空心輻板機(jī)匣的深孔加工工藝研究

黃立林

（中國航發(fā)成都發(fā)動(dòng)機(jī)有限公司， 四川 成都 610500）

引言

深孔加工技術(shù)產(chǎn)生于槍炮管的制造過程，以其高難度、高成本和神秘性而聞名于制造業(yè)，成為制造技術(shù)中的一朵奇葩。少數(shù)跨國公司迄今仍壟斷著世界深孔加工裝備市場(chǎng)，使深孔加工技術(shù)成為制造技術(shù)門類中成本最昂貴的技術(shù)之一。由于大多數(shù)企業(yè)無法承受進(jìn)口裝備昂貴的價(jià)格和深孔刀具的高售價(jià)和高使用成本，因此先進(jìn)深孔加工技術(shù)和高性能價(jià)格比的深孔加工裝備的短缺，已成為制約我國裝備制造發(fā)展的瓶頸。

深孔加工技術(shù)不僅在軸類零件的加工中涉及較多，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心輻板結(jié)構(gòu)機(jī)匣的加工中也涉及到該技術(shù)。如某型發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣，他是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的承力機(jī)構(gòu)，其上支板內(nèi)部有油路孔用于給軸承輸送潤滑油。這些油路孔的加工涉及深孔加工工藝。因此，這類機(jī)匣加工的難點(diǎn)主要集中在機(jī)匣高精度尺寸的控制及深孔的加工工藝上。本文著重研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)空心輻板結(jié)構(gòu)機(jī)匣深孔加工技術(shù)，這也是中介機(jī)匣這類零件加工技術(shù)提升的關(guān)鍵所在。

本文通過對(duì)空心輻板結(jié)構(gòu)機(jī)匣的深孔加工研究，掌握了深孔加工技術(shù)，解決空心輻板結(jié)構(gòu)機(jī)匣制造中深孔加工的難題，為空心輻板結(jié)構(gòu)機(jī)匣這類零件制造技術(shù)的提升奠定良好的基礎(chǔ)。

1 深孔加工的特點(diǎn)

在機(jī)械加工中，長徑比≥5的孔為深孔。深孔加工不僅在軸類零件的加工中涉及較多，在空心輻板結(jié)構(gòu)機(jī)匣的加工中也有所涉及。深孔加工對(duì)各方面的要求都比較高，比如刀具的選擇、機(jī)床的轉(zhuǎn)速、冷卻液的注入和切屑的處理，其加工方法和效果，對(duì)空心輻板結(jié)構(gòu)機(jī)匣的加工質(zhì)量有著重要的影響。因此，深孔加工技術(shù)也是中介機(jī)匣這類零件加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，其加工特點(diǎn)在于：

1.1 加工狀態(tài)不可視

深孔加工過程中，加工操作人員所處的環(huán)境都比較特殊，一般情況下，都是封閉式加工，加工時(shí)不能直接觀察到刀具的切削情況，這就在一定程度上增加了深孔加工的難度。在這樣的情況下進(jìn)行加工，操作人員很難掌握刀具切削的實(shí)際過程和實(shí)時(shí)效果，只能憑經(jīng)驗(yàn)，聽聲音、看切屑形態(tài)以及觀察機(jī)床負(fù)荷等外部的現(xiàn)象來判斷刀具磨損與實(shí)際切削過程是否正常。

1.2 排屑難度大

在深孔加工過程中，因加工的非敞開性，排屑非常困難，所以深孔鉆排屑一直是比較棘手的問題，處理起來難度非常大。在一定程度上，排屑的順暢程度直接影響著機(jī)械加工的質(zhì)量和效率。一方面由于排屑的空間有限，在排屑過程中，稍不留神切屑阻塞，就可能造成刀具的損壞[1]，要求操作人員在加工中必須用強(qiáng)制性的手段將切屑排除加工區(qū)。另一方面，在強(qiáng)制排屑的過程中，由于深孔的形狀、長度等不同，造成切屑存在很大差異，影響其排屑效果，要求操作人員在加工中必須具有可靠的判斷力來對(duì)切屑的形狀和長短進(jìn)行控制。

1.3 切削散熱難

深孔加工的主要特點(diǎn)是排屑困難和排屑通道長，零件加工處于封閉切削狀態(tài)，加工條件惡劣，加工切削熱不易散出，且對(duì)刀具和零件造成影響，因此，排屑過程中，采取有效的冷卻方式來降低切削區(qū)溫度是關(guān)鍵所在。

1.4 刀桿剛性差

深孔的長徑比大，導(dǎo)致深孔鉆刀具細(xì)長，其剛性差，振動(dòng)大，會(huì)出現(xiàn)鉆孔容易走偏的現(xiàn)象[2]。中介機(jī)匣上的深孔最大長徑比高達(dá)64，且使用的鉆桿又細(xì)又長，刀桿剛性極差、加工時(shí)刀桿在切削力的作用下容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形，從而在加工中產(chǎn)生走偏，被加工孔偏斜，孔的尺寸、位置精度及表面粗糙度難以保證。

2 空心輻板機(jī)匣深孔加工分析

2.1 深孔的分布

某型發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣為空心輻板機(jī)匣，材料為鑄鎂合金ZM5，零件最大直徑近1400mm，高度近350mm，零件模型如圖1所示，由整體鑄件加工而成。

圖1 空心輻板機(jī)匣模型

在零件支板內(nèi)部有三處油路孔，均屬于深孔，深孔具體位置如圖2所示，深孔的表面粗糙度為12.5μm。孔①孔徑Φ6mm，深度384mm，長徑比為64；孔②孔徑Φ8mm，深度125mm，長徑比為15.6；孔③孔徑Φ5mm，深度289mm，長徑比為57.8。

圖2 深孔位置分布

2.2 深孔加工工藝分析

三組深孔相互貫通交匯，長徑比大于20，最大的長徑比高達(dá)64，在加工深孔時(shí)，極易把孔口鉆大和把深孔方向鉆偏，而且ZM5鑄鎂合金在加工過程中不能用冷卻液，所以，在加工深孔時(shí)，加工溫度比較高，容易斷刀和鉆偏，影響零件的加工質(zhì)量。

2.3 深孔加工方法

上述分析可見，機(jī)匣上的三組深孔均屬于小直徑深孔。對(duì)于小直徑深孔的加工，常規(guī)考慮選用的方法有采用改進(jìn)的普通麻花鉆與采用槍鉆兩種。

第一種方法采用改進(jìn)的普通麻花鉆來加工小直徑深孔，傳統(tǒng)的麻花鉆加工存在著很多問題。如刀具橫刃太長、軸向阻力大、定心差、主刀刃長等，在排屑過程中，切屑較寬、造成大量卷屑，使排屑困難。因此，就需要對(duì)麻花鉆的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行不斷完善。同時(shí)，根據(jù)中介機(jī)匣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料特點(diǎn)，對(duì)深孔加工考慮選用手動(dòng)進(jìn)給的方式，鉆頭加工到適當(dāng)深度后，從零件孔中退出，對(duì)于鑄鎂合金在加工中不能用冷卻液的中介機(jī)匣來說，不僅可以有效的排出切屑，而且可以對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行有效冷卻，之后再開始進(jìn)行加工。

第二種方法用槍鉆來加工小直徑深孔，這種采用深孔鉆頭進(jìn)行深孔加工的方法比較適合批量生產(chǎn)，可以很大程度地提高效率。對(duì)于小直徑深孔來說，槍鉆是一種可以優(yōu)先選擇的加工方法。不過這對(duì)零件的要求相對(duì)較高。在槍鉆加工的過程中，操作人員都會(huì)采用一次進(jìn)給的深孔鉆削方式，不僅要求鉆預(yù)制孔，同時(shí)還要求預(yù)制孔的表面粗糙度很高。但是，在槍鉆鉆深孔的過程中，切屑是被具有一定壓力和流速的冷卻液沖走的，這個(gè)過程是人力無法控制的，很容易造成壓力不均，而導(dǎo)致切屑不能及時(shí)排出。另外，在加工過程中經(jīng)常出現(xiàn)槍鉆斷裂的情況，主要是由于槍鉆采用的是自動(dòng)進(jìn)給方式，操作者的視線范圍受到限制，無法直觀地感知切削的進(jìn)展情況。根據(jù)中介機(jī)匣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和鑄鎂合金材料在加工過程中不能用冷卻液，此種方法不適合中介機(jī)匣的深孔加工，但適合于其他材料機(jī)匣上的深孔加工。

2.4 工藝路線設(shè)計(jì)

對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的空心輻板機(jī)匣，除了深孔加工方法的選擇之外，在加工過程中，工藝路線的設(shè)計(jì)十分重要。針對(duì)機(jī)匣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料特性，在深孔加工工藝路線的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)深孔加工過程進(jìn)行分階段加工，不同的加工階段，所需要的工藝也有差異，這就需要根據(jù)中介機(jī)匣零件的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出合理的工藝線路。

通過對(duì)機(jī)匣的結(jié)構(gòu)和深孔分布位置進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出如下深孔加工的工藝路線：

銑平面→鉆鏜引導(dǎo)孔→鉆深孔→擴(kuò)深孔。

設(shè)計(jì)該工藝線路的主要思想和各工步的目的如下：

1）銑平面：深孔②和深孔③均屬于斜孔，相當(dāng)于在斜面上鉆深孔，為了保證深孔位置的準(zhǔn)確性，在鉆深孔前，必須對(duì)切入端進(jìn)行一些預(yù)加工，如需要先銑加工一個(gè)與深孔軸線相垂直的平面，為鉆深孔做準(zhǔn)備。

2）鉆鏜引導(dǎo)孔：在鉆深孔前先在零件需要鉆深孔的切入端，先鉆鏜一個(gè)與被加工深孔直徑相同的淺孔作為鉆深孔時(shí)引導(dǎo)鉆頭用。

3）鉆深孔：在實(shí)體材料上粗加工鉆深孔，孔直徑小于最終尺寸，為精加工留足夠的余量，目的是去除孔內(nèi)大部分余量，為進(jìn)一步加工做準(zhǔn)備。

4）擴(kuò)深孔：擴(kuò)孔有糾正孔位置的能力，在粗加工鉆深孔的基礎(chǔ)上擴(kuò)深孔，進(jìn)一步去除全部余量，糾正其位置度，達(dá)到設(shè)計(jì)圖要求的尺寸。此工步對(duì)于機(jī)匣類的深孔可以作為最終精加工。

3 深孔加工難點(diǎn)

解決深孔加工技術(shù)的三大難題：鉆深孔時(shí)出口偏移、連續(xù)自動(dòng)排屑、自動(dòng)冷卻潤滑，對(duì)于材料是ZM5鑄鎂合金，加工過程中不能使用冷卻液，所以重點(diǎn)解決前兩個(gè)難題至關(guān)重要。

3.1 鉆深孔時(shí)出口偏斜

根據(jù)機(jī)匣結(jié)構(gòu)和材料分析，選擇采用鉆削的方法加工深孔。由深孔鉆加工出來的深孔，發(fā)生偏斜是難以避免的。該中介機(jī)匣深孔的長徑均大于20，尤其是孔①的長徑比高達(dá)64，這說明孔深直徑小，導(dǎo)致刀桿細(xì)而長，剛性極差，加工時(shí)刀桿在切削力的作用下容易產(chǎn)生振動(dòng)和變形，在加工中產(chǎn)生引偏，極易把深孔方向鉆偏斜[3]；加之長徑比較大，入口處孔軸線微小偏移，到出口處軸線偏移的總誤差就很大。且機(jī)匣各組深孔是相互貫通交匯的，一旦發(fā)生的偏斜會(huì)影響零件的加工精度，因此如何防止鉆深孔加工的出口偏移是一大技術(shù)難題。

3.2 排屑問題

深孔加工在封閉的環(huán)境下進(jìn)行，排屑是否順暢是實(shí)現(xiàn)深孔鉆削順利進(jìn)行的關(guān)鍵。深孔加工過程中，切屑在孔內(nèi)，孔深越深切屑排出經(jīng)過的路線就越長，越不便于排屑，也就越容易發(fā)生堵屑現(xiàn)象。一旦出現(xiàn)堵塞，容易產(chǎn)生刀具損壞或鉆桿折斷，而且會(huì)嚴(yán)重影響孔表面質(zhì)量，降低生產(chǎn)效率，增加加工成本。深孔鉆問世以來，排屑問題始終困擾著深孔鉆刀具的設(shè)計(jì)者和使用者，幾乎所有的設(shè)計(jì)方案都是圍繞解決這一關(guān)鍵問題展開的。

4 加工工藝研究

機(jī)匣的各組深孔相互貫通交匯，對(duì)于這些深孔的加工主要需解決鉆深孔過程中的偏移和排屑問題。

4.1 深孔偏移的技術(shù)解決措施

4.1.1 制定合理的工藝路線

根據(jù)機(jī)匣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制定合理的的工藝路線：銑平面→鉆引導(dǎo)孔→鉆深孔→擴(kuò)深孔。

1）銑平面。在斜面上鉆深孔前為了保證孔位置精度，避免鉆頭的初始位置走偏，必須對(duì)切入端進(jìn)行一些預(yù)加工，先銑加工一個(gè)與深孔軸線相垂直的平面，為鉆深孔做準(zhǔn)備。這項(xiàng)準(zhǔn)備工作質(zhì)量的好壞，對(duì)防止鉆頭的走偏起重要作用。

2）鉆引導(dǎo)孔。在銑過的平面上先鉆中心孔，再用硬質(zhì)合金鉆頭在切入端加工引導(dǎo)孔。在加工引導(dǎo)孔時(shí)，為了防止孔位置偏斜，先用長度為10mm的硬質(zhì)合金鉆頭加工引導(dǎo)孔，然后再用長度為80mm的硬質(zhì)合金鉆頭加深引導(dǎo)孔；引導(dǎo)孔的孔徑應(yīng)稍大于鉆頭直徑，但間隙不可過大；引導(dǎo)孔應(yīng)通過鏜加工，校正其位置精度，確保其與深孔同軸線；引導(dǎo)孔深度至少應(yīng)覆蓋鉆頭導(dǎo)向部分的1/2。

3）鉆深孔。用高速鋼的雙刃深孔鉆頭選用合理參數(shù)加工鉆深孔。在鉆深孔時(shí)，利用引導(dǎo)孔作為導(dǎo)向加工，此種鉆削加工適宜于深孔加工初期的粗加工階段。

4）擴(kuò)深孔。機(jī)匣試加工時(shí)，三組小直徑深孔直接采用雙刃深孔鉆削至最終圖紙要求的尺寸，加工后發(fā)現(xiàn)，三組孔的孔口均出現(xiàn)孔徑變大，孔內(nèi)表面出現(xiàn)錐形孔的現(xiàn)象。在后續(xù)正式零件加工中增加擴(kuò)深孔工步，減少粗加工留下的加工誤差，糾正深孔位置，保證深孔加工精度。

4.1.2 增加鉆桿的剛性

選擇扭轉(zhuǎn)剛性和彎曲剛性均較高的材料制作專用的刀桿，以提高鉆桿的剛性。

4.1.3 減少切入進(jìn)給量

深孔鉆頭的鉆桿與鉆套之間存在間隙，鉆桿在進(jìn)給力的作用下產(chǎn)生彎曲，使鉆頭切入工件時(shí)發(fā)生傾斜，導(dǎo)致鉆削一開始就產(chǎn)生了鉆頭走偏。因此，在剛切入工件時(shí)，應(yīng)盡可能采用小的進(jìn)給量，以降低進(jìn)給力，避免鉆頭走偏。

4.1.4 改進(jìn)的鉆頭的幾何參數(shù)

由于機(jī)匣的深孔尺寸精度要求較高，有3組孔的尺寸精度為0.18mm，這對(duì)鉆頭的刃磨要求較高，尤其是最后一次擴(kuò)孔鉆頭的刃磨，擴(kuò)孔有糾正位置精度、防止偏斜的能力。因此，鉆頭磨得好不好直接影響著最后擴(kuò)孔的尺寸精度和孔表面粗糙度。所以要改進(jìn)鉆頭的幾何參數(shù)：一是兩主切削刃上修磨出第二鋒角，并在外緣刀尖角處粗糙度達(dá)Ra0.4 μm以上，研磨出兩邊R0.2～R0.5mm圓弧過渡刃，并要求高度保持一致，且兩個(gè)過渡刃相互對(duì)稱，以增大刀尖外緣處的強(qiáng)度和耐磨度，減少孔壁殘留面積的高度；二是將前端棱邊磨窄，改善散熱條件，只保留0.1～0.2mm寬度，并用320號(hào)以上油石研磨，減少棱邊與孔壁的摩擦；三是修磨副切削刃、前刀面和后刀面，最好用400號(hào)以上油石研磨各部位光潔度，并達(dá)到鉆頭的各幾何參數(shù)。

4.2 排屑問題的技術(shù)解決措施

4.2.1 采用手動(dòng)進(jìn)給的方式加工

深孔加工的非敞開性，排屑更加困難，機(jī)匣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和鑄鎂合金材料在加工過程中不能用冷卻液特點(diǎn)，選擇用強(qiáng)制性的手段將切屑排除加工區(qū)，手動(dòng)進(jìn)給的方式加工，每次都鉆削相對(duì)適合的深度（這個(gè)深度根據(jù)加工情況可進(jìn)行調(diào)整），對(duì)于中介機(jī)匣的加工，當(dāng)鉆頭每進(jìn)刀3mm深度后，需將刀具從零件中退出，排屑并停頓冷卻刀具，之后再開始繼續(xù)循環(huán)進(jìn)行加工。這樣對(duì)于鎂合金材料的中介機(jī)匣來說，不僅可以有效排出切屑，而且可以對(duì)工作環(huán)境進(jìn)行有效冷卻，同時(shí)操作者在加工時(shí)注意觀察刀具的溫度變化，若溫度太高需等刀具冷卻后再加工。

4.2.2 改善切屑形態(tài)

深孔加工切削排屑困難，在加工時(shí)必須對(duì)切削的長短和形狀進(jìn)行控制。要想讓切屑順利地排出，切屑必須具有適當(dāng)?shù)妮喞叽纾仪行嫉男螒B(tài)規(guī)律一致。通過對(duì)機(jī)匣鑄鎂合金材料反復(fù)地加工試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其鉆孔的切屑一般呈碎末狀，加之該材料在加工過程中不能使用冷卻液，所以只能采用按一定規(guī)律循環(huán)地反復(fù)進(jìn)刀、退刀來進(jìn)行強(qiáng)制排屑。

在不銹鋼、鈦合金和高溫合金等材料的零件上鉆削加工深孔時(shí)，在各種可能產(chǎn)生的深孔鉆的理想切屑形態(tài)，如圖3所示。其中，以“C形”、“錐狀形”片狀切屑兩種為最佳，其次為短螺卷狀。

圖3 深孔鉆的理想切屑形態(tài)

為了獲得上述理想的切屑形態(tài)，可采取以下三種措施：

1）分屑措施：將外刃形成的切屑分割為2～4條，即把切削刃后刀面磨成臺(tái)階，使切屑寬度相對(duì)減小，在操作時(shí)可依據(jù)鉆孔直徑大小來確定其分割刃的數(shù)量，保證排屑順利。

2）斷屑措施：在前刀面上磨出斷屑臺(tái)，讓切屑按規(guī)律斷成小段，使切屑長度相對(duì)減小，并受到限制，以便切屑順利排出。

3）在鉆頭進(jìn)給方向施加周期性的脈沖振動(dòng)，以獲得理想的斷屑效果。

4.2.3 其他排屑技術(shù)措施

在不銹鋼、鈦合金和高溫合金等其他材料的零件上鉆削加工深孔時(shí)，還可以采用是用槍鉆來加工小直徑深孔，其切屑是在槍鉆的鉆削加工深孔過程中被具有一定壓力和流速的切削液沖走的；若是用深孔鉆來鉆削大直徑的深孔，還可以采用高壓內(nèi)排屑深孔鉆或噴吸鉆鉆深孔加工技術(shù)來解決排屑問題。

5 結(jié)語

深孔加工要比一般孔的加工都要困難和復(fù)雜，尤其對(duì)于空心輻板結(jié)構(gòu)的機(jī)匣零件，其孔的長徑比大，刀桿細(xì)長，剛性差，鉆削抖動(dòng)會(huì)使鉆頭產(chǎn)生偏移。由于材料特殊，鉆深孔時(shí)必須進(jìn)行無數(shù)次退刀排屑，如稍有疏忽，就會(huì)造成切屑在孔中堵塞，切屑和孔壁摩擦力增大，影響孔徑精度。通過對(duì)空心輻板結(jié)構(gòu)機(jī)匣的深孔加工技術(shù)研究，掌握了加工小直徑深孔技術(shù)，解決空心輻板結(jié)構(gòu)機(jī)匣的深孔加工難題，為空心輻板結(jié)構(gòu)機(jī)匣零件制造技術(shù)的提升奠定良好的基礎(chǔ)。但由于此方法加工效率較低，今后仍需繼續(xù)開發(fā)更為先進(jìn)的鉆深孔技術(shù)，提高深孔加工效率。