高精度機床尾座體芯孔加工工藝優化試制

董萬智

（通用技術集團 大連機床有限責任公司 設計研究院，遼寧 大連 116022）

0 引言

液壓尾座是機床重要組成部件之一，其精度直接影響機床整機切削精度及工序穩定性，當前中高端機床市場需求占比不斷上升，對高精度液壓尾座需求量顯著上升。尾座體是尾座總成的重要組成件，同時尾座體屬于主機廠定制型產品，其加工制造高精度及合理的制造費用的優化有助于提升整機的市場競爭力，因此對高精度尾座體高質量穩定量產有了更高的要求。

尾座體芯孔精度直接影響液壓尾座的精度和使用壽命，是尾座體精度的重中之重，芯孔形位公差、表面質量要求較高，是該類工件加工的最大難點，隨著高精度尾座需求量的不斷上升，尾座體芯孔精加工作為尾座體制造的瓶頸工序的影響愈發明顯，對其進行工藝優化改良，保證高質量、高精度穩定性生產制造就顯得尤為迫切。

1 當前制造方式

當前我公司采用珩磨工藝方法對尾座體芯孔進行精加工，該工藝方法在進行深長孔加工時具有較為廣泛的應用，這也是當前機械加工對深長孔精加工的一種普遍方法。隨著高精度尾座體的需求量不斷增加，該工藝方法工序質量保障水平不足、勞動強度大、環保壓力大的缺陷日漸凸顯。

珩磨桿與珩磨機動力頭接口處采用活動連接，保證加工時珩磨頭沿預制內孔軸線運動而不破壞內孔形位公差；珩磨頭在外圓上粘有砂條，通過可脹縮的珩磨頭將砂條脹緊在工件內孔上產生一定的接觸面積和相應的壓力，珩磨頭在珩磨桿帶動下在工件孔內作高速旋轉運動的同時做軸向往復運動，完成內孔珩磨。正是由于上述加工特點，該工藝方法存在的一些自身難以解決的影響工序質量穩定性不足之處：

1）芯孔尺寸難以精確控制。由于用砂條漲緊在內孔上加工，工件至少要進行粗珩、精珩兩次裝夾加工，同一批次工件受砂條磨損、磨削力變化影響、往復次數影響，孔徑一致性無法保障，每件均需要配作芯軸。

2）芯孔形位公差穩定性差。由于是磨削加工，需要高線速度進行加工，不可避免地會產生大量的磨削熱，同時由于工件的深長孔結構，散熱性差，而且冷卻油難以像平面磨削那樣對加工表面進行充分冷卻，易產生“掐腰”質量缺陷，甚至個別件出現燒蝕現象；由于珩磨桿與機床動力頭是活動連接，在高速運動下，在珩磨頭進入、離開工件時由于受力不均，容易出現“喇叭口”的質量缺陷，同時產生較為明顯的磨削紋路，影響美觀。

3）不符合綠色環保制造理念。由于是高速磨削加工，需要大流量冷卻油液，煤油具有良好的潤滑、冷卻特性，在內孔加工中廣泛應用，加工時在高溫下蒸發和廢棄油液的處理均面臨較大的環保壓力。

4）一線員工勞動強度較大。工件裝夾時需將工件水平裝夾在夾具上，然后翻轉夾具，使工件內孔豎直向上，與珩磨頭軸線平行，每天大量翻轉，導致勞動強度大。

5）夾具更換復雜。在更換工件型號時，需更換夾具，重新調校夾具回轉后工件芯孔軸線與珩磨頭軸線位置關系，重新調整夾具配重。

2 技術方案選取

對粗糙度要求較高的長內孔的加工方式除了前文提及的珩磨加工外，還有研磨、滾光加工和特種加工等工藝方法。

研磨加工對操作人員技術水平要求較高、勞動強度大、生產效率極低，不適應大批量工件的生產制造。

特種加工是一種采用非接觸式電化學加工的工藝方法，在車削式加工和鏜削式加工中均有應用，與相應制造商進行技術溝通后，該方法采用專用設備、專用刀具對工件的外圓/內孔進行加工；在進行鏜削式加工工件內孔時，在使用上述專用設備、刀具的同時，對每種不同工件需配置不同夾具，以保證對正工件與機床軸線公差在刀具與工件孔內壁的距離精度要求。該工藝方法在制造精度、生產效率方面均能達到要求，但可供借鑒的案例較少，且需新增設備、場地，投入大量專用夾具，對工件尺寸適用范圍較小。

滾光加工在孔精加工領域有較長時期的成熟應用，在與尾座體芯孔使用場合相近的液壓缸內孔的制造上大量應用，但主要應用于較短孔或在具有相應工藝模板的定制設備上進行長孔和特長孔的滾光加工，在通用設備上進行水平狀態下懸臂加工的實例較少，是該工藝方案的主要難點。

基于當前技術和設備現狀，考慮到滾光加工方式具有成熟的工藝應用先例，可在現有設備基礎上進行工藝改良試驗的條件，無需新增高價值設備和特種加工作業空間，具有實施周期短、成本低的特點，確定以滾光加工為工藝攻關方向，解決高精度尾座體芯孔高質量、高穩定性加工問題。

3 工藝方案制定

3.1 試件選取

本次工藝改良試驗，試件選用目前我公司量產型精密尾座體中大規格尺寸的工件，芯孔結構如圖1所示,通過對該件的驗證，進行充分的工藝技術改良、優化驗證，以確保此次工藝改良在通用設備上完成加工，同時具有可復制性、可推廣性，能夠擴展到其他型號尾座體芯孔的加工中，實現效益最大化。

3.2 實施方案制定

為實現既定工藝目標，根據滾光加工的主要形式，初步制定了兩個具體方案。

方案一，采用通用刀具進行加工。在鏜桿的刀具安裝槽內安裝圖2所示的單刃滾光刀，直接對內孔進行鏜削式滾光加工，該方案具備組織實施快、刀具成本低的特點，同時可對我公司目前生產的不同內孔直徑的尾座體完成制造。

圖2 單刃滾光刀

方案二，采用專用刀具進行加工。使用圖3所示的圓柱滾光刀對內孔進行滾光加工，該方案刀具為專用刀具，不同芯孔直徑的尾座體均需配置不同型號的圓柱滾光刀具，比刀具的成本高，實施周期較長。

圖3 圓柱滾光刀

3.3 方案可行性分析

方案一為單刀頭加工方式，當前用于車床車削式滾光加工外圓較多，對工件表面進行滾光加工，在提高表面粗糙度和硬度的同時對工件的形位公差有一定的修正作用，同時要求加工時有較高的線速度才能滿足加工要求。通過對該實施方案的加工特點的分析，應用的尾座體芯孔加工上，重點有如下幾個技術難點需要解決：

1）內孔滾光加工時對形位公差有修正作用，在車削加工時，刀具固定在刀架上，懸伸較小，工藝系統剛度可以得到充分保證，對工件表面進行微觀修復，可以起到正向作用；在鏜床上進行長孔加工時，為應對刀桿大懸伸時的加工振動，我公司在內孔精鏜時配置減振刀桿進行精鏜加工，用于保證芯孔的形位公差，而此時使用普通的刀槽式刀桿，滾光加工時對工件形位公差的修正作用反而會破壞已經形成的較好形位公差水平。

2）該實施方案對加工線速度要求較高，在內孔直徑一定的前提下，勢必要通過提高鏜床主軸轉速的方式實現，但在轉速提高后精密加工的動平衡問題就顯得尤為凸出，動平衡對精密加工有直接影響，在減振刀桿上安裝的精密鏜頭配有專用配重塊，以調整動平衡，而刀槽式鏜桿目前不具備該功能，動平衡問題需要一個較好的解決方案。

方案二使用固定尺寸（可微調整）圓柱滾光刀加工方式，該加工方式在內孔加工中較為常見，但多為浮動式加工，即刀具/刀桿與機床動力頭為浮動式連接，不主動對形位公差進行修正，加工過程中只用于提高內孔的粗糙度和表面硬度，在液壓缸加工中較為常見，對工件內孔表面微觀不平進行滾光加工后，對形位公差有一定程度的優化。通過對該實施方案的加工特點的分析，應用在尾座體芯孔加工上，重點有如下幾個技術難點需要解決：

1）加工柔性問題，在水平加工狀態下，這種大懸伸加工，刀桿與鏜床主軸進行浮動式連接，刀具如何正確進入工件芯孔是主要困難，如何解決刀具的柔性加工，不破壞已經完成精鏜達到的形位公差，必須有一個較好的解決方案。

2）加工散熱問題，全直徑加工，孔比較長，要防止熱量的聚集導致工件產生熱變形，對形位公差造成影響，成為工件質量缺陷的隱患。

通過技術分析，方案一在高線速度加工的情況下，需要定制鏜頭，用于連接到現有的減振刀桿，以解決振動問題，需要定制多種可安裝動平衡塊的刀板，以解決動平衡問題，解決難度較大，加工風險也相對較大，而且實施周期及成本優勢由于需要新增配套件而明顯降低。方案二雖然在技術上也存在一定問題，相對而言解決難度較低，重點需解決加工柔性的問題即可，加工散熱可通過加工參數和冷卻方案予以解決，除刀具自身費用外無需新增其他費用。

3.4 實施方案確定

綜合考慮工件制造批量，工序質量穩定性當為重中之重，方案二技術優勢明顯，實施成本及周期與方案一（需新增鏜頭、不同規格鏜刀板）相比并無明顯劣勢。通過綜合研判，確定以方案二為最終實施方案。

4 方案實施

根據對實施方案存在的具體技術問題的分析，主要難點在于實現刀具的柔性加工，在滾光過程中僅對工件表面粗糙度和硬度進行提升，不能影響已完成精密鏜削的內孔的形位公差，考慮到在機床主軸端進行活動連接的加工方式并不適合水平式懸臂加工，將該技術問題的解決方式確定為在刀具上解決，為此我公司與某知名刀具制造商進行合作，對該專用圓柱滾光刀進行研發。

為保證最終工件芯孔成品形位公差精度，確定加工工藝方案為：精密鏜削→機床工作臺后退至刀具完全退出工件→主軸頭不動，直接更換滾光刀→滾光加工。整個加工過程中只是工作臺在工件內孔軸向方向上移動，最大限度保證機床主軸軸線與工件芯孔軸線位置精度，為刀具設計、制造提供便利條件。

經刀具商與我司共同對刀具方案確定，該圓柱滾光刀采用均布多滾柱結構形式，通過內錐微調直徑的成熟刀具技術，能充分保證滾光刀外圓精度；為解決加工柔性問題，在圓柱滾光刀刀頭與刀桿之間借鑒精密鉸刀的頸部形式，采用“細徑”結構，該結構具有微柔性特點，在受力后會產生微撓曲變形，起到引導圓柱滾光刀按預制孔軸線進給，僅對內孔表面進行滾光而不改變形位公差；刀具直徑按工件直徑設計，具有一定調整量；連接形式符合我公司現有減振鏜桿接口；采用微潤滑方式，改善散熱情況。

5 加工制造

5.1 試切

按工藝要求完成精鏜，使用對表環規校正內徑千分表進行孔徑測量，記錄相關數值，清理、擦拭芯孔，保證芯孔內無細小加工鐵屑，在孔壁涂抹環保冷卻液后進行滾光加工。調整圓柱滾光刀直徑略小于預制芯孔直徑，在滾柱部分1/3伸入內孔后，調整刀具直徑至輕微觸碰到孔壁后退出，按預設加工深度調整刀具直徑；在低轉速、工進速度情況下滾柱導向部分平穩進入內孔后，將機床加工參數提高至加工狀態，滾柱部分露出工件芯孔20 mm后，按原路徑退回（由于孔較深，不適合繼續加大懸伸露出直徑調整裝置進行滾壓刀直徑調整），清理內孔，檢測，完成加工。

經試制檢測，加工參數按滾壓深度0.02～0.03 mm、機床轉速75 r/min、進給速度25 mm/min相對效果較好。

5.2 小批量加工

經調試，確定預制孔孔徑（按0.01公差帶控制）與圓柱滾光刀尺寸后（單批次制造不再調整），連續加工3件，對制造精度進行檢測，形位公差在精鏜孔形位公差檢測精度附近有一定波動，符合設計要求；粗糙度在Ra0.4 μm與Ra0.6 μm之間，優于設計要求；使用2件在液壓尾座試驗臺上進行尾座芯軸伸縮模擬應用，效果良好。累計加工30件后，經檢測，均符合要求。綜上所述，本次工藝改進達到了預期目的，但為防止圓柱滾光刀再次使用時直徑出現不確定性，每批次加工均需重新調整圓柱滾光刀直徑，同時由于預制孔直徑在小范圍內波動的影響，導致成品孔徑波動達到了0.006 mm，面對嚴苛的芯軸與芯孔的配合要求，配套用芯軸雖具備了選配的條件，但仍不滿足互換性，作為量產型機型的配套件，實現互換性是工藝改良進一步努力的方向。

6 結語

通過尾座體芯孔精加工工藝改良，與原有的珩磨工藝方法相比，滾光加工工藝方法有效解決了工序質量缺陷隱患，有力地保障了工序質量穩定性；在精密鏜床上一次完成精鏜、滾光加工，不僅減少了工序周轉，而且有效地化解了珩磨加工裝夾工件時的翻轉問題，大幅降低了一線員工的勞動強度；通過微潤滑冷卻的方式進行加工，避免了大量冷卻油的使用，不僅向綠色制造邁進了一步，同時對降低職業危害也具有積極意義。