支撐架深孔的斷續切削加工工藝研究

田春雷 袁 艷 石 奇 祝海珍

(①西安工業大學，陜西 西安 710016；②西安瑞石機械有限公司，陜西 西安 710075)

在機械制造加工業中，孔加工約占1/3。通常孔可分為兩類：淺孔與深孔。一般把長徑比不大于5的孔稱為“淺孔”，而長徑比大于5的孔則稱為“深孔”[1]。隨著科學技術的發展和生活生產的需要，對于孔類零件的加工，不僅要求高效率加工，還要求較高的孔直線度、公差和表面粗糙度[2]。

1 零件特點

支撐架作為一種放置和發射導彈的裝置，內孔為深孔結構，其加工質量決定了裝填效率和使用壽命。如圖1所示，支撐架長度L=3 000 mm，外形為500 mm×500 mm的方形，內孔尺寸為φ330 mm，工件的材料為鋁合金，硬度25～30 HRC。傳統的深孔加工，為保證加工的平穩性和加工質量，要求一次性完成加工，中途不允許停止。但由于支撐架內孔由5條筋板組成，因此在加工過程中要采用斷續切削的方式，這種方式存在著加工誤差大、排屑困難、加工質量不穩定及刀具的使用壽命短等問題，因此亟需設計出一套適用于深孔斷續切削的刀具和加工工藝方案。

2 加工難點

在實際生產中，深孔加工一般會遇到以下問題：

(1)深孔加工過程處于一種封閉或者半封閉的環境中，不能直接觀察刀具的切削情況及刀具的磨損情況，只能憑加工時發出的聲音、看切屑形狀顏色以及觀察機床振動及溫度等經驗來判斷加工情況。

(2)深孔環境中切削熱量不容易散發，刀具占切削熱比例較大(常規80%由切屑帶走)，刀口溫度可達600 ℃，極大影響刀具耐用性，易過熱造成燒刀，同時加工孔也會發生熱脹冷縮，影響加工精度。

(3)刀桿深入工件過長，且為提高刀桿剛性，刀桿直徑與工件孔徑還要盡可能地接近，所以導致排屑的路徑增長、容易發生堵塞，造成崩刀[3-5]。

深孔加工過程中還會遇到斷續切削問題。斷續切削是指在切削過程中，切削刃間斷地與工件接觸的切削。斷續切削加工一般具有以下特點：

(1)在加工時刀具受沖擊力的影響，刀尖極容易受損而影響切削效率和加工質量。

(2)切削力過大時刀桿極易產生振動，導致每次刀具的受力點不同，產生振紋，加工誤差大，表面粗糙度無法達到設計要求，影響加工質量甚至無法正常加工，同時會對機床的傳動機構造成損傷，降低機床的加工精度。

(3)極容易出現毛刺，影響加工效率和加工質量[6-9]。

基于深孔加工和斷續切削存在的問題，并結合工件自身特點，因此在支撐架加工中主要存在2個技術難點：

(1)目前深孔加工使用的臥式鉆鏜床，以加工回轉體工件為主，所涉及的輔助工具和夾具如中心架、三爪卡盤等也都是為回轉體工件加工服務的。而支撐架的外形為方形與現有的設備和輔具不匹配不能直接使用，而且支撐架的加工也無法使用以往的找正方法進行找正。

(2)如圖1所示，加工支撐架內孔要采用鏜削的加工方法。傳統的深孔鏜刀多為雙刃鏜刀，雙刃鏜刀在切削時，兩刃產生的切削力相互抵消，保證了刀具平穩加工，同時采用多個導向塊支撐刀頭，減少了與內孔孔壁的摩擦，也有利于冷卻液順利到達切削區域，因此這種設計在加工普通深孔時效果很好，但由于支撐架的內孔是由5條筋板組成，傳統鏜刀在加工時，導向條的尺寸過小，完全失去了扶持刀具穩定切削的功能，同時斷續切削使鏜刀極易受損，且產生的振動會降低加工質量和加工效率，也容易出現毛刺，因此傳統的深孔鏜刀并不適用于支撐架內孔的加工。

3 解決措施

為解決上述支撐架加工中遇到的問題，提高其加工質量和加工效率，結合現有加工環境、條件及輔具、夾具的特點，提出以下解決措施：

3.1 設計專用夾具

(1)支撐架為方形工件，在夾裝時需要使用四爪卡盤進行裝夾。

(2)由于支撐架的外形為方形，故設計了外圓內方的夾具，如圖2所示夾具外圓尺寸為φ850 mm、壁厚30 mm，內方尺寸為502 mm×502 mm，4個支撐固定板尺寸為250 mm×150 mm×20 mm，固定板上均勻分布6個M20的螺紋孔，其余壁厚20 mm。加工時將支撐架放置于夾具內方內，再使用螺釘和墊片進行固定。又由于支撐架長度L=3 000 mm，為保證工件在加工中的穩定性，需要用中心架對工件進行扶持，同時考慮到夾具的外圓尺寸大，在加工時會產生較大的線速度，不適合使用直接接觸式中心架，因此采用滾輪架扶持工件如圖2所示。

3.2 改進找正方法

方形工件的找正與回轉體工件不同，要分別進行軸向位置和旋轉中心的找正。工件的一端使用四爪卡盤夾緊固定，另一端使用頂尖將工件頂起，調整滾輪架滾輪的位置與夾具不接觸，使用百分表找正工件的位置。具體分3個步驟進行：第一步，進行軸向找正，用百分表表頭輕觸工件的一個表面并沿軸向來回移動，當百分表的讀數范圍在0.5 mm內，表示找正完成。此時上表面調整至與主軸線平行，因為方形零件相對面互相平行，所以下表面也同時與主軸線平行，再將四爪卡盤旋轉90°，用同樣的方法將工件剩余的兩個側面找正與主軸線平行，完成軸向找正。第二步，進行旋轉中心的找正，先劃線確定旋轉中心的位置(內孔加工的位置)，再根據劃線的部位用劃針進行粗找正，慢慢調整卡爪的位置，使得四爪位置與旋轉中心距離相等，完成精確找正。第三步，調整中心架的滾輪位置，與夾具的外圓完全接觸后鎖死中心架滾輪位置，完成裝夾。

3.3 改進深孔鏜刀

(1)對雙刃鏜刀的兩個刀刃進行調整。改變兩個刀刃伸出的距離形成錯齒切削，錯齒加工不僅穩定、刀具磨損小而且加工質量高，不容易產生振動。

(2)對導向塊進行改進。采用導向套代替導向塊支撐刀頭，導向套外徑尺寸要與內孔尺寸相等，內徑尺寸則要大于刀頭直徑的5%；導向套采用合金鋼熱處理后研磨制成，硬度要求在50～60 HRC，如此高硬度的導向套不僅保證了在加工中不會磨損，同時套導向可以和工件內壁緊密接觸，保證了加工的穩定性。

4 工藝方案

結合支撐架結構、材料和工藝難點進行分析，得出工序表，如表1所示。

表1 加工工藝

(1)生產出的毛坯尺寸不一，先對毛坯進行開粗，在鏜孔前先做出引孔，其孔徑為φ328 mm，長為L=200 mm，然后進行鏜削加工。采用的雙刃鏜刀的刀刃相差1 mm，進行錯齒加工，將毛坯內孔加工到φ328 mm。由于采用導向套支撐刀頭，導向套與工件內孔孔壁完全接觸摩擦力大，會產生大量的熱，影響加工質量，而水冷的冷卻效果大于油冷，所以采用乳化液進行冷卻降溫，保證加工質量。

(2)開粗完成后，對工件進行精加工，采用的雙刃鏜刀的刀刃相差1 mm，進行錯齒加工，將毛坯內孔加工到φ330 mm。同樣采用乳化液進行冷卻降溫。

(3)對加工完成后的工件采用特殊刀具去除毛刺，完成加工。

5 結語

針對支撐架內孔的特殊結構，分析了其加工過程中的技術難點，提出了設計專用夾具、改進找正方法、改進深孔鏜刀3項解決措施，最終確定了合理的加工工藝方案，成功解決了深孔斷續切削不穩定問題，既保證了內孔的加工精度和表面質量，又提高了支撐架裝填效率和使用壽命，更降低了使用風險。