浅析铰刀标准设计的验证试验

石亚林 范先莉

（中航工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川 成都 610092）

铰孔超差是很严重的质量问题。我们进行“试错式”设计分析，立项进行系统地研究从而形成新的技术规范，以期根本解决问题。

1 试验前期准备

1.1 试验方案的确定

自动进给钻与气钻相比，加工精度更高，工位情况更复杂，但相对排除了更多人为因素。考虑试验成本与效率，铰刀验证试验以气钻为主。

影响气钻用铰刀工作质量的因素较多。我们尝试从铰刀的公差、结构、几何角度、切削余量、耐磨性以及产品自身公差的大小等方面甄别影响的权数。铰刀选用的材料、铰刀加工工艺很重要，但限于试验成本，循我公司选材和加工工艺的惯例，我们不做这方面的对比试验。试验总方案见表1。

1.2 方案确定说明

1.2.1 尺寸规格来源于对已设计图纸的统计，是被加工产品零件典型的集成。世界上的主要民机连接部位均用英制尺寸，我国的民机为符合趋势，铰刀尺寸规格也选用英制尺寸。

1.2.2 刀具材料W6Mo5Cr4V；刀具在普通机床上加工完成；试验用材料国产铝合金，试材板厚：5 mm，10 mm，30 mm。

1.2.3 铰前孔的加工

按一般铰孔工艺要求，铰前孔的精度应达H11级。为避免铰前孔偏差干涉铰孔试验，铰前孔的加工最后一刀一律用同一把刀具小切削余量加工出来，以保证各铰前孔状态的相对一致。

1.2.4 试验数据采集过程控制

实测铰前新铰刀数据，铰前孔数据；实测铰8、16、24个孔后的铰刀与被加工孔的数据。耐磨试验每8个孔采集一组数据。

1.2.5 试验按加工产品的工艺大纲执行。

1.3 铰刀公差选择方案

验证试验选择的绞刀公差方案见表2和见图1。

2 铰刀验证试验技术分析

2.1 铰刀公差验证试验

由不同的铰刀公差带选择试验结果（见表3）看，按现行标准选择铰刀公差带设计的铰刀的超差率高；按近似某进口铰刀方案而设计的铰刀加工出的孔尺寸偏下，适用精度要求高的孔；铰刀设计不允许超极限，故公差带超下极限的±0.15 IT方案可在解决现场问题时谨慎使用；0～0.3 IT方案在铰刀经济性方面仍有潜力可挖；0.2～0.5 IT方案综合国内铰刀制造水平、使用状况，兼顾了铰刀的加工质量与经济性。

2.2. 铰刀结构试验

2.2.1 铰刀的长经比对照试验

铰刀长度与直径之比，即长径比。从绞刀的长径比对照试验结果（见表4）看，因长径比大，铰刀抗弯强度下降，在气钻上使用，铰刀着力点漂移，抖动大，导致加工出的孔尺寸受影响大，特别是对连续加工出的孔之间的尺寸差影响较大。本试验同时也做了铰刀工作部位长度比较，在10 mm～80 mm范围内，其结论同于长径比情况。

2.2.2 铰刀的夹持柄部比较试验

气钻用铰刀柄部一般有两种形式，一种是光杆，一种是螺纹。螺纹柄铰刀一般用于产品零件加工空间受限部位（有时气钻夹持与工作面成90°角），加之螺纹连接的螺纹柄有间隙，故对连续加工出的一组孔之间的精度有影响，但尚在公差范围内。

表3 铰刀公差验证试验

2.2.3 铰刀的引导比较

综合试验情况，铰刀引导对铰削质量影响不大，而被加工孔的深度更影响加工质量。

2.3 铰刀的几何角度比较

从试验（见表5）得知，切削锥后角易大，校正部分后角控制在适当的范围，几何角度在本试验范围内对加工质量影响不大。

07-XXXX-034不好用，铰刀的刃带分布明显不均匀，刃带宽尺寸精度应控制。

2.4 切削余量试验

从本试验（见表6）情况，再结合07–XXXX–032的情况看，在目前的刀具材料、制造工艺及使用环境下，铰刀加工孔的余量对孔质量影响大，余量大于0.3 mm时就容易超差。

2.5 产品公差比较试验

试验（见表7）加工的板厚30mm，采用三点测量法。从三点测量情况看，由于铰孔不是一次完成，导致孔口扩大，这与操作工人只有两年工龄有关。这表明使用气钻铰孔加工时，人为因素影响较大。试验证明，只要孔口尺寸合格，全孔就合格而且产品公差越大，铰出的孔合格率就越高。

2.6 铰刀的耐磨性试验

从试验结果（见表8）看，07–XXXX–006一共试96个孔，07–XXXX–010共试120个孔，铰前孔是由一把刀且小余量加工而成。

表4 铰刀的长径比对照试验

表5 铰刀的几何角度比较试验

表6 切削余量试验

表7 产品公差比较试验

07–XXXX–006加工出的一个孔超差，其尺寸7.989与上极限7.988相差0.001，且合格孔最大尺寸为7.985，因而，可视其为偶然现象。07–XXXX–010有7个孔超差，其尺寸为12.755～12.765，在加工到第22、23、42、44、45、46、48个孔时，1到21、49到120个孔全部合格。试验结果表明，规律性不强，这也提示我们，在使用气钻加工大直径孔时，人为因素影响较大。

此外，按一般的加工规范，一把刀可铰20个孔。本试验加工96～120个孔时，铰刀情况尚可，说明刀具的耐磨性有潜力。

2.7 自动进给钻切削余量及铰刀公差选择比较的验证试验

本试验（见表9）在30 mm板厚上进行。由于自动进给钻结构（夹持部位较短，前引导有间隙，刀具使用时甩动大），现行标准公差带选择（0.5～0.85IT）满足不了实际生产的需要，铰刀公差带经调整，孔加工合格率便有了保证。

3 验证试验结论

3.1 铰刀设计公差带选择

从不同的铰刀公差带选择验证试验结果看，由于气钻操作的人为因素，铰刀的公差带选择不能用现行标准所规定的。根据不同的加工精度要求，选择铰刀的公差设计方案为：A级（0～ +0.005 mm）；B级与C级（0.1～0.4 IT）；D级（0.2～0.5 IT）是可靠的方案。

3.2 加工精度限制

从铰刀结构试验情况看，在气钻上使用铰刀，铰刀着力点漂移，抖动大，导致24个孔之间直径尺寸相差0.011mm～0.025mm。从表3看，考虑产品材料收缩率0.007，气钻这种加工方式导致孔扩大约0.015mm。由此可知，气钻铰孔的精度是受限的。故限制气钻用铰刀加工产品孔的精度为：A级为.0015″；B级.0020″；C级.0025″；D级.003″。

3.3 加工孔深的影响

因为板厚孔深，切削力大，进给方向难以保持一致，因此，在铰削时，每铰一个孔前应除去切削刃上的毛刺、清理切削刃并打上润滑油，进给时保持匀速平稳，换工位时及时除去切屑等等，对工人的操作素质要求高。加工孔精度要求高的情况下，建议使用本标准A级铰刀。

表8 铰刀的耐磨性试验

表9 自动进给钻切削余量及刀具理论公差选择比较的验证试验

3.4 加工余量的影响

从试验情况看，在目前的刀具材料、制造工艺及使用环境下，加工余量对孔质量影响大。加工余量大于0.3 mm时，加工出的孔易超差。自动进给钻的加工余量可大至0.893 mm。但进口刀具，其加工余量可大至0.8 mm。分析原因，一是进口刀具的材料好，因其冶金工艺好，使刀具强度高、耐磨性好；二是铰刀加工技术先进，高质量的数控机床可加工出高动平衡性能、高表面质量的刀具；而我们常常是加工产品的机床设备技术水平高于加工刀具。

3.5 人为因素的影响

铰刀质量差，对工人的素质要求就高。从本次试验看，不论加工精度、深度、柄部形式变化，还是选择加工余量，对操作人员的素质提出了要求。

3.6 自动进给钻用铰刀的情况

较之气钻，自动进给钻用铰刀加工的工作部位的精度要求更高，其铰刀自身的技术要求也更高。限于其工作环境，铰刀的引导、夹持部位的设计与周边的设备有关，应提高形位公差等技术要求，以与整个的工作环境协调。

如果自动进给钻用铰刀是数控机床全过程加工出来的，据不同的产品精度按0.4～0.7 IT 、0.2～0.5 IT 、+0.005的公差设计是可行的；铰刀如果不是数控机床全过程加工出来的，铰前钻孔应放小，可设计1～3把最后尺寸的小进给余量的铰刀备用，防止铰孔超差。

4 结束语

回顾本次试验，我们认为进口工具先进的主要因素中，工具材料冶金工艺我们不能控制，但加工工具用更先进的设备以及工人操作水平的提高，则是我们通过纠正认识、通过培训，能够做得更好的。

通过较系统的工作，对自动进给钻、气钻用铰刀的技术状态进行了全面的梳理，验证了我们已掌握的铰刀设计的一定规律，并在此基础上编制了标准Q/XXXX–2008《自动进给钻、气钻用铰刀》。因为有扎实的试验验证工作，编出的标准规范、切合实际，及时指导了现场技术工作。

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[2] 吴永锦, 殷小清. 机械制造[M].北京：清华大学出版社，2010 .

[3] 周尊英. 质量管理实用统计技术[M].北京：中国标准出版社，2009.

[4] 科学技术部办公厅，国务院发展研究中心国际技术经济研究所世界前沿技术发展报告[M].北京： 科学出版社，2010.