燃機產(chǎn)品階梯銷孔加工方法研究

馬文寶 董兆鵬 韓海瑞

（共享裝備股份有限公司，寧夏 銀川 750021）

0 引言

燃氣輪機作為一種應(yīng)用廣泛的大功率、高性能動力機械，其配套零部件上設(shè)計有一種階梯銷孔的特征（圖1），同軸度、位置度要求較高，使用兩把刀分開鉆孔、鉸孔可能會導致加工出來的階梯銷孔不能與配件很好配合，無法滿足設(shè)計要求。另外，還可能導致鉸刀在鉸孔的過程中因底孔質(zhì)量差而發(fā)生斷裂，對工件本身產(chǎn)生機損，影響加工效率。置精度。

圖1 階梯銷孔結(jié)構(gòu)

為了使加工出來的階梯銷孔能夠滿足設(shè)計的同軸度要求及位置度要求，研究總結(jié)出一種階梯銷孔的加工方法，經(jīng)過實際現(xiàn)場試切及加工驗證，證明此種加工方法能夠解決上述問題。

1 工藝流程

一般鉸孔是擴大一個已經(jīng)存在的孔，用鉸刀從工件原有孔壁上切除微量金屬層，以提高其尺寸精

鉸孔是利用鉸刀對已有的孔進行半加工和精加工的一種加工工藝。鉸孔主要用于中小尺寸的孔的精加工和半精加工，能有效糾正孔的圓度誤差，達到較高的表面質(zhì)量。由于鉸刀一般齒數(shù)較多，導向性好，心部直徑大，刀具的剛性好，鉸削余量小，鉸刀切削的厚度較薄，因此，加工精度可達IT7～IT9級，表面粗糙度值一般可達Ra0.4～1.6 μm。但是它不能保證孔的位置精度，因此在前道工序應(yīng)保證底孔的位度和減小其表面粗糙度值的方法[1]。其工藝流程為：鉆定位孔、鉆（擴）底孔、鉸孔。該工藝流程對于本文所述的階梯銷孔結(jié)構(gòu)同樣適用，具體的工藝流程如下：

（1）在槽子內(nèi)壁上加工φ16.2沉孔；（2）沉孔底部鉆底孔的定位孔；（3）在定位孔上鉆底孔φ15.2/φ9.2；（4）鉸孔φ15.6/φ9.6。

注意事項：

（1）加工φ16.2沉孔，由于刀具是單邊吃量，容易發(fā)生讓刀的情況，故在加工過程中刀具吃刀量不能太大，需選用剛性較好的刀具進行加工。根據(jù)加工產(chǎn)品材質(zhì)的不同，可靈活定制刀具的材質(zhì)。（2）鉆定位孔時，中心鉆的直徑需小于φ16.2沉孔（實際使用刀具為φ10的中心鉆），保證在加工過程中不會產(chǎn)生干涉，防止撞刀。（3）底孔φ15.2/φ9.2需一次加工完成。（4）鉸孔φ15.6/φ9.6需一次加工完成。（5）在加工過程中，根據(jù)工件材質(zhì)的不同，鉸孔的質(zhì)量可能存在些許差異，故在鉆完底孔φ15.2/φ9.2后，可增加擴孔或者粗鉸孔工序，以減少鉸孔φ15.6/φ9.6時的鉸削余量，提交鉸孔質(zhì)量。（6）由于底孔φ15.2/φ9.2和鉸孔φ15.6/φ9.6都需要一次性加工完成，所以在工件上正式加工之前必須要先在試切件上進行試切。一方面，試切可以檢查刀具是否合適，加工出來的孔的大小是否超差；另一方面，可以試切φ15.2/φ9.2鉆頭和φ15.6/φ9.6鉸刀的最佳切削參數(shù)，以此來保證在工件上加工出來的銷孔是合格的，提高鉸孔質(zhì)量。

2 刀具選擇

上述工藝流程中φ16.2沉孔和定位孔按照通用加工方法選用正常加工刀具：立銑刀、中心鉆，合理選擇規(guī)格即可?，F(xiàn)對鉆孔及鉸孔刀具進行詳述。

（1）鉆孔φ15.2/φ9.2：在鉆孔時，若將兩個底孔分開進行加工，那么可能會使兩孔的同軸度在鉆底孔時就超出公差范圍，在后續(xù)鉸孔時會造成鉸刀上下受力不均而斷裂，對產(chǎn)品本身產(chǎn)生機損。故底孔φ15.2/φ9.2使用一把刀同時加工完成，刀具如圖2、圖3所示（圖2右側(cè)為φ15.2/φ9.2鉆頭）。需注意：此鉆頭在加工時，前端φ9.2部分先進行切削，鉆出時要經(jīng)過槽子鉆φ9.6銷孔的φ9.2底孔，加工此孔時槽底部端面是沒有定位孔的，那么就需要此鉆頭的鉆尖起到一部分定位作用，但是由經(jīng)驗可知，麻花鉆的鉆尖是無法打定位孔的，故在設(shè)計制作鉆頭時就需要明確鉆頭前端直徑為φ9.2部分的長度必須大于槽子寬度，要保證鉆頭φ9.2部分在從φ15.2的孔完全鉆出時有一部分已經(jīng)鉆進φ9.2底孔內(nèi)，利用鉆頭前端整體的剛性保證φ9.2定位孔的精度。為達到此目的，刀具的材料要選用硬質(zhì)合金，例如YT30，具體刀具材質(zhì)可根據(jù)加工產(chǎn)品材質(zhì)的不同靈活選擇。

圖2 刀具（左側(cè)為φ15.6/φ9.6鉸刀，右側(cè)為φ15.2/φ9.2鉆頭）

圖3 φ15.2/φ9.2鉆頭

（2）鉸孔φ15.6/φ9.6：為保證此階梯銷孔的同軸度及位置度要求，鉸孔必須使用一把刀一次完成兩個孔的加工，刀具如圖2、圖4所示（圖2左側(cè)為φ15.6/φ9.6鉸刀）。在加工過程中若孔的數(shù)量較多，那么極有可能是刀具磨損導致最終加工出來的銷孔尺寸偏小，無法進差。故在加工時需時刻注意銷孔直徑，若測量尺寸接近銷孔直徑下偏差，那么就需及時更換新的鉸刀，驗證刀具的圓跳動后再進行加工，確保鉸孔能夠一次性合格。

圖4 φ15.6/φ9.6鉸刀

注意事項：

（1）在保證刀具裝卡時不與工件及夾具產(chǎn)生干涉的情況下，應(yīng)盡可能縮短鉆頭和鉸刀的刀長，保證鉆頭和鉸刀具有足夠的剛性，防止在加工過程中有斷裂的情況發(fā)生。（2）鉆頭和鉸刀的大小端同軸度需在0.02 mm內(nèi)，跳動公差需在0.02 mm內(nèi)。（3）鉆頭和鉸刀的夾持單元在裝卡到機床主軸時，需保證其圓跳動公差在0.02 mm以內(nèi)方可進行加工，故在實際加工前，首先需檢查機床主軸跳動剛性、松拉刀拉力大小。（4）為保證銷孔的加工質(zhì)量，延長刀具使用壽命，在加工過程中要正確選用切削液，降低切削過程中刀具和工件的溫度，改善散熱，抑制積屑瘤的產(chǎn)生[2]；減少切屑細末粘附在鉸刀刀刃上、孔壁和鉸刀的刃帶之間，以免影響孔的表面粗糙度。一般切削液為乳化液，濃度根據(jù)工件材質(zhì)及實際加工工況進行選擇。

3 切削參數(shù)選擇

經(jīng)過現(xiàn)場實際試切及加工驗證，得到鉆孔和鉸孔的參數(shù)如下：（1）鉆孔φ15.2/φ9.2：機床主軸轉(zhuǎn)速n=240～300 r/min，進給f=12～15 mm/min；（2）鉸孔φ15.6/φ9.6：機床主軸轉(zhuǎn)速n=65～70 r/min，進給f=4～6 mm/min。

按照上述參數(shù)加工完成后，底孔的直徑可以達到15.2/9.20+0.1mm，能夠有效確保鉸孔時有足夠的鉸削余量，控制余量在0.3～0.4 mm，底孔內(nèi)壁的粗糙度能夠達到Ra1.6 μm左右，提高了鉸孔的質(zhì)量。鉸孔完成后銷孔內(nèi)壁粗糙度可以達到Ra0.6～1.6 μm，兩個銷孔的同軸度可以達到0.02 mm以內(nèi)。

對于其他規(guī)格尺寸階梯銷孔的加工，切削參數(shù)可根據(jù)公式n=1 000vc/πD，結(jié)合上述參數(shù)進行計算得出。但是由于使用的鉸刀一把刀存在兩種直徑，所以此參數(shù)僅能作為參考，在實際加工前需先進行試切驗證，得到最優(yōu)參數(shù)后方可在產(chǎn)品上進行加工，避免理論參數(shù)與實際加工參數(shù)的偏差導致加工出來的銷孔質(zhì)量不合格。

4 加工過程中遇到的問題及解決方法

4.1 φ9.6銷孔直徑偏小

此加工方法旨在用一把刀一次性加工完成直徑大小不同的兩個銷孔，所以在加工過程中鉸刀φ9.6、φ15.6兩個部分的磨損速度會有所不同，在轉(zhuǎn)速相等的情況下，直徑越小的部分刀具的線速度越大，則磨損越快，由此導致在加工過程中，部分φ15.6的銷孔直徑在公差內(nèi)，但φ9.6的銷孔直徑則偏小，在下偏差外。

為解決此問題，在設(shè)計制作刀具時，將直徑為φ9.6部位原本的設(shè)計公差φ9.60+0.012更改為φ9.6+0.05+0.012，以平衡鉸刀φ15.6和φ9.6的磨損速度，使φ15.6和φ9.6部位的直徑在加工過程中磨損后盡可能同時到達各自直徑的下偏差。同時，為減緩刀具的磨損速度，在加工過程中需確保有足夠的切削液，以降低刀具的切削溫度。

4.2 鉸刀斷裂

本文所述鉸刀的切削刃由φ9.6和φ15.6兩部分組成，在加工過程中若底孔的同軸度較差，那么在鉸孔時鉸刀的兩部分受到擠壓的力就會不均勻，極易發(fā)生鉸刀斷裂的情況，影響鉸孔質(zhì)量。

為解決此問題，在使用φ15.2/φ9.2鉆頭鉆底孔前，必須使用中心鉆先打定位孔，確保鉆頭在鉆孔時不會發(fā)生偏移。另外，鉆頭φ9.2部位的有效切削刃的長度必須大于中間槽子的寬度，以保證鉆頭φ9.2部位在完全鉆透槽子上端面時，至少鉆尖或者部分切削刃已經(jīng)鉆進槽子下端面，在輔助鉆φ9.2孔定位的同時保證底孔的同軸度在0.02 mm內(nèi)。

4.3 底孔質(zhì)量不合格

底孔質(zhì)量不合格一般存在兩種情況：尺寸不合格、位置度不合格。

尺寸不合格一般是由于刀具尺寸不合格或切削參數(shù)不合適。刀具尺寸不合格需重新補充采購新的刀具，使用前對刀具進行檢驗，確保刀具直徑在設(shè)計公差內(nèi)再進行加工；切削參數(shù)在上文給出了推薦值，但是此參數(shù)僅針對在特定工況下加工特定的產(chǎn)品，若加工其他產(chǎn)品需先根據(jù)公式推算出理論切削參數(shù)，再進行試切，得出適合實際加工的切削參數(shù)。

位置度不合格需先確定刀具的圓度是在公差內(nèi)的，再考慮機床主軸的跳動情況及松拉刀的拉緊程度。

5 結(jié)論

采用上述加工方法可滿足階梯銷孔的同軸度及位置度要求，保證刀具直徑、同軸度在設(shè)計公差內(nèi)，還可降低機床質(zhì)量事件發(fā)生的概率，提升加工效率。

通過實際驗證得出，φ15.6/φ9.6階梯銷孔底孔及鉸孔加工均使用定制刀具φ15.2/φ9.2鉆頭和φ15.6/φ9.6鉸刀一次性完成。鉆孔φ15.2/φ9.2時，機床主軸轉(zhuǎn)速n=240～300 r/min，進給f=12～15 mm/min；鉸孔φ15.6/φ9.6時，機床主軸轉(zhuǎn)速n=65～70 r/min，進給f=4～6 mm/min。加工完成后，銷孔直徑合格，均在公差范圍內(nèi)：φ15.60+0.018、φ9.60+0.015；內(nèi)壁粗糙度合格，達到Ra0.6～1.6 μm；兩個銷孔的同軸度合格，在0.02 mm內(nèi)；位置度合格，在分度圓φ2 293.01上均在公差范圍φ0.2 mm內(nèi)。

本文僅以φ15.6/φ9.6階梯銷孔為例進行敘述說明，對于相似特征產(chǎn)品的加工，也可使用此種加工方法，刀具及切削參數(shù)的選擇可參考上文參數(shù)，利用公式進行推算得出理論參數(shù)，然后進行試切得到最優(yōu)參數(shù)，再進行加工。