小夾角斜面鉆細(xì)長孔技術(shù)研究

郭華衛(wèi)，王樂，王智，齊光輝，鄭佳春

中國第一汽車集團(tuán)有限公司研發(fā)總院試制部 吉林長春 130011

在發(fā)動(dòng)機(jī)試制過程中，有時(shí)需要在氣缸蓋燃燒室外部斜向鉆孔，并在該斜孔中插入溫度傳感器，以監(jiān)測發(fā)動(dòng)機(jī)在工作環(huán)境下的溫度。所加工的斜孔多為細(xì)長孔，且與被加工表面夾角較小，在加工中存在刀柄干涉、孔位偏差大等問題。本文通過分析斜孔的加工方法，計(jì)算定心孔的偏移距離和切入深度，提出銑刀加工定心孔的策略，無需專用工裝，僅使用常規(guī)刀具即可加工斜孔，給斜孔加工的優(yōu)化，提供一種新的加工策略。

現(xiàn)有方案存在的問題

1.刀具干涉問題

加工斜孔比較常用的方法：先用銑刀加工平面，再使用中心鉆加工定心孔，然后用鉆頭鉆孔。但是，當(dāng)所加工斜孔與被鉆表面夾角較小，現(xiàn)有銑刀和中心鉆沿孔軸線加工時(shí)，刀柄與缸蓋表面干涉，不能加工定心孔，如圖1所示。

圖1 加工中心孔示意

2.專用夾具制作周期長、成本高

制作專用夾具也可以實(shí)現(xiàn)斜孔加工，工件在夾具中必須精確定位，并且在斜孔前端增加導(dǎo)向定位，引導(dǎo)鉆頭鉆入斜面，此方法需增加工裝成本，夾具精度要求較高，且夾具制作周期長。

3.孔位偏差大

斜孔的加工方法還有樣沖定心法、锪淺窩過渡法以及锪平面鉆孔法，其原理是在欲鉆斜孔位置處，鑿出或加工出一個(gè)過渡平面，使鉆頭容易鉆入斜面。樣沖定心法和锪淺窩過渡法只適用于精度不高的斜孔，如用手電鉆鉆孔。锪平面鉆孔法，是通過銑刀垂直于鉆孔軸線，利用銑刀側(cè)刃加工平面，然后用鉆頭直接鉆孔，此方法會(huì)增大孔口切削面積，后期需修補(bǔ)，并且鉆頭無法定心，很容易鉆偏，如圖2所示。為避免刀具干涉、降低加工成本、改善孔位偏差大的問題，急需開發(fā)新的斜孔加工策略。

圖2 锪平面鉆孔示意

定心孔加工方案的改進(jìn)

1.定心孔銑刀加工法

銑刀加定心孔示意如圖3所示，此方法使用的機(jī)床為4軸臥式加工中心，通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，使銑刀軸線與孔軸線形成45°夾角，采用螺旋插補(bǔ)加工，下切至外側(cè)刀尖與傳感器孔的軸線重合，銑刀底刃與側(cè)刃形成的切削面為法向剖視相互垂直的曲面和平面，這兩個(gè)切削面可有效限制鉆頭的徑向竄動(dòng)，相當(dāng)于90°的定心孔，如圖4所示。

圖3 銑刀加定心孔示意

圖4 定心孔剖面示意

2.數(shù)值計(jì)算

定心孔銑刀加工法的幾何關(guān)系如圖5所示。d0為定心孔軸線與工件表面的交點(diǎn)和待鉆斜孔的軸線與工件表面的交點(diǎn)的距離，即線段AB的長度；d1為定心孔的外周面與工件表面的交線上距離最近的點(diǎn)到待鉆斜孔軸線的預(yù)設(shè)距離，即線段CE的長度；h0為定心孔的切入深度，即線段BG的長度；α為待鉆斜孔軸線與工件表面的夾角；θ為定心孔的軸線與待鉆斜孔軸線的夾角，即45°；β為定心孔軸線與工件表面的夾角，即α與θ之和；r1為定心孔的預(yù)設(shè)半徑。

圖5 幾何關(guān)系

通過零件圖樣標(biāo)注，可推算出斜孔軸線與工件表面的交點(diǎn)A和夾角α，需計(jì)算出銑刀加工定心孔的偏移數(shù)值d0和銑刀切入深度h0。

根據(jù)圖5的幾何關(guān)系可得出d0=AC-BC，其計(jì)算方法為

根據(jù)圖5的幾何關(guān)系可得出h0=BH＋HG，其計(jì)算方法為

3.定心孔孔口處理

定心孔加工完成后，必須使用銑刀去除定心孔與待鉆斜孔之間的殘存余料。如圖6所示，通過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，將機(jī)床主軸垂直于待鉆斜孔軸線，銑刀沿待鉆斜孔圓弧面插補(bǔ)銑削，去除殘存余料。

圖6 球刀去除孔口殘存余料

優(yōu)選使用球頭銑刀來去殘存余料，可以獲得與待鉆斜孔相近的圓周面，對鉆頭的支撐效果更好，從而保證鉆頭鉆斜孔時(shí)不會(huì)發(fā)生鉆偏現(xiàn)象。

應(yīng)用實(shí)例

汽缸蓋零件斜孔加工如圖7所示，待鉆斜孔的半徑為0.8mm，斜孔軸線與工件表面的夾角為15°。具體實(shí)施方案如下。

圖7 汽缸蓋斜孔加工

（1）裝夾找正工件 將汽缸蓋零件通過方箱垂直安裝于四軸臥式加工中心的工作臺上，設(shè)定工件坐標(biāo)系為待鉆斜孔軸線與工件表面的交點(diǎn)，被加工斜孔可通過旋轉(zhuǎn)B軸及移動(dòng)X軸和Y軸與機(jī)床主軸重合。

（2）數(shù)值計(jì)算 根據(jù)圖6的幾何關(guān)系，預(yù)設(shè)銑刀加工定心孔的半徑r1為0.81mm；預(yù)設(shè)定心孔的加工范圍到待鉆斜孔軸線的距離d1為0.9mm（為保證孔口鉆頭平穩(wěn)切入及便于計(jì)算，此值略大于r1，預(yù)設(shè)為0.9）。然后，計(jì)算出銑刀加工定心孔的偏移數(shù)值d0和銑刀切入深度h0。

銑刀加工定心孔的偏移數(shù)值：

銑刀切入深度：

（3）加工定心孔 選用直徑1mm的合金銑刀，旋轉(zhuǎn)B軸工作臺，使機(jī)床主軸與被鉆孔軸線形成45°夾角，銑刀移動(dòng)至偏移量d0位置，采用螺旋插補(bǔ)銑削方式，加工孔徑為1.62mm的定心孔，銑削深度至h0位置。此時(shí)，銑刀外側(cè)刀尖與斜孔軸線重合，定心孔加工完成。

（4）去除殘存余料 選用直徑1mm球頭銑刀，旋轉(zhuǎn)B軸工作臺，使機(jī)床主軸垂直于待鉆斜孔軸線，沿待鉆斜孔圓弧面插補(bǔ)銑削，去除殘存余料，銑削的圓弧面半徑為0.81mm，比待鉆斜孔半徑大0.01mm。

（5）鉆孔 選用直徑1.6mm、長徑比為25的合金鉆頭，鉆頭的轉(zhuǎn)速為2000r/min，啄鉆加工，每次切深0.5mm，進(jìn)給速度為15mm/min。

傳感器孔加工成品后的效果如圖8所示。其表面直槽為傳感器排線導(dǎo)出槽，可見采用本方法加工的斜孔沒有出現(xiàn)鉆偏現(xiàn)象，與排線槽過渡平滑，位置精度較高。

結(jié)語

通過分析斜孔的加工方法，計(jì)算定心孔的偏移距離和切入深度，提出銑刀加工定心孔的策略，不使用專用夾具和專用刀具即可完成斜孔加工，且加工操作簡單，能夠節(jié)約加工成本，為斜孔加工提供參考與支持。