精密孔加工工藝技術(shù)研究

鄒 武，蔡文波

（海軍裝備部，陜西 西安 710021）

精密孔加工工藝技術(shù)研究

鄒 武，蔡文波

（海軍裝備部，陜西 西安 710021）

文章主要研究機匣類零件精密孔加工工藝技術(shù)。針對零件結(jié)構(gòu)及加工難點，找出其中關(guān)鍵點并制定預(yù)案，通過三種不同加工方案的試驗驗證，獲得最佳方案。重點涉及加工過程中零件尺寸一致性的控制研究、孔復(fù)合加工技術(shù)研究、刀柄與主軸連接對孔徑尺寸精度的影響研究等內(nèi)容。

精密孔；鏜鉸；浮動夾頭；穩(wěn)定性；高效

1 零件結(jié)構(gòu)及問題分析

某機匣類零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，該零件為薄璧環(huán)形件，材料2Cr13，材料硬度HBS=241-341，直徑530mm，加工工藝較為復(fù)雜，經(jīng)分析主要存在如下難點：①孔直徑公差嚴(yán)，共2組孔40處ф5.4-0.024/-0.016，40處ф6-0.016/-0.024，80個孔公差0.008mm，孔位置度要求0.1。精度要求高，加工過程中刀具磨損、主軸跳動、切屑參數(shù)的微小影響，都易導(dǎo)致孔徑公差0.008mm超差；②孔數(shù)量多，加大加工難度。由于孔公差嚴(yán)，在第一個孔徑加工調(diào)整精確后，后續(xù)孔徑加工由于各種因素影響也會發(fā)生變化，如：刀具磨損、溫度影響、冷卻液影響、工作臺區(qū)域性精度影響等。加工中可變因素的累積影響往往超過孔徑公差0.008mm要求，因而需要細(xì)心研究分析，尋找最佳加工方案；③40處ф5.4-0.024/-0.016是精密臺階孔，臺階處有倒角，增加尺寸精度保證的難度。刀具設(shè)計要增加端面刃，加工過程刀刃切削孔徑的同時切削孔端面，是一個復(fù)合加工形式，徑向與軸向的受力不均極易導(dǎo)致孔徑超差。

圖1 零件結(jié)構(gòu)示意圖

2 研究內(nèi)容

①精密孔鏜鉸孔工藝技術(shù)研究：工步設(shè)計，鉆、擴、鏜、鉸等工藝的順序安排、余量設(shè)定、加工參數(shù)試驗與選擇；②整個加工過程中鏜鉸孔工藝對于尺寸一致性的控制研究；③鏜、鉸孔復(fù)合加工技術(shù)研究；④加工過程中刀柄與主軸連接對孔徑尺寸精度的影響研究。

3 關(guān)鍵點分析及解決方案

3.1 關(guān)鍵點分析

本項目孔徑公差0.008mm，屬于高精度精密尺寸，按常規(guī)的鏜鉸孔工藝方法保證不了該公差要求。數(shù)控鏜床一般的鉸孔加工能力，可以達到0.02mm，再提升則難度非常大，即使鉸刀尺寸非常合理準(zhǔn)確，也無法百分百保證孔徑公差。

經(jīng)過分析，關(guān)鍵在于鉸孔時的孔位“對正”誤差，導(dǎo)致孔徑易變大。在鏜孔與鉸孔兩個工步之間，會有重復(fù)定位誤差，這由機床的自身精度所決定的。另外，主軸與刀柄的鏈接、不同刀具、不同工步之間的誤差，均會引起工步間的孔位不“對正”，結(jié)果就會出現(xiàn)加工完成后，孔徑部分合格部分偏離公差范圍，一致性較差。對于公差0.02～0.05mm的孔徑，這個精度可以加工出合格零件，但對于本項目零件要求的公差0.008mm，則無法滿足要求。所以，本項目要解決的關(guān)鍵技術(shù)點是，消除鉸孔與鏜孔間的孔位“對正”問題。

3.2 解決方案

（1）精密孔加工思路。該零件兩組孔40處ф5.4-0.024/-0.016，40處ф6-0.016/-0.024，孔徑公差0.008mm，孔位置度ф0.08。如圖2所示。

圖2 零件結(jié)構(gòu)及相關(guān)要求示圖

本項目的首選是孔徑精度，孔徑公差0.008mm必須采用鉸孔方式，該點選擇上，手工鉸孔優(yōu)于機床上鉸孔。手工鉸孔時，借助鉸刀引導(dǎo)，操作工移動零件，可以保證鉸孔時，鉸刀與底孔同心，這樣鉸孔余量均勻，孔壁給力均衡，孔的直徑尺寸易保證。缺點是手工鉸孔人為因素干擾較多，當(dāng)孔的深度不夠，不足以對鉸刀進行引導(dǎo)和定位時，手持鉸刀會因為與待加工孔平面不垂直而造成受力不均，對孔壁產(chǎn)生徑向擠壓力，造成孔徑不圓、孔口呈喇叭形狀等現(xiàn)象，此現(xiàn)象如圖3所示。本項目孔數(shù)量多，孔深4～5mm，不適宜手工鉸孔。

圖3 手動鉸孔

圖4 機床傳統(tǒng)鉸孔

機床上鉸孔效率高、穩(wěn)定性好，理論上彌補了手工鉸孔時與待加工孔的垂直保障問題，能夠更好地保證孔徑公差。缺點是如圖4所示：①數(shù)控鏜床加工孔，需分工步而進行，鉆鏜底孔、鉸孔，機床與刀具的連接系統(tǒng)定位誤差，鉸孔與原底孔存在位置偏差，易導(dǎo)致孔徑超差；②機床主軸、鉸刀刀柄、夾頭、卡簧、鉸刀之間連接等均有不同程度的偏差，加工狀態(tài)鉸刀與主軸中心有一定的偏心量，加工模式形同鏜刀加工，這也是為什么機床鉸孔直徑經(jīng)常大于鉸刀實際尺寸的原因所在，偏心量越大，加工出來的尺寸相對越大。

（2）采用浮動夾頭夾持鉸刀方案。鉸孔時，采用浮動式夾頭夾持鉸刀，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性夾持刀柄，將手工鉸孔與機床鉸孔的優(yōu)點合而為一。一般情況下機床鉸孔，鉸刀尾柄夾頭是固定式的，以便保證定位可靠，夾持穩(wěn)定，但是對于高精度孔（孔徑公差小于0.01mm），固定式夾頭結(jié)構(gòu)由于離心力作用影響易導(dǎo)致孔徑超差。浮動式夾頭刀柄與夾頭之間有間隙，鉸刀被夾緊后，刀體可以在一個微小范圍內(nèi)活動。本例選擇的活動范圍是0.1mm，采用數(shù)控鏜床加工零件孔時有了這個活動范圍，就可以解決鉸孔時的“對正”問題。模擬手工鉸孔，吸取了手工鉸孔可靠度高（不會由于離心力的作用將孔加大）優(yōu)點，同時又保持了數(shù)控機床的高效率。

浮動夾頭的工作原理如圖5所示。當(dāng)調(diào)用鉸孔程序鉸刀到達底孔位置時，如果位置“對正”，則進行鉸孔，不會出現(xiàn)鉸孔缺陷；當(dāng)不“對正”時，出現(xiàn)了圖示的偏差δ，即鉸刀旋轉(zhuǎn)中心與底孔中心線有了偏差δ。鉸刀與底孔不同心，此時若為剛性連接鉸孔就會產(chǎn)生鉸孔誤差，而浮動夾頭則可以解決該問題。圖示中夾頭間隙λ的存在，可以使鉸刀與底孔自動“對正”。鉸刀刀刃前端有倒角，可以引導(dǎo)鉸刀“找著”底孔中心，達到“對正”效果，從而改善鉸孔環(huán)境，使鉸刀旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定、受力均勻、余量均勻，鉸孔尺寸精確。浮動夾頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡如圖6所示。

圖5 浮動夾頭消除主軸定位誤差原理圖

圖6 浮動夾頭內(nèi)部剖面圖

（3）采用攻絲夾頭夾持鉸刀鉸孔方案。此方案的工作原理，與浮動夾頭形同，兩者的不同在于夾頭形狀大小不同，一般情況下，浮動夾頭的形狀體積大。該方案為備選方案。存在的風(fēng)險為：攻絲夾頭形狀較大，當(dāng)旋轉(zhuǎn)起來后，主軸的跳動誤差，可能會大于浮動夾頭。這兩種方案，通過試驗選擇其中鉸孔效果較佳方案。

攻絲夾頭與機床主軸的連接處設(shè)計的是小間隙配合，當(dāng)夾上絲錐攻絲時，絲錐會隨著端頭引導(dǎo)與零件底孔對正是由于夾頭間隙的緣故，不會出現(xiàn)絲錐與鉆孔位置“不對正”的情況。分析本項目鉸孔的需要，關(guān)鍵點就在鉸刀與底孔“對正”問題，若兩者之間有差異，將會影響孔徑精度，所以攻絲夾頭用于鉸孔第二方案。

（4）采用鏜刀鏜孔方案。鏜孔方案排列在方法三，鏜孔方法保證嚴(yán)公差，也是一種較常見的相對穩(wěn)妥的孔加工方法，但該方法需配置精密鏜頭（調(diào)整精度不大于0.002mm），適用于少量孔的加工。因為鏜刀是利用刀尖進行加工，加工的過程中刀尖易產(chǎn)生磨損，會影響孔徑尺寸。更換鏜刀后，刀具裝夾誤差也易造成鏜孔尺寸變化，需要重新調(diào)整對刀，因此不適宜較多孔組的加工。同時，對于操作者的技能水平要求極高（手工調(diào)整存在目測、手感、排除間隙等誤差），對過程操作要求精細(xì)，工人需頻繁測量，微調(diào)鏜刀尺寸，質(zhì)量穩(wěn)定性差，風(fēng)險性較高，加工效率低下。本項目孔數(shù)量多，若全程依賴操作者的精確操作，勞動強度很重，難度很大，加工風(fēng)險性較大，可操作性較低。

4 驗證對比及方案確定

4.1 鏜孔試驗

（1）試驗工步：安裝找正試驗件打中心孔40-ф2、鉆底孔40-ф4.9、粗鏜孔40-ф5.2、精鏜孔40處ф5.4-0.024/-0.016，共計四道工步。前三工步按步驟進展順利，孔尺寸合格。精鏜孔工步進行情況，每鏜1個孔，均進行測量。按順序各孔檢測結(jié)果如下：1孔ф5.38、2孔ф5.38、3孔ф5.376、4孔ф5.376、5孔ф5.375；調(diào)節(jié)鏜刀尺寸，直徑加大0.006，繼續(xù)鏜孔；6孔ф5.38、7孔ф5.379、8孔ф5.377、9孔ф5.377、10孔ф5.376、11孔ф5.374；調(diào)節(jié)鏜刀尺寸，直徑加大0.006，繼續(xù)鏜孔，如此反復(fù)，直到鏜完40個孔。

（2）鏜孔試驗結(jié)論。鏜孔加工優(yōu)點：不必配備專用鉸刀，只需具備接近孔徑的鏜刀即可，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短；鏜孔加工缺點：鏜刀易磨損，加工4個孔鏜刀磨損0.005mm左右，已接近孔公差0.008mm，1把鏜刀最多加工5個合格孔，鏜刀磨損已不能保證孔徑，需要手動頻繁調(diào)節(jié)鏜刀尺寸以保證鏜孔精度。鏜孔過程中鏜刀尺寸調(diào)節(jié)存在風(fēng)險，受操作者測量技術(shù)水平、精神狀態(tài)影響較高，易造成操作者疲勞操作。該方案加工效率低，零件尺寸一致性差，可操作性低，加工效果較差。

4.2 攻絲夾頭夾持鉸刀鉸孔試驗

（1）試驗工步：安裝找正試驗件打中心孔40-ф2、鉆底孔40-ф4、擴孔40-ф5、粗鏜孔40-ф5.2精鏜孔40-ф5.3、鉸孔40處ф5.4-0.024/-0.016（整體硬質(zhì)合金鉸刀，鉸刀直徑ф5.381-0.003，配攻絲夾頭）。共計五道工步，前四工步按步驟進展順利，孔尺寸合格。（備專用鉸刀，尾柄形狀必須是方頭，與攻絲夾頭尺寸一樣）。配攻絲夾頭鉸孔時工步的情況如下：一把鉸刀可以一次性加工40個合格孔，1孔ф5.381、2孔ф5.382、3孔ф5.38、4孔ф5.38、5孔ф5.379、……、36孔ф5.377、37孔ф5.379、38孔ф5.378、39孔ф5.376、40孔ф5.378?？讖阶畲螫?.382，最小ф5.376，差值范圍0.006，40孔全部合格。

（2）試驗結(jié)論。優(yōu)點：一把鉸刀一次性加工40個合格孔，孔徑差值0.006mm，加工過程較穩(wěn)定；缺點：孔徑差值0.006mm，比較接近孔徑公差0.008mm，尺寸精確度差，有超出公差的危險。攻絲夾頭外形尺寸較大，在試驗件上可以正常使用，但在正式零件上由于結(jié)構(gòu)限制存在干涉，無法使用。因為零件所上孔中心距離臺階5mm，而攻絲夾頭直徑ф40，無法下落。因此，必須設(shè)計專用鉸刀，使鉸刀伸出部分更長（需要30mm），才能使用攻絲夾頭，而鉸刀伸出部分太長不利于孔精度，攻絲夾頭的干涉情況如圖7所示。

圖7 攻絲夾頭外形尺寸與加工部位對比示意圖

4.3 浮動夾頭夾持鉸刀鉸孔試驗

（1）試驗工步：安裝找正試驗件打中心孔40-ф2、鉆底孔40-ф4、擴孔40-ф5、粗鏜孔40-ф5.2精鏜孔40-ф5.3、鉸孔40處ф5.4-0.024/-0.016（硬質(zhì)合金鉸刀，鉸刀直徑ф5.3810-0.003，配浮動夾頭）。共計五道工步，前四工步按步驟進展順利，孔尺寸合格。（配備專用鉸刀，直徑尺寸，及刀具材料適合）。配浮動夾頭鉸孔工步情況如下：一把鉸刀一次性加工40個孔，各孔測量結(jié)果：1孔ф5.382、2孔ф5.381、3孔ф5.38、4孔ф5.38、5孔ф5.381、……、36孔ф5.379、37孔ф5.379、38孔ф5.38、39孔ф5.38、40孔ф5.379?？讖阶畲螫?.382，最小ф5.379，差值0.003，孔徑值基本接近鉸刀直徑。

（2）浮動夾頭鉸孔試驗結(jié)論。優(yōu)點：一把鉸刀可以一次性加工40個合格孔，孔徑差值0.003，加工結(jié)果精密度、精確度高，加工效率高，可以高效精確保證零件加工需求。缺點：暫無。

4.4 試驗加工后方案確定

通過以上三種加工方案試驗，加工優(yōu)缺點對比得出：鏜孔方案鏜刀磨損快，只適用于數(shù)量小的孔加工；攻絲夾頭方案，孔徑公差可以保證，但由于受零件加工部位的空間限制，適用范圍存在一定限制；浮動夾頭方案，孔尺寸精度高，穩(wěn)定性高，相比其它兩種方案具有明顯優(yōu)勢。所以，最終確定選擇浮動夾頭夾持鉸刀加工方案。

4.5 方案實施及零件加工結(jié)果

（1）零件材料是2Cr13，材料硬度HBS=241-341，兩組精密孔40處ф5.4-0.024/-0.016、40處ф6-0.024/-0.016的鉸孔，采用浮動夾頭夾持鉸刀技術(shù)，ф5.4選用鉸刀直徑尺寸ф5.381-0.003，ф6選用鉸刀直徑尺寸ф5.980-0.003，鉸刀材料為整體硬質(zhì)合金，鉸刀尾柄為ф6直柄，與浮動夾頭連接，再將浮動夾頭連接到機床主軸上。鉸孔方法與普通鉸孔方法相同，區(qū)別是裝上了浮動鉸刀頭。

（2）操作步驟如下：①選擇合適規(guī)格的浮動鉸刀頭，此為標(biāo)準(zhǔn)件，可以購買；②將鉸刀與浮動鉸刀頭連接；③將裝好鉸刀的浮動鉸刀頭與機床主軸連接；④鉸孔。

（3）按照打中心孔、鉆底孔、擴孔、鏜孔、鉸孔等工步完成加工。40個孔均滿足尺寸技術(shù)要求，且孔徑差值小大于0.003，一致性較好，加工效率較高?，F(xiàn)將鉸孔部分加工參數(shù)列出。①加工余量優(yōu)選值：a鏜孔：單邊0.1-0.15；b鉸孔：單邊0.03-0.05；②加工參數(shù)：a鉆孔40-ф4.9加工參數(shù)：S=400r/min，F(xiàn)=20mm/min；b鏜孔40-ф5.2加工參數(shù)：S=600r/min，F(xiàn)=25mm/min；c鉸孔40處ф5.4-0.016/-0.024加工參數(shù)：S=130r/min，F(xiàn)=7mm/min；③鉸刀及配件浮動夾頭：鉸刀直徑ф5.381-0.003、ф5.980-0.003，鉸刀材料為硬質(zhì)合金，刃長15，鉸刀刃數(shù)量6，引導(dǎo)角度45°±30′，前角3°-5°，第1后角8°±2°，第2后角12°±2°，修光刃長0.1+0.05。

5 推廣意義

通過對各種孔加工方案的試驗對比，最終采用浮動鉸刀頭技術(shù)，利用在數(shù)控鏜床上模擬手工鉸孔的原理，解決了高精度孔加工難度高、一致性不易保證的難題。本技術(shù)操作方法簡單，加工零件具有高質(zhì)量、高穩(wěn)定性、高效率的優(yōu)點，使精密孔的加工不再依賴于操作者的技術(shù)水平，極大提升了精密孔加工技術(shù)水平，在機械加工領(lǐng)域?qū)τ诟黝惲慵芸椎募庸?，具有極高的推廣價值及意義。

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2096-2789（2016）11-0016-04