shè)計，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。增加磨床是因為端面必須要平，精車后零件的端面情況是邊上高，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，因為頂板具有增加零件底面強度的作用。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重。如圖6所示，經(jīng)過約10min左右，達到熱平衡狀態(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和實際生產(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，報廢率達到20%至30%。所以為了降低成本，建議把該零件進行改進設(shè)計如圖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+0.02 0mm ，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。

參考文獻：

[1]孟少農(nóng).機械加工工藝手冊.

[2]李洪.機械加工工藝手冊.

[3]陳榕林，陸同理主編 新編機械設(shè)計與制造禁忌手冊.