數(shù)控車床加工φ0.1mm微孔工藝技術(shù)研究

張 毅 顧小林 王惠生 范維成 王耀華

(中核北方核燃料元件有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014035)

為配合進行某檢漏工藝試驗，我單位承擔(dān)制作“模擬漏孔”加工任務(wù)，要求制作的“模擬漏孔”直徑小于0.25mm，深度大于1.0mm。在某工件上加工此孔，利用我單位現(xiàn)有的雙主軸數(shù)控縱切車床XD－20H進行加工，刀具采用φ0.1mm整體硬質(zhì)合金鉆頭。φ0.1mm整體硬質(zhì)合金鉆頭最大鉆孔深度為1.2mm，這樣可以確保我們制作的“模擬漏孔”完全滿足技術(shù)條件要求。

1 加工工藝技術(shù)研究

1.1 制造難點分析

圖1為某工件示意圖，其外形尺寸為φ9.5×14.3mm。此工件兩端直徑分別為 φ5.7mm和最大 φ1mm。按照圖紙分析，確定鉆孔工藝為先在φ5.7mm端鉆φ1mm孔，孔深為13.1mm，在最大φ1mm端鉆φ0.1mm微孔，孔深為1.2mm，這樣可保證工件整體被鉆穿，達到檢漏所用的“模擬漏孔”的作用。通過查閱國內(nèi)外機械制造論文以及文獻了解到，直徑小于3.175mm的鉆頭，通常稱為微鉆，那么φ0.1mm鉆頭稱為超微鉆頭，在數(shù)控車床上利用超微鉆頭加工φ0.1mm微孔，存在很大難度。根據(jù)相關(guān)資料介紹，了解到微孔加工的幾個注意事項:

(1)在使用微鉆時，應(yīng)盡量使用在鉆頭旋轉(zhuǎn)的機床(如加工中心)上使用微鉆，因為加工中心的主軸能給予鉆頭正確的軸心線定位。而我們?nèi)绻褂脭?shù)控車床加工，工件的偏心會導(dǎo)致鉆頭撓曲，必須把每個影響同心度的因素事先調(diào)整好，特別對硬質(zhì)合金鉆頭更要注意，因其不能適應(yīng)彎曲變形，易造成鉆頭意外折斷。

(2)任何鉆頭工作時，開始幾轉(zhuǎn)至關(guān)重要。因為開始切削時，鉆頭承受很大的偏心力，工件表面的不規(guī)則形狀會引起橫向滑步，導(dǎo)致刀具彎曲、折斷，或者至少是增大孔的偏差。

(3)增加內(nèi)冷，可以提高微鉆的使用壽命，利于排除微鉆工作過程中的切屑，通過內(nèi)冷高壓還可以增加微鉆的強度，φ0.1mm微鉆頭根本不可能作到。如果使用外冷，冷卻切削油的意外沖擊將會造成鉆頭折斷，且外冷一般情況下冷卻不充分。

(4)使用分步鉆孔序列，即周期性退出鉆頭時，退到什么位置合適，是采用完全退出，還是采用中斷進給，需不斷試驗，認真摸索經(jīng)驗。鉆孔深度的最后0.2～0.3mm范圍內(nèi)排屑比較困難，解決此問題的同時，應(yīng)充分考慮鉆頭的剛性和硬度是否可以達到使用要求。

(5)刀夾套筒端面處的最大跳動值要求在0.005～0.0076mm范圍內(nèi)，旋轉(zhuǎn)軸徑向跳動值要小于0.0025mm。對設(shè)備加工精度要求很高，理論要求設(shè)備最高轉(zhuǎn)速應(yīng)為每分鐘幾萬轉(zhuǎn)，甚至十幾萬轉(zhuǎn)。因此，數(shù)控車床的加工精度和最高轉(zhuǎn)速對于加工φ0.1mm微孔來說，顯得尤為重要。

(6)購買或者制作鉆尖頂角應(yīng)≥最終鉆孔的微鉆頂角的定心鉆頭。由于沒有內(nèi)冷卻，所以采用分步鉆孔中完全退出的方式排屑，如果入口處出現(xiàn)喇叭口，則應(yīng)進行測量確認微孔尺寸是否超出精度范圍。

此外，如何實現(xiàn)φ0.1mm鉆頭在數(shù)控車床上正確使用，工藝路線如何制定，鉆頭怎樣選擇，切削參數(shù)與程序編制如何設(shè)置，如何能夠提高鉆頭的使用壽命等等，均為在數(shù)控車床上加工φ0.1mm微孔的難點。

1.2 現(xiàn)有設(shè)備能力分析

我們根據(jù)鉆頭制造商對φ0.1mm鉆頭的資料介紹，以及上述制造難點和注意事項進行了雙主軸縱切車床XD－20H加工φ0.1mm微孔可行性分析:

(1)雙主軸縱切車床XD－20H精度經(jīng)過設(shè)備驗收，各項數(shù)據(jù)可以達到同軸度要求。選擇合適的、精度優(yōu)良的彈簧夾頭作為夾持工具，把鉆頭的同心度調(diào)至最佳狀態(tài)。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備經(jīng)過設(shè)備驗收的精度數(shù)據(jù)，基本滿足我們刀夾套筒端面處、旋轉(zhuǎn)軸徑向跳動兩個要求值的標(biāo)準。

(2)雙主軸數(shù)控縱切車床XD－20H主軸最高轉(zhuǎn)速為10000 r/min，副軸最高轉(zhuǎn)速為8000 r/min。根據(jù)工件實際加工工藝和“標(biāo)準漏孔”制作要求，需在副軸利用背面刀具完成此孔加工。當(dāng)選擇副軸最高轉(zhuǎn)速為8000 r/min時，主軸徑向跳動較大，不同心造成的側(cè)向負荷會使鉆頭崩斷。如果加工轉(zhuǎn)速過低，鉆頭承受偏心力，工件表面的不規(guī)則形狀會引起橫向滑步，導(dǎo)致鉆頭彎曲、折斷，或至少是增大孔的偏差。結(jié)合設(shè)備能力，選擇7000 r/min，在此基礎(chǔ)上需調(diào)整切削參數(shù)，選用良好的鉆頭，通過良好定心，盡可能消除初始定心誤差;按照分步鉆孔及宏程序的正確編制，保證最佳鉆孔效果。

1.3 工藝過程控制

通過在雙主軸縱切車床主軸端夾持工件，利用4把外徑刀具將工件外形部分全部車成，切斷后副軸接料，利用背面刀具對其進行φ0.1mm微孔加工，深度為1.2mm。加工完成后手動進行調(diào)頭二次裝夾，利用背面刀具對其進行φ0.1mm小孔加工，將工件打穿，且必須保證φ0.1mm微孔的加工深度為1.2mm。整個制造過程，關(guān)鍵工藝在于消除初始定心誤差和分布鉆孔工序上。

1.3.1 消除初始定心誤差

用微鉆進行深孔加工前，必須先用剛性好的定心鉆打一個深度為1～2倍直徑的初始定心孔，以便更好地消除初始定心誤差。定心鉆的直徑應(yīng)小于φ0.1mm。由于市場采購φ0.1mm的定心鉆較為困難且周期長，我們用φ0.1mm鉆頭的鉆柄在砂輪機上手工磨制出φ0.08mm的定心鉆。經(jīng)檢驗，該定心鉆的鉆尖頂角≥最終鉆孔的微鉆頂角，這樣有效地消除了加工前初始定心誤差，為后序加工打下了良好的基礎(chǔ)。

1.3.2 分步鉆孔序列

通常，鉆削微型深孔采用分步鉆孔序列，即周期性退出鉆頭，以便折斷切屑，防止堵塞，也有助于防止在孔底持續(xù)擠壓。分步鉆孔并不是把鉆頭完全退出來，采用中斷進給，同樣可以斷屑。因為，完全退出鉆頭易產(chǎn)生喇叭口且將部分切屑留在孔內(nèi)，很難清除。分步鉆孔序列最難控制的應(yīng)是前20%及最后20%。因為，最前20%鉆孔序列對較好地消除定心誤差起到非常關(guān)鍵的作用，而最后20%鉆孔序列對較好排屑起到同樣關(guān)鍵的作用。這兩段應(yīng)是加工深孔最為關(guān)鍵的部分。

2 φ0.1mm鉆頭選用方案分析

(1)高速鋼鉆頭

可行性分析:高速鋼鉆頭容許有一定的撓度并能夠承受相應(yīng)的彎曲力，但是，高速鋼具有的這種彈性變形能力和較低的硬度，也使其耐磨性降低，從而限制了刀具的壽命。由于只有φ0.1mm的直徑，其較低的硬度會使φ0.1mm鉆頭剛接觸工件時，鉆頭折斷幾率較大。

(2)硬質(zhì)合金鉆頭

可行性分析:硬質(zhì)合金鉆頭具有高剛性和高硬度兩個主要特性，所以能使刀具壽命較長、加工精度較高，而且硬質(zhì)合金的高耐磨性使其制成微鉆后速度達到高速鋼的3倍，且壽命也能提高。同時，硬質(zhì)合金的高剛性有助于正確定位和保持孔的尺寸。較高的含鈷量使硬質(zhì)合金鉆頭抗熱性增加，并能較長時間保持刀刃鋒利。但其缺點是，剛性高會使其容易崩裂。硬質(zhì)合金鉆頭需要仔細地安裝和使用，精確的同心度特別重要，不同心造成的側(cè)向負荷會導(dǎo)致鉆頭崩裂。

通過兩種刀具選擇方案的可行性分析，我們認為硬質(zhì)合金鉆頭的優(yōu)良性能更適合實現(xiàn)加工，雖然它有自身的缺點，但是只要克服裝夾誤差和使用時能夠保證其同心度，還是有把握實現(xiàn)。圖2為我們加工φ0.1mm微孔使用的鉆頭刀具外形。

3 加工程序設(shè)置

大多數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)提供了深孔鉆削指令G73和G83，其中G73為高速深孔往復(fù)排屑鉆，G83為深孔往復(fù)排屑鉆，深孔加工的動作是通過Z軸方向的間斷進給，即采用啄鉆的方式來實現(xiàn)斷屑與排屑的。雖然G73和G83指令均能實現(xiàn)深孔加工，而且指令格式也相同，但二者在Z向的進給動作是有區(qū)別的。經(jīng)反復(fù)工藝試驗得知，對于深孔加工，特別是長徑比較大的深孔，為保證順利打斷并排出切屑，應(yīng)優(yōu)先采用G83指令。根據(jù)FANUC系統(tǒng)編制一個通用宏程序，利用G65功能調(diào)用該子程序，較好地解決了刀具冷卻、排屑等深孔加工問題。主程序編寫的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省編寫的語句以及存儲器的空間。

3.1 主程序結(jié)構(gòu)

3.2 宏 程 序(G83式)

4 結(jié)語

按照上述鉆孔工藝技術(shù)分析，我單位操作人員利用主程序和宏程序進行鉆孔加工，連續(xù)加工4件，經(jīng)高精度投影儀檢驗φ0.1mm微孔尺寸分別為:0.13mm，0.12mm，0.13mm，0.15mm，深度均為 1.2mm，滿足要求制作“模擬漏孔”直徑小于0.25mm，深度大于1.0mm的技術(shù)要求。通過在雙主軸數(shù)控縱切車床上加工φ0.1mm微孔工藝技術(shù)研究及檢驗結(jié)果證明，在數(shù)控車床上加工φ0.1mm微孔是可行的。當(dāng)數(shù)控車床不能滿足實際加工所需的最低轉(zhuǎn)速時，通過降低切削速度，有效控制初始定心誤差，采用分步鉆孔工藝，應(yīng)用宏程序進行精密循環(huán)加工，利用FANUC系統(tǒng)的G83指令編制相應(yīng)的鉆微孔宏程序，通過G65指令調(diào)用宏程序進行微孔加工，最終實現(xiàn)在數(shù)控車床上鉆φ0.1mm微孔工藝技術(shù)研究。

［1］XD－20H設(shè)備操作手冊［Z］.

［2］FANUC Series 18i－TB操作說明書［Z］.

［3］SANDVIK金屬切削工藝技術(shù)指南［Z］.

［4］湯志斌，唐小琦，李斌.數(shù)控高速高精運動控制方法研究［J］.制造技術(shù)與機床，2003(3):32 －35.

［5］劉虹.數(shù)控加工編程與操作［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

［6］楊兆軍，王勛龍.微小孔鉆削加工的難點及其技術(shù)對策［J］.機械工程師，1997(5).

［7］李天昊，季遠，姜興剛.高速鋼鉆頭振動鉆削9Cr18不銹鋼微小孔的研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2005(1).

［8］朱曉翠，韓雪冰，趙云飛，等.變進給量振動鉆削提高微小孔加工質(zhì)量的分析［J］.工具技術(shù)，2006，40(4).

［9］馬星輝，高國富，趙波，等.精密微小孔加工技術(shù)進展［J］.電加工與模具，2008(5).