薄環壁軸向臺階深孔系的加工

艾敏，王威，張衛新，才冬濤，杜小英

山西航天清華裝備有限責任公司 山西長治 046012

1 序言

薄環壁軸向臺階深孔系的深孔加工是一種在封閉或半封閉環境下進行的機械加工。典型薄環壁軸向臺階深孔系結構如圖1所示。

圖1 典型薄環壁軸向臺階深孔系結構

2 通用加工技術

2.1 典型薄環壁軸向臺階深孔系加工工藝

如圖2所示為典型薄環壁軸向臺階深孔系加工圖樣，結構參數見表1。由圖1和表1可知，每組加工要素的要求均很高，零件需進行精加工。

環體的內徑與壁厚比D/δ≥16為薄壁，孔的深度與直徑比L/D≥5為深孔。圖2中典型薄壁環體的內徑與壁厚比D/δ為22.1，環壁軸向孔的深度與直徑比L/D為11.7，圖2中結構屬于薄環壁軸向臺階深孔系。

薄環壁軸向臺階深孔系的通用加工技術工藝路線如圖3所示，可見加工工步冗長。

圖2 薄環壁軸向臺階深孔系

表1 薄環壁軸向臺階深孔系結構參數

圖3 通用加工技術工藝路線

2.2 通用加工技術存在的問題

1）當薄環壁軸向臺階深孔系的深度與孔徑比較大時，鉆頭的長度與直徑比變大，使鉆頭的強度降低，在鉆削作業時很容易鉆偏，導致孔體軸線發生一定偏移。

2）當薄環壁軸向臺階深孔系的孔徑較小時，刀具剛性差、強度低、散熱困難且排屑不暢，經常出現孔徑變大、錐形孔等缺陷，無法保證孔徑的尺寸公差、幾何公差及表面粗糙度等技術要求。

因此，采用通用加工技術進行薄環壁軸向臺階深孔系的加工，其過程不穩定。

2.3 通用加工技術難點

根據以上圖表分析，薄環壁軸向臺階深孔系結構的加工難點主要有4處：①薄壁環體的徑向靜剛度不足，很容易發生裝夾失穩。②臺階深孔的軸線很容易偏離，平行度0.06mm很難保證。③臺階深孔中孔的同軸度φ0.015mm很難保證。④臺階深孔系的加工工步繁雜，加工效率很低（約6h/件）。

3 改進后的工藝方案

針對通用加工技術的缺陷，采用量化力矩，軸向裝夾薄環壁端面，按孔徑遞減工序分步半精加工臺階深孔，用硬質合金內冷螺旋切削刃臺階復合成形鉸刀精加工臺階深孔。上述復合加工工藝，實現了薄環壁軸向臺階深孔系有效加工的目的。基于以上技術分析及思路，工藝方案的流程如圖4所示。

圖4 薄環壁軸向臺階深孔系加工流程

（1）壓板壓薄壁環體端面 用壓板沿薄壁環體的軸向壓薄壁環體端面，壓點沿薄壁環體圓周端面均布。因薄壁環體的徑向靜剛度不足，在此方向采用自定心卡盤、單動卡盤、壓板等工藝裝置夾緊，容易產生裝夾變形及裝夾失穩。而薄壁環體的軸向靜剛度足夠，在此方向采用壓板壓緊，不會出現裝夾變形及裝夾失穩。

（2）力矩扳手擰緊壓板 用力矩扳手將壓板擰緊，從而夾緊薄壁環體。一般擰緊力矩為9～10N·m，裝夾過程如圖5所示。

圖5 力矩扳手擰緊壓板

（3）鉆中心孔 用中心鉆，制出臺階深孔的定位中心孔。

（4）鉆臺階孔中大孔預鉆孔 用硬質合金內冷鉆頭，在臺階深孔中心孔位置上制出臺階孔中大孔的預鉆孔。

（5）鉆臺階孔中小孔引導孔 用引導鉆，制出臺階深孔中小孔的底引導孔。

（6）鉆臺階孔中小孔預鉆孔 用硬質合金內冷鉆頭，在臺階深孔中小孔的底引導孔位置上制出小孔的預鉆孔。

（7）鉸成臺階孔 用硬質合金內冷螺旋切削刃臺階復合成形鉸刀，定位后一次完成切削臺階深孔孔壁和臺階的整體鉸削，鉸刀結構如圖6所示。

硬質合金內冷螺旋切削刃臺階復合成形鉸刀具有以下特點。

圖6 硬質合金內冷螺旋切削刃臺階復合成形鉸刀

1）硬質合金材質。硬質合金刀具材質硬度高，可切削30CrMnSiA等硬度高的材料。硬質合金刀具切削線速度較高，在加工工件表面時可以得到較高的表面粗糙度等級。

2）表面耐磨涂層。刀具表面有耐磨涂層，使刀具更耐磨、壽命更長，防止工件加工后表面粗糙度等級降低。

3）內冷卻。刀具有強制內冷卻功能，可以降低刀具、工件的切削溫度，緩解刀具、工件間的切削摩擦。冷卻孔垂直向下，可以強制排屑，減少切屑與刀具、工件間的摩擦、擠壓，可提高加工表面的表面粗糙度等級，減少刀具切削刃磨損。

4）螺旋切削刃。鉸刀的螺旋切削刃與直切削刃相比，加工時不易發生切削振動，明顯降低切削振紋的幾率，可得到更好的加工精度和表面粗糙度等級。

5）臺階復合形狀。鉸刀形狀契合臺階深孔的形狀，臺階兩外圓的同軸度≤0.002mm，從而一次定位切削即可成形臺階深孔，并可保證臺階深孔的尺寸公差、幾何公差、位置公差及表面粗糙度等切削要素。

（8）注意事項 ①加工設備一般為加工中心，設備徑向圓跳動≤0.003mm。②預鉆孔鉆頭鉆入引導孔時，應低轉速、小進給量進入，暫停幾秒后，再以正常的轉速及進給量進行加工，防止因刀具擺動過大而引起刀具損毀或折斷。③刀具冷卻要充分。

4 實施效果

4.1 加工結果對比

薄環壁軸向臺階深孔系加工結果見表2和圖7。

表2 薄環壁軸向臺階深孔系加工結果

圖7 薄環壁軸向臺階深孔

4.2 加工刀具對比

兩種技術使用的刀具種類及數量對比情況如圖8所示，左側為通用技術使用的8種刀具，右側為改進技術使用的4種刀具。由圖8可知，改進后技術較通用加工技術使用的刀具種類、數量都大幅減少，相應的加工工步數量、加工時間也大幅縮減。

圖8 兩種技術使用刀具對比

4.3 效果統計

綜上所述，經采用薄環壁軸向臺階深孔系加工方法取得了以下效果：①薄環壁軸向臺階深孔的同軸度≤φ0.015mm。②薄環壁軸向臺階深孔系間的平行度≤0.06mm。③薄環壁軸向臺階深孔的表面粗糙度值R a≤1.6μm。④薄環壁軸向臺階深孔的加工效率可提高8倍以上。

5 結束語

通過薄環壁軸向臺階深孔系加工工藝改進，解決了該類結構難以加工的問題，提高了薄環壁軸向臺階深孔系加工的精度和效率，在實際生產中取得了很好的效果。