梅花孔機加工工藝分析

王軍強

(中鋼集團西安重機有限公司 陜西西安710201)

1 前言

梅花孔一直以來存在著加工精度不高、質量不好的問題(如圖1 所示)。其原因在于:間斷切削和方軸受徑向力的作用移動時不平穩造成的。要想有把握的控制梅花孔的加工質量，精加工工藝中必須包括重點要解決的三個難題:①選用的設備及工裝加工的圓弧深孔能保證直線度和圓度要求;②保證選用的刀具具有長時間抗沖擊耐間斷切削的能力;③選擇適合圓弧面拋光的拋光工具。因此，在編制精機加工工藝前必須對梅花孔的加工基理、刀具的受力、設備的選型、刀具和工藝裝備的選擇、加工方法等進行細致的分析研究，通過與常規工藝方法的比較確定出一種能滿足要求的精機加工工藝。

圖1 梅花孔示意圖

2 通常機加工工藝方法

2.1 梅花孔加工的基理分析

2.1.1 刀具在切削過程中的受力

梅花孔中各孔系均是由單體獨立的半圓弧孔組成。

圖2 梅花孔加工過程受力分析圖

單刃刀具對其進行切削過程中，根據作用力與反作用力的定律，刀具所受的作用力為:F1(切向力)，F2(徑向力)，F3(軸向力)(如圖2 所示)。

2.1.2 機床主軸和刀具連接體的受力

當機床主軸帶動刀具每轉一圈，在工件半圓弧切入處受F1的作用下，刀具就會受到撞擊一次，間斷切削一次。隨著刀具間斷切削的進行極易損壞切削刃;由于機床主軸的強度和配合間隙的存在，在切削過程中刀具受到F2的作用，刀具有沿著F2箭頭指向移動的趨勢。隨著機床主軸的伸長，主軸聯同刀具會向孔心方向移動，出現刀具退刀的情況，造成加工的圓弧直徑尺寸減小，表面粗糙度和直線度不好;與此同時刀具還受F3的作用，會出現上下振動，對加工的端面產生顫動刀紋，粗糙度不好的情況。

2.2 設備的選型

對于直徑較大并且長度較長的大型梅花孔。為保障加工有效性，通常選擇的機床為大型臥式鏜床或大型龍門銑床。

2.3 刀具和工藝裝備的選擇

1)通常選用抗沖擊能力強的刀片和精鏜刀體與鏜頭連接后單刀旋轉加工梅花孔。由于梅花孔中各孔為不連續的圓弧，精加工過程中刀具始終處于間斷切削的狀態，對刀具沖擊大，易打刀，加工時間短，頻繁換刀對刀。圓弧面有接刀臺，效率低。

2)依據梅花孔中各單孔的直徑，選擇適合直徑和粒度的砂布拋光輪對其進行拋光。

2.4 機加工方法的選擇

1)選擇鏜床加工時由于鏜床主軸為懸臂狀態，依據梅花孔中各單孔的直徑和孔深，通常采取以下三種方法加工:

(1)通過亊先銑工藝基準面，采取調頭加工的方法，如圖3 所示。該方法的缺點:除打刀外，孔的直線度和圓度有偏差，適合孔的直線度和圓度要求不很嚴的孔系加工。對于梅花孔中各孔的直線度和圓度要求均很高的孔不適合。

圖3 調頭加工方法

(2)將鏜床方軸伸出處于懸臂狀態，按梅花孔后端工裝板上的工藝孔分別打表定梅花孔各孔系中心，通過移動工作臺對各孔系進行精加工。此方法由于方軸伸出處于懸臂下墜狀態，加工出的孔為橢圓，圓度不好。

(3)用尾座串長鏜桿方法加工，如圖4 所示。此種方法又分兩種情況:一種是工件不動，走主軸鏜半圓孔。另一種是通過可移動工作臺帶著工件移動鏜半圓孔。不論哪種情況除了打刀外，只適合加工單一深孔。該種方法的缺點:倒換長鏜桿難度很大，費工費時。因此用尾座串長鏜桿方法也不適合梅花孔的加工。

圖4 用尾座串長鏜桿方法

2)選擇龍門銑床加工時，依據梅花孔系中孔的直徑和孔深，通常分兩種情況:

(1)采取調頭加工的方法與鏜床調頭加工的方法存在的問題相同。

(2)采取從孔的上端鏜到孔的下端的方法。由梅花孔加工的基理分析可知:除打刀外，還能造成加工的圓弧直徑尺寸減小，孔的直線度和表面粗糙度不好的問題。因此該種方法也不適合梅花孔的加工。

2.5 光整加工

因為砂布拋光輪為柔性拋光工具。由梅花孔加工的基理分析可知，砂布拋光輪只能拋光孔表面使其粗糙度好一些，但不能改變孔的圓度和直線度。所以拋光沒有實際意義。

2.6 小結

由上述常規機加工工藝方法分析可知，影響梅花孔質量的因素主要有三個:①刀具間斷切削;②在切向力的作用下，機床主軸或方軸的平穩性不好。③由于方軸伸出處于懸臂下墜狀態，加工出的孔為橢圓。如何來解決呢?筆者認為應該從刀具的選型和工裝的設計、工藝基準面的設置、加工方法等方面入手，來改進完善通常機加工工藝中的某些不足。

3 設想的機加工工藝方法

1)設備的選型:大型臥式鏜床或大型龍門銑床。

2)刀具及工裝的選型:可選擇抗沖擊能力強且耐磨的刀片，并用盤狀或碗狀機夾銑刀盤裝夾;設計專用多軸鏜頭(分鏜床用和龍門銑床用兩種類型);選適合孔徑和粒度的砂布拋光輪。

3)工藝基準面的設置:在梅花孔兩側槽下端銑工藝基準面，供鏜床用多軸鏜頭上支撐輪支撐銑頭和滾動用。

4)機加工方法的選擇:分龍門銑床加工和鏜床加工兩種方法。

(1)大型龍門銑床精加工方法:首先將龍門銑床用多軸鏜頭與機床方軸連接定位，再將4 個盤狀或碗狀機夾銑刀盤安裝到多軸鏜頭的另一端。然后從梅花孔的上端進刀向下端一次精加工四個半圓弧。隨后拆去4 個盤狀或碗狀機夾銑刀盤，將四個砂布拋光輪裝上對四個精加工好的半圓弧進行拋光。同理另四個半圓弧用另一個多軸鏜頭對其進行精加工和拋光。

(2)大型臥式鏜床精加工方法:將鏜床用多軸鏜頭與機床方軸連接定位，再將4 個盤狀或碗狀機夾銑刀盤安裝到鏜床用多軸鏜頭的另一端。以軌道基準面為基準將多軸鏜頭上的支撐輪與其接觸，然后從梅花孔的前端進刀向后端一次精加工四個半圓弧。隨后拆去4 個盤狀或碗狀機夾銑刀盤，將四個砂布拋光輪裝上對四個精加工好的半圓弧進行拋光。同理另四個半圓弧用另一個多軸鏜頭對其進行精加工和拋光。

4 對比論證

4.1 刀具方面

1)通常機加工工藝方法中所采用的刀具為單體精鏜刀。刀具在切削過程中刀刃連續間斷切削和工件頻繁沖擊后極易打刀，若刀刃損壞沒有補救措施，只能停機換刀。連續加工時間短，效率低。

2)設想機加工工藝方法中所采用的刀具為可裝多片刀片的盤狀或碗狀機夾銑刀盤。刀具在切削過程中受連續間斷切削和工件頻繁沖擊后，若有一個刀刃損壞，下一個刀刃自然補救進入切削狀態。連續加工時間長，效率高。

4.2 工裝和受力方面

1)通常機加工工藝方法中所采用的工裝為鏜頭。一個鏜頭一次只裝一把刀，對一個孔進行精加工。隨著主軸的伸長，在徑向力的作用下主軸會出現擺動，造成刀具加工的圓弧尺寸減小，表面粗糙度不好。

2)設想機加工工藝方法中所采用的工裝為多軸鏜頭。一個多軸鏜頭一次可以同時裝四個盤狀或碗狀機夾銑刀盤，可同時對四個孔進行精加工。由于梅花孔中一組四孔為對稱布置，在切削過程中作用在多軸鏜頭上的徑向力相互抵削，不會出現擺動情況。平穩性好，效率高。

3)工藝基準面方面

設想機加工工藝方法中為解決鏜床方軸伸長下墜的問題，在加工梅花孔前，先在梅花孔兩側槽下端銑工藝基準面，用于支撐鏜床用多軸鏜頭，以保證加工的水平度。與通常機加工工藝方法中所采用的調頭加工方法先銑工藝基準面和用尾座串長鏜桿的方法的機理是完全不同的。

5 結束語

通過選用盤狀或碗狀機夾銑刀盤(其上裝有多個刀片)代替單體精鏜刀，增強了抗沖擊耐間斷切削的能力，連續加工時間長;通過設計專用銑頭，采用四孔同時對稱加工技術，保障了方軸伸長的平穩性;通過銑制軌道基準面，保障了專用銑頭鏜梅花孔的水平度。設想的機加工工藝方法應該是能夠解決通常機加工工藝方法中難點的理想工藝方法。

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