缸體OP110T71槍鉆加工直線度超差原因分析及解決方案

孫國華 王守鋒 馬亮 展昭昕 王加圣 王元臣

摘要：在機械加工的實踐過程中經常遇到相交孔的加工，因相交增加加工的難度，出現加工精度超差和刀具消耗增加等問題，本文重點描述解決問題的思路及經驗，以便在實際工作中遇到類似問題時少走彎路。

Abstract： During the process of machining practice， there has been a frequently encountered occasion -- cross-hole processing. Due to the increasing difficulty of that processing method， there have been a series of direct or indirect consequences， for instance， loss of accuracy， underperformed precision and increasing consumption of machinery blades.? This paper depicts the way of thinking on such issues， combined with relevant practical working experience， leading to the recommended solutions， so that whenever there are similar incidents， there will be feasible methods to address them.

關鍵詞：槍鉆;直線度;定心

Key words： gun drill;straightness;centering

中圖分類號：TG523? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）24-0051-03

1? 背景

隨著裝備制造業的不斷發展，新材料、新技術、多品種以及高價值、難加工的深孔零件不斷涌現，這些深孔零件不僅長徑比大，而且對表面質量、加工精度以及加工效率都提出了更高的要求，加工異常艱難，我們團隊在深孔加工方面總結積累了一些經驗，值得與大家分享。

柴油發動機缸體加工工序為專機OP110序T71槍鉆加工？準10mm的主油道孔，孔深達到315mm，屬于深長孔加工，工序圖如圖1所示。

加工過程：第一步，在前序OP50工序臥式加工中心上先加工油孔？準8油孔（簡稱3#孔）和？準6油孔（簡稱2#孔），刀具分別為直徑？準8、？準6的帶倒角的復合鉆頭;第二步，在OP110工序再加工？準10主油道（簡稱1#孔），設備為多工位專機，刀具為？準10的加長雙刃槍鉆。

在實際生產過程中，因各種原因時常出現直線度超差及孔壁薄的質量問題，造成工件報廢無法使用;同時也伴隨著刀具崩刃、折斷等問題，導致刀具消耗快、費用高。給公司造成極大的工件廢品損失和刀具損失，因此需要研究徹底解決。

2? 原因分析

針對上述問題，我們團隊首先了解各油道孔在產品中的功能及工作原理，其次搞清楚槍鉆加工原理，便于找準問題、提出行之有效的措施;最后現場調研，綜合分析確定原因。

2.1 了解加工對象、加工內容及應用的工作原理

經了解發動機在高速運轉的時候，所有運動的部件都必須得到充足的潤滑，否則就會出現因潤滑不到位導致滑動副嚴重磨損或者抱死的致命問題。1#主油道孔與2#和3#兩個副油道孔就是解決發動機潤滑問題的，潤滑油通過1#主油道孔到2#和3#副油道孔，對該部位的兩個重要運動部件進行潤滑。高速運轉時，必須達到瞬間供油及時，壓力充足，因此對于該主油道孔的直線度、粗糙度、及孔壁厚薄都提出了極高的要求。

2.2 搞清主油道孔槍鉆的加工原理

該主油道的深孔加工使用的是雙刃斷屑槍鉆，其結構包括鉆尖和鉆柄，鉆尖和鉆柄之間設有鉆桿;鉆尖端部設有橫刃和主切削刃;我們使用的雙刃槍鉆刃型一般是雙后角，切削刃的鉆尖角為120°-140°，第一后角為10°-12°，第二后角為20°-25°，見圖2槍鉆刀頭示意圖。鉆尖度數的選擇是由刀具直徑的大小、長短及加工孔的深度來決定，這樣便于刀具切削及排屑順暢，從而有效避免因排屑困難造成的崩刃、斷刀及負載大等問題。

槍鉆加工必須要有導引孔，一般導引孔的直徑略大于槍鉆的鉆尖直徑0.02-0.03mm。

2.3 現場調研綜合分析

我們團隊進行現場調查，查看已加工油孔的狀況，觀察油孔加工過程，與操作者交流檢驗方法、刀具使用過程，調取分析加工程序以及加工參數，點檢設備及工裝，首先將設備和工裝問題排除。

通過多次觀察槍鉆加工過程，觀察鉆尖磨損情況，現場與操作者交流工件測量方法，孔徑大小、粗糙度等，綜合分析認為OP110工序基本正常，不是造成直線度超差的主要原因，問題可能出現在上道工序OP50序已加工完的2#油孔和3#油孔的貫穿孔上。

發現問題點，追蹤上序，檢查這兩個油孔的加工工藝參數及檢測工件質量。2#油孔和3#油孔在OP50工序加工，該序是一臺5軸臥式加工中心。3#油孔是一把復合臺階鉆一次加工完成，加工深度45mm，公差0+0.5mm，測量方法就是用數顯卡尺測量工件表面到孔底的距離。2#油孔也是一把鉆頭一次加工完成，加工深度15mm，公差為0+0.2mm，測量方法也是用數顯卡尺測量工件表面到孔底的距離。經檢測分析2#、3#油孔均符合該工序加工工藝要求。

再分析OP110序。1#主油道孔的加工工藝：第一步是加工導引孔，直徑為？準10.03mm，刀具使用的是？準10.03mm的立銑刀，是在工件的斜面上加工，深度在20mm左右，這樣可以把槍鉆的鉆尖定心，確保槍鉆高速運轉進給時能夠按照直線進給;第二步就是使用？準10mm的雙刃槍鉆，轉速S=4500轉，進給F=150mm，一次性加工完畢。加工完后測量？準10mm孔位置尺寸為45mm，2#孔深15.12mm、3#孔深45.28mm，也符合工藝要求。

根據以上分析，單獨拆開分析測量各個工序的加工工藝，是沒有問題的，但是組合起來就是在OP110工序加工油道孔時，問題就表現出來了，根源究竟在哪呢？

第一，根據以上描述和檢測尺寸繪制出工序圖，見圖3。

從圖3看出：2#油孔和3#油孔的深度超過1#主油道孔的中心線0.3-0.4mm（見圖4），這正是發生問題的關鍵因素。

第二，當槍鉆從1#主油道的導引孔開始加工，向2#油孔按照設定進給速度加工行進時，當到達2#油孔已加工完的位置時出現空加工（實際上是斷續加工），槍鉆的鉆尖不能定心（見圖5），而兩個切削刃只有在中心線右側時單刃切削，左側時不切削，左右刀刃受力不平衡，這樣就產生一個向左的偏心力量，此力導致鉆頭向左開始偏離1#主油道孔的中心線，當鉆頭持續進給加工，鉆頭這時跟著主油道孔行進，當通過2#油孔時，已加工完成的導引孔位置就與2#油孔中心線產生了位置傾斜偏離，后續就沿著傾斜方向繼續加工，造成1#主油道孔傾斜。在經過3#貫穿孔亦然。這正是造成主油道孔直線度超差的主要原因所在。

第三，在槍鉆鉆頭加工到貫穿孔（2#、3#孔）時，一是空加工不能使鉆尖定心，鉆頭受到一個向左的切削分力（徑向力），導致鉆頭偏離中心線，當中心偏移較大時，刀體和工件孔壁就產生“擠刀”;二是斷續切削，切削力不連續，周期性變化導致鉆頭異常震動。這些異常因素大到一定程度將導致崩刃，甚至斷刀。

綜上所述，問題的根源在于相貫孔的加工，前序加工的鉆頭和加工孔深尺寸選擇不合理。

3? 解決方案

針對問題根源，由于缸體加工工序多采用專機和加工中心組成的生產線加工方式，經過長期工藝優化和節拍平衡，已經較為合理，能夠滿足當前需要，因此，在考慮改進方案時，不能對工藝進行較大的改動，加工順序也不能調整，加工時間更不能增加，這是考慮改進方案時值得特別注意的地方。根據前面分析初步制定如下方案：

第一方案改變加工順序，就是先加工1#主油道孔，把原OP50工序加工的2#油孔和3#油孔挪到OP110后序加工。這樣，槍鉆的鉆尖始終是直線定心，兩切削刃始終切削，不存在受力不均的問題，也就不產生偏心力。此方案對槍鉆加工最有利，但工藝改動太大，設備和生產線不允許，同時也會產生毛刺大不易去除的新問題。

第二方案就是加深2#油孔、3#油孔孔深。此方案就是不改變加工順序，只是將2#油孔、3#油孔的加工深度加深5mm，達到另一側孔壁，完全超過1#主油道孔。這樣當槍鉆加工1#主油道孔時，槍鉆鉆頭的兩個切削刃在已加工完的2#油孔、3#油位置時，雖然是空運轉不切削但受力均勻，消除鉆頭向左向右的切削分力，中心鉆尖偏離的可能性就減小了。但此方案增加了2#油孔、3#油孔加工的時間，多用時40秒，因目前該工序為瓶頸工序，故將導致生產線加工節拍增加40秒，因此該方案也不允許。

經過綜合分析，以上兩個方案不可行，最終確定第三方案。即改變OP50序加工2#油孔、3#油孔兩個鉆頭的結構，減少2#油孔和3#油孔鉆頭的加工深度3mm，詳見圖6。該方案最大優點在于既能夠達到第一方案的效果，還不影響節拍，而且是縮短節拍，對應提高整線產能有利。

具體方法就是把鉆頭的鉆尖通過修磨去掉，修磨成平底鉆，將2#油孔3#油孔加工成平底孔。修改加工程序，保證孔底到中心線距離2mm（見圖7）。

4? 方案驗證

方案確定后，我們團隊為確保實施效果，制定驗證計劃，重點做好三個方面工作，一是2#油孔、3#油孔鉆頭的結構改造，二是加工程序的修改，三是質量控制。

首先是對鉆頭的改造。由于加工2#油孔、3#油孔的兩把鉆頭都是復合鉆頭，在加工孔深的時候，還要對孔口進行45°倒角，所以在修磨改造時要考慮既要鉆孔達到深度，還要保證孔口倒角。分析研究刀具圖紙和加工工藝，特別注意復合鉆頭的臺階長度，在數控修磨機上編制CAD圖，設定參數，編制修磨程序。在程序編號好后，先模擬空運轉，在沒有問題時試修磨。磨好兩支，上線試加工。

第二步就是修改加工程序。修改OP50序加工程序，把原3#油孔的加工深度45mm，修改為42.5mm，公差0+0.5mm;原2#油孔加工深度15mm，修改為12.5mm，公差為0+0.2mm。保證該序加工深度及空口倒角滿足要求，這樣使1#主油道孔的中心線位置為實心，保證槍鉆加工1#主油道孔至2#油孔時，鉆尖能夠中心定心且在半徑2mm的區域內始終是連續的，始終有一個不小于？準4的錐形中心孔，見圖8。在穿過2#孔的過程中，即使左右兩側的切削刃受力不完全相等，但有中心部位的定心錐形孔也能起到定心作用，克服徑向傾斜力，這樣鉆尖不會產生偏移直線運動，槍鉆也就始終按直線進給，確保主油道孔的直線度滿足工藝要求，避免廢品的出現。

第三步生產加工。OP50按圖7加工后流轉到OP110。OP110序不進行任何變動，只是在加工完主油道孔后仔細觀察孔徑及孔壁是否完整，有無不相貫通和半孔。在檢驗合格后，連續修改造10支復合平底鉆頭，把前序OP50工序的三臺加工中心全部換成這樣的鉆頭，連續生產加工，跟蹤加工效果。

第四步，就是對加工完的油道孔進行全面檢驗。按照驗證方案試生產了一個星期，將所有的加工工件進行了100%檢驗，結果100%合格。

第五步，也是最后一步，固化工藝。驗證通過后，修改了OP50序的加工工藝、刀具圖紙，確定新刀具制作工藝、檢驗標準，同時固化工藝流程和檢驗流程，項目改進工作圓滿完成。

5? 效果

通過以上工作的實施，尤其是按照圖5要求改變兩個鉆頭的結構，減小前序加工深度（2#、3#孔），滿足加工藝要求，同時節省加工實際，縮短整線節拍40秒。

經過連續檢驗一個月的加工工件，1#主油道孔的直線度明顯提高，孔的壁厚差均勻，未再出現不合格品，大大降低廢品損失;刀具消耗明顯減少，費用降低50%以上，并且生產效率提高了10%。

6? 結束語

該油道孔加工工藝調整問題的解決，對于大馬力柴油機油道孔，尤其是深孔貫穿孔加工，提供了一個解決思路和方案。對于其他大中小型柴油機、汽油機等同類貫穿孔加工也可以起到借鑒作用。通過刀具的修磨改造，激發員工創新改造的信心，還可以提高加工產品的精度和刀具使用壽命，有益于提質增效，為企業和社會創造更大效益。

參考文獻：

[1]張瀟.高效深孔DF系統斷屑及排屑技術的研究[D].中北大學，2021.

[2]錢清，程寓，鄭立輝.基于最大穩定度的深孔加工槍鉆結構參數優化[J].組合機床與自動化加工技術，2021（06）：155-158.

[3]陳淑琴.精密槍鉆深孔加工質量的數值解析及試驗研究[D].中北大學，2018.