細(xì)長(zhǎng)桿深盲孔的平底加工

高云龍

西安慶安航空機(jī)械制造有限公司 陜西西安 710016

1 序言

活塞桿類(lèi)零件是航空制造業(yè)作動(dòng)系統(tǒng)中一種廣泛使用的零件，它能起到準(zhǔn)確傳遞位移并施加載荷的作用。為了減輕飛機(jī)的質(zhì)量，多數(shù)活塞桿類(lèi)零件設(shè)計(jì)了中心通孔或盲孔結(jié)構(gòu)，這些深孔的長(zhǎng)徑比可達(dá)30以上，加工這些深孔有很高的難度[1]，尤其是底部有特殊結(jié)構(gòu)的深盲孔，加工難度更高。

使用槍鉆加工深孔有較高的材料去除率，是一種高效的深孔加工方法，并且可以獲得較高的表面質(zhì)量，因此是深孔加工的首選方式。由于在使用槍鉆加工深孔時(shí)，存在無(wú)法直接觀測(cè)到加工刀具的狀態(tài)、切屑不易排出、切削熱不易傳散以及工藝系統(tǒng)剛性差等問(wèn)題[2，3]，因此應(yīng)科學(xué)地設(shè)置工藝流程和加工參數(shù)。

2 深孔加工出現(xiàn)的問(wèn)題

我公司加工的一種細(xì)長(zhǎng)活塞桿結(jié)構(gòu)和尺寸如圖1所示，零件總長(zhǎng)為485mm，內(nèi)孔深度為422mm，直徑為18mm，長(zhǎng)徑比為23.5，屬于典型的深孔，且內(nèi)孔結(jié)構(gòu)為盲孔。為了減少活塞桿底部的應(yīng)力集中，設(shè)計(jì)了129°的倒角及轉(zhuǎn)接R5mm圓角?；钊麠U材料為35NCD16，抗拉強(qiáng)度為1230～1370MPa，硬度為40～43HRC，屬于低合金高強(qiáng)度鋼，較難加工。

圖1 細(xì)長(zhǎng)活塞桿結(jié)構(gòu)和尺寸

為了兼顧加工高效性及經(jīng)濟(jì)性，此深盲孔的加工工藝流程分為鉆孔和平底兩道工序。鉆孔無(wú)需使用專用刀具，刀片采用通用的鉆孔結(jié)構(gòu)即可，可以提高零件的加工效率。平底工序使用專用刀具，只加工底部殘留位置，保證零件內(nèi)孔底部成形，可以減少平底刀具的使用頻率。因?yàn)槠降椎毒哂休^大的轉(zhuǎn)接R，加工時(shí)切削力較大，刀具使用壽命低，所以減少刀具的使用頻率可以降低刀具費(fèi)用。鉆孔及平底工序的加工內(nèi)容如圖2、圖3所示。

圖2 鉆孔工序的加工內(nèi)容

圖3 平底工序的加工內(nèi)容

在平底工序結(jié)束后，零件底部出現(xiàn)了接臺(tái)，平底超差形狀如圖4所示。在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的范圍內(nèi)（L的范圍為10mm，此長(zhǎng)度與平底刀具的有效切削長(zhǎng)度相近），零件底部φ A超差增大，達(dá)19mm，單邊超差0.5mm。

圖4 平底超差形狀

3 原因分析

經(jīng)分析，平底工序出現(xiàn)零件孔徑超差可能有如下幾個(gè)原因。

1）平底時(shí)設(shè)置的加工參數(shù)過(guò)高，在離心力的作用下，平底刀具的側(cè)刃對(duì)內(nèi)孔的孔壁進(jìn)行切削，導(dǎo)致孔底位置的直徑被加工得過(guò)大。

2）平底刀具如圖5所示，為裝夾式刀具，刀片通過(guò)螺釘安裝在刀桿上，刀片的制造誤差也會(huì)導(dǎo)致刀片安裝后刀具直徑增大，從而導(dǎo)致孔徑變大。

圖5 平底刀具

3）深孔加工時(shí)，刀具上的支撐塊對(duì)整個(gè)加工過(guò)程至關(guān)重要。只有刀具上的支撐塊能與內(nèi)孔孔壁有效接觸時(shí)，才會(huì)有效地引導(dǎo)切削刀具順著內(nèi)孔軸線進(jìn)行切削。如果刀具的支撐塊過(guò)小，就會(huì)導(dǎo)致刀具出現(xiàn)擺動(dòng)，使得內(nèi)孔直徑超差增大。

4）深孔底部吃刀量過(guò)大，切削時(shí)整個(gè)刀具都在參與切削，由于平底刀具的特殊結(jié)構(gòu)會(huì)使刀具徑向切削力較大，所以導(dǎo)致內(nèi)孔尺寸超差增大。

4 模擬測(cè)試

針對(duì)第1個(gè)原因（加工參數(shù)）和第4個(gè)原因（平底時(shí)的吃刀量），可利用Deform-3D軟件進(jìn)行模擬，分析平底加工過(guò)程中刀具受到的徑向切削力。根據(jù)已有的加工參數(shù)，將切削速度設(shè)置為5m/min、10m/min、15m/min和20m/min4組，將進(jìn)給量設(shè)置為0.02mm/r、0.03mm/r、0.05mm/r和0.08mm/r4組，吃刀量設(shè)置為0.1mm、0.5mm、1.2mm和2.1mm4組，共計(jì)64組參數(shù)來(lái)模擬分析加工過(guò)程中的徑向切削力。利用Deform-3D采集的徑向切削力如圖6所示。

圖6 利用Deform-3D采集的徑向切削力

通過(guò)模擬分析，得出切削速度、進(jìn)給量及吃刀量與徑向切削力的關(guān)系見(jiàn)表1～表3，可知徑向切削力隨著切削速度、進(jìn)給量及吃刀量的增大而增大。

表1 切削速度與徑向切削力的關(guān)系

表2 進(jìn)給量與徑向切削力的關(guān)系

表3 吃刀量與徑向切削力的關(guān)系

從模擬數(shù)據(jù)可以看出，吃刀量對(duì)平底加工時(shí)的徑向切削力影響是最大的，這一要素在最開(kāi)始加工時(shí)被忽略，但是通過(guò)軟件模擬，才發(fā)現(xiàn)其重要性。在使用平底刀具完全切削底孔時(shí)，隨著吃刀量的加大，刀具上承受的切削力會(huì)逐漸增加。此零件結(jié)構(gòu)特殊，平底刀具上設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)接R5mm圓角，切削時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的切削力，再加上刀具的鉆尖角為129°，產(chǎn)生的徑向切削力也很大。切削速度對(duì)徑向切削力的影響也比較明顯，隨著切削速度的提升，徑向切削力急劇增加。進(jìn)給量對(duì)于徑向切削力的影響雖然沒(méi)有其他兩個(gè)要素明顯，但也有相關(guān)性，在加工時(shí)也要重點(diǎn)控制。

對(duì)2003年至2018年教育部自主招生政策文件與代表性高校政策文件進(jìn)行整理分析后，本研究認(rèn)為自主招生政策的人才評(píng)價(jià)與選拔標(biāo)準(zhǔn)主要有四個(gè)方面的特征，從德智體全面評(píng)價(jià)人才、尊重學(xué)生的個(gè)性化差異、優(yōu)中選優(yōu)、重視健全的人格等等。其中，不同方面的特征隨著年份的推進(jìn)也有一定的發(fā)展與變化。

平底成形刀片如圖7所示，在平底加工時(shí)，刀具的支撐塊會(huì)支撐在已加工好的內(nèi)孔上，這樣才能起到完美的定位作用。對(duì)使用的刀具支撐塊位置的直徑進(jìn)行測(cè)量，其直徑為17.92mm，與鉆孔之后的直徑18.02mm相差0.10mm，這一差值對(duì)于加工的孔徑也有很大影響。平底成形刀片的定位面與螺釘孔中心的距離C有一定的制造誤差，會(huì)導(dǎo)致刀片在壓緊后整體直徑存在誤差。經(jīng)過(guò)測(cè)量，C值的波動(dòng)在0～0.1mm，不合格的數(shù)量占比在5%左右，這是影響刀具切削直徑的又一個(gè)因素。

圖7 平底成形刀片

5 加工驗(yàn)證

通過(guò)模擬驗(yàn)證，明確了如下4個(gè)改進(jìn)方向。

1）調(diào)整刀具的支撐塊。在平底刀具刀桿安裝支撐塊的位置墊上厚度為0.05mm的墊片，這樣就可以調(diào)整支撐塊的直徑，使其與鉆孔后的內(nèi)孔直徑相匹配，解決平底刀具加工過(guò)程中支撐位置存在間隙的問(wèn)題。

2）挑選合格的刀片。在投影儀上測(cè)量刀片的C值，保證C值與標(biāo)準(zhǔn)值的波動(dòng)范圍在0.01mm以內(nèi)，這樣能確保刀具狀態(tài)一致，消除因刀具誤差而導(dǎo)致的零件內(nèi)孔直徑超差增大的現(xiàn)象。

3）調(diào)整平底刀具的加工參數(shù)。通過(guò)模擬測(cè)試可知，切削速度與進(jìn)給量對(duì)加工過(guò)程中的徑向切削力影響是比較大的，導(dǎo)致活塞桿內(nèi)孔底部直徑出現(xiàn)超差，要消除這個(gè)超差，必須設(shè)置合理的加工參數(shù)。

4）底部吃刀量的設(shè)置。這個(gè)當(dāng)初認(rèn)為對(duì)加工過(guò)程影響較小的因素，在模擬加工時(shí)表現(xiàn)出對(duì)徑向切削力有較大的影響，因此必須設(shè)置合理的吃刀量。

根據(jù)模擬結(jié)果提供的參數(shù)范圍，將平底加工的加工參數(shù)和吃刀量縮減至合理的范圍內(nèi)，并細(xì)化試驗(yàn)參數(shù)，設(shè)置的幾組加工參數(shù)及加工后零件的直徑見(jiàn)表4。

表4 設(shè)置的幾組加工參數(shù)及加工后零件的直徑

通過(guò)試驗(yàn)1～9可以得出，切削速度不能高于6m/m i n。試驗(yàn)10～16主要驗(yàn)證加工狀態(tài)是否穩(wěn)定，從10～13可以得出，吃刀量需要控制在0.1mm以內(nèi)；從14～16可以得出，進(jìn)給量需要控制在0.03mm/r以下。只有這樣設(shè)置加工參數(shù)，才能穩(wěn)定地保證平底加工后的直徑在公差范圍內(nèi)。最終經(jīng)過(guò)確認(rèn)的加工程序如下。

根據(jù)零件的加工狀態(tài)，將平底工序的吃刀量進(jìn)行了調(diào)整，調(diào)整之前為2.1m m，調(diào)整之后為0.1mm。吃刀量更改后的鉆孔尺寸要求如圖8所示。

圖8 吃刀量更改后的鉆孔尺寸要求

6 結(jié)束語(yǔ)

在加工活塞桿出現(xiàn)內(nèi)孔超差增大的問(wèn)題后，對(duì)影響深孔鉆的相關(guān)因素做了分析，并逐一進(jìn)行檢查，通過(guò)原因分析和模擬驗(yàn)證，得出如下結(jié)論。

1）調(diào)整平底刀具上支撐塊的高低與內(nèi)孔相匹配，保證刀具的支撐作用，避免將內(nèi)孔直徑加工超差增大。

2）測(cè)量平底刀片的相關(guān)尺寸，避免刀片存在的制造誤差對(duì)刀具切削直徑的影響。

3）利用軟件對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行模擬，將試驗(yàn)方案收縮在很小的范圍內(nèi)，有助于盡快調(diào)試出合適的加工方案。

4）吃刀量是被忽略的一個(gè)要素，會(huì)引起徑向切削力的巨大變化。

本次深孔平底問(wèn)題的解決是對(duì)綜合系統(tǒng)的一種改進(jìn)，通過(guò)從支撐塊、刀片挑選和加工參數(shù)設(shè)置等方面進(jìn)行整體改進(jìn)，最終解決了平底后內(nèi)孔直徑超差增大的問(wèn)題。為類(lèi)似特殊結(jié)構(gòu)的孔底加工提供了可行的方法和思路。