壓路機零件同軸孔加工中存在的問題與對策

周文

( 南通紡織職業技術學院機電系，江蘇南通226007)

同軸孔是機械加工中常見的加工表面。對于長度較小的長孔或相距較近的孔，通常是從一端鏜進，正常情況下，這是一種經濟適用的孔加工方法。但對于長徑比大或零件兩端相距較遠的孔而言，采用此法時，由于鏜桿易于變形而造成孔的尺寸和形位精度超差［1］，同時加工效率也比較低。為解決相距較遠的同軸孔加工中存在的這些問題，從高速加工角度出發，對其加工工藝設計和切削參數的選擇進行了探討。

1 同軸孔常用鏜孔工藝方案的不足與高速調頭鏜孔工藝對策

1.1 同軸孔加工要求與調頭鏜孔工藝處理

圖1 為某機械產品振動輪鉸接架的結構示意圖。該零件的功能主要是在壓路機正常工作時控制振動輪的轉向。零件的主要加工面為相距400 mm 的的同軸孔的加工，要求兩孔的同軸度為φ0.050，且兩孔的尺寸精度要求較高，相當于長孔的加工。

圖1 鉸接架零件結構示意圖

大批量生產條件下，一般在專用臥式雙面鏜床上完成此兩孔的加工，其優點是加工效率比較高，但在多品種中小批量生產條件下，采用專用機床的成本比較高，產品轉型困難，必須考慮其他方法。調頭鏜孔是指工件不動而隨機床工作臺回轉180°的鏜孔方法，刀具分別從兩端進給，變長孔加工為短孔加工，具有簡化操作、節省夾具、輔具費用等優勢，因而在鉸接架同軸孔的加工中仍然采用調頭鏜孔的加工方法。

1.2 調頭鏜孔工藝存在的問題與高速調頭鏜孔對策

由于調頭鏜孔工藝的特殊性，孔的加工精度主要取決于機床和刀具的精度，機床本身存在回轉精度不足、進刀運動的直線度誤差和工作臺回轉時的移動誤差等問題［2］。如果采用普通機床加工，必然提高對操作工人的技術要求，加工中不易保證質量;同時，調頭鏜孔效率較低，不利于降低成本，為克服這些不足，還需從工藝方法和設備選型上采取措施［3］。針對上述問題，在設計鉸接架零件同軸孔的鏜孔工藝時，選用具有較高回轉精度和重復定位精度的高速臥式加工中心，采用高速調頭鏜孔工藝，同時改進鏜刀桿的結構形式，提高工藝系統的剛度。

2 高速調頭鏜孔時孔同軸度精度控制

2.1 影響鏜孔同軸度的因素

影響零件兩端孔同軸度精度的因素有工件材料特性、毛坯殘余應力、切削力和切削熱及加工工藝路徑等［4］。各種因素的影響如圖2 所示。

圖2 影響鉸接架同軸孔同軸度的主要因素

在上述影響因素中，機床工作臺回轉精度和重復定位精度、刀具的幾何角度與剛度及切削用量參數等對加工孔的同軸度精度影響最大。

2.2 同軸度精度控制采取的措施

針對上述影響鉸接架同軸度精度的主要因素，分別采取如下一些措施。

(1)控制機床工作臺回轉精度和重復定位精度

由圖1，被加工孔的同軸度精度與尺寸精度要求分別為φ0.050 mm 和0.016 mm，因此選用的高速加工中心的相關精度均應小于這兩個數值。在鉸接架同軸孔的加工中選用的高速加工中心CWK500D 的工作臺回轉精度/重復定位精度為0.008 mm/0.005 mm，軸線反向誤差值為0.013 mm，回轉定位精度±3″，能很好地滿足加工要求。

(2)提高工藝系統(主要是刀具系統)的剛度

工藝系統的剛度不夠引起的孔的同軸度誤差在孔的加工誤差中占有很大的比重。這里的工藝系統的剛度主要指刀具剛度，而工藝系統其他要素剛度引起的同軸度誤差與刀具剛度引起的誤差相比可以忽略。刀具剛度主要包括刀具系統與機床主軸的連接剛度和刀桿的剛度。在刀具系統與機床主軸的連接中，選用HSK 工具系統的刀柄，在高速鏜孔時刀具夾緊更可靠，承載能力更強，更有利于充分發揮HSK 工具系統高剛度、高精度的性能［5］，從而提高刀具系統與機床主軸的連接剛度。

由彈性力學理論可知，高速鏜孔時，鏜桿在主切削力作用下可簡化為如圖3 所示的懸臂梁，刀具在主切削力作用下產生撓曲變形Y，其值在x =L 時達到最大值，其最大值為:

該值在加工中會附加到孔的同軸度誤差中去。由式(1)可知，高速鏜孔時兩孔的同軸度誤差主要取決于刀桿伸出的長度和和刀桿所受的主切削力。高速加工時主切削力遠比常規加工要小，因而高速鏜孔時由主切削力引起的同軸度相較常規鏜孔也要小得多。

圖3 高速鏜孔時鏜桿簡化的力學模型

(3)采取合理的冷卻方式

高速鏜孔過程中會產生大量的切削熱，這些熱量的大部分會傳遞給工件，使工件產生熱變形。為減少切削熱對被加工孔同軸度的影響，在加工過程中采用合理的冷卻方式。

3 高速調頭鏜孔時刀具幾何角度與切削用量的選擇

3.1 刀具幾何參數的選擇

在高速鏜孔中，對孔的同軸度影響最大的切削力為與鏜桿垂直的切深抗力FP，因而刀具幾何角度的選擇非常重要，不同的加工方法與刀具、工件材料匹配使用的刀具幾何角度不同［6］。在刀具幾何參數中，刀具前角γ0、主偏角Kr、刃傾角λs和刀尖圓弧半徑rε對切深抗力的影響較大。在加工鑄鐵材料時，當γ0增大時，切削力顯著下降，結合其他情況，前角選20°左右最佳;Kr增加時，FP減小，在保證刀具耐用度的前提下，取Kr=93°;刃傾角增大時，FP減小，在保證刀具強度的前提下，λs盡量取小值，取λs=10°;當刀尖圓弧半徑在0.25 ～2 mm 范圍內變化時，隨rε的增大，FP增大，因此γε取值應盡量小，考慮到被加工孔的表面粗糙度要求，可取rε≈0.8 mm。

3.2 切削用量的選擇

在切削用量三要素中，在高速加工條件下，隨切削速度的增加，切削力減小，當進給量f 達到0.3 mm 時，切削力幾乎與切削速度無關［7］。至于切削深度ap與進給量f 對切削速度的影響，根據金屬切削理論，其值可由以下經驗公式FP≈(0.15 ～0.7)×1 640apf0.84計算。

根據文獻［6］的論述，影響切削用量的因素很多，在保證安全性和加工質量的前提下，通過提高切削用量，降低生產成本，提高加工效率，充分發揮機床與刀具的性能，從而獲得最大經濟效益。根據切削速度、切削深度、進給量對切削力的影響關系，粗加工時可取v =240 ～300 m/min，ap=2.5 ～3 mm，f =0.1 ～0.3 mm/r;精加工時，可取v=520 ～695 m/min，ap=0.1 ～1 mm，f=0.05 ～0.25 mm。

4 結束語

高速加工技術是近年來迅速發展的先進制造技術，在保證加工質量和提高生產率方面具有明顯的優勢。壓路機鉸接架相距較遠的同軸孔的加工結合了高速加工技術與調頭鏜孔技術的優點，取得了很好的經濟效益，適應了壓路機零件多品種、中小批量生產的要求，具有一定的實踐意義。

【1】趙杰，鄭晶.調頭鏜孔工藝在電機制造中的應用［J］.石油化工高等學校學報，2003，2(16):58 －59.

【2】劉裕先，劉北英.調頭鏜孔理論及應用［M］.北京:機械工業出版社，2000:68 －79.

【3】周文.高速調頭鏜孔技術在壓路機零件加工中的應用研究［J］. 南通紡織職業技術學院學報:綜合版，2010，9(3):9 －11.

【4】左敦穩.現代加工技術［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005:386 －387.

【5】王貴成，王樹林，董廣強.高速加工工具系統［M］.北京:國防工業出版社，2005:60 －69.

【6】劉戰強，武文革，萬熠.高速切削數據庫與數控編程技術［M］.北京:國防工業出版社，20091:25 －27.

【7】馮之敬.機械制造工程原理［M］. 北京:清華大學出版社，1999:52 －60.