高精度深长孔的加工方法研究

蓝仁义

（广西玉柴机器股份有限公司，广西 玉林 537005）

铰刀应用于金属材料上较高精度的孔类加工领域，例如发动机、变速箱、机床、汽车等机械制造业，只要有孔，都需要此项技术。笔者以汽车发动机零件为例，阐述在机械加工领域中工艺性差，且精度高的孔的加工方法。随着科技的发展，加工的精度要求越来越高，加工孔的精度更是要求严格。其材质一般为铝、铸铁等，是比较软的材质，传统的铰刀在铰孔过程中，就越来越暴露出不能满足加工精度的问题。

玉柴公司生产一款型号为YC6M 的重型发动机，其气缸体的加工精度要求尤其高。机体是发动机零部件加工复杂程度最高的零件之一，而挺柱孔是机体最难加工的工序之一。挺柱孔一般布置在柴油机机体内腔中部，受结构限制加工比较困难，工艺性比较差[1]。保证挺柱孔对凸轮轴的垂直度0.05 mm，是柴油机加工工艺关键之一。挺柱孔是深长孔，精度要求高，粗糙度Ra 1.6 μm，孔径精度Φ 38 H8；况且，一个工件有12个挺柱孔，只要其中任何一个孔存在品质缺陷，那么这件工件就是不合格品，这就增加了加工难度（挺柱孔附图见图1）。

图1 挺柱孔图

以下具体介绍3 种对刀具整改的方式。

1 传统的加工方法

传统的铰刀采用刀具以刀杆作为后导向、接杆与主轴刚性联接的方式。

铰刀在加工YC6M气缸体这种既深长，精度要求又高的孔时，遇到了上述难题。新引进的机床采用的是传统的加工方法，该方法采用接杆刚性联接机床主轴，接杆夹持刀柄传递力矩，而刀具是以刀杆与模板上的导向套间隙配合作为后导向[2]。这种方式结构简单，普遍用于专机。刀具结构如图2 所示。

图2 传统的铰刀结构图

这种结构只有一个导向套和刀具导向杆轻微间隙配合作为导向，导向是唯一的。但是在加工6M机体挺柱孔时，几乎不能保证加工品质，如圆柱度差，孔径至少大于检棒0.015 mm 以上才能过通规；孔的表面品质差，粗糙度达不到图样要求，还会出现不同程度的刀痕。如果产生以上品质问题，只能通过频繁地更换使用新刀具来解决。

但频繁更换新刀具导致最直接的后果是单件工件成本居高不下，而且频繁换刀也导致生产效率低下，在大批量生产中是不能接受的。经过仔细推敲分析，以上出现的都是常用的加工方式和常用结构问题，之所以在加工6M机体挺柱孔时出现这种问题，是因为6M机体零件比较大，挺柱孔在机体内腔中部，孔口离机体顶面约140 mm，铰孔深度90 mm（如图1）。

导向套（刀具的有效导向）和机体顶面还有一段距离（20～30 mm），也就是说刀具的有效导向位置距离刀具切削位置最长为250 mm，导向与切削的距离悬长过长，机床- 夹具- 刀具系统中有任何轻微的颤动，都会放大影响到刀尖的正常切削，进而会影响到被加工表面品质；也正是在加工中存在轻微干扰，刀具也加速磨损，不正常的刀具磨损对于铰刀来说是致命的，使得刀具寿命非常短，同时也加剧了铰孔的孔内的破坏程度，造成品质缺陷[3]。

除了产生加工品质问题外，同时，这种方式也很容易使刀具导向与导向套烧伤烧结，进而破坏机床与夹具的精度。刀套烧伤的原因，可能是配合间隙太小，更多是因为加工振动时或者夹有铁屑时会引起碰伤导向表面，摩擦生热进而烧结。同时也因为比较大径的刀具，刚性较大，在机床主轴与导向套同轴度不是很理想时，容易“憋死”，挤压造成摩擦生热而烧结。

2 改善后的加工方式

改善的铰刀采用铰刀前后导向、接杆与主轴浮动连接方式。

从第一种方式分析来看，由于导向位置距离刀尖切削过长，导致加工过长不受控，因此，刀具增加一段前导向，减少刀尖切削时产生震动和偏移。铰刀长850 mm，贯穿过整个机体，刀刃在中间段，刀具的后部后导向，是以在模板上安装的轴承导套间隙配合作为导向；刀具的前端前导向，是以夹具底部的固定导套间隙配合作为导向。刀具结构如图3 所示。

图3 改善后的加工方式刀具结构图

这种方式要求机床精度保持很高水平，否则，由于前后导向不在同一直线上，使得加工出来的孔圆柱度比较差，不容易通规。与传统方法一样，导向与切削的距离悬长过长，机床- 夹具- 刀具系统中的轻微颤动，一样会影响挺柱孔的表面品质，甚至使孔内表面产生明显刀痕，粗糙度不满足图样要求。

虽然已从刀具结构、刀刃、刀具角度到冷却、排屑等各方面都加以改进，但效果还是不理想，不能维持正常的生产，最终也弃用这种方案。

3 本文着重介绍的扩铰挤刀

扩绞挤刀采用刀具前后自导向、接杆部分导向并与主轴刚性连接方式[1]，如图4 所示，即为本文着重介绍的刀具，一种本身自导向的铰刀。

图4 本文着重介绍的扩铰挤刀

从工作原理上来说，可以形象称之为扩铰挤刀。其结构包括刀体4，在刀体4 的前端部焊接有多个硬质合金刀刃的预铰孔刀刃段1，中间部分是焊接有多个硬质合金刀刃的多刃铰刀段2，接着连接一段焊接多个合金刀刃的后导向段3。其中预铰孔刀刃段1 的直径为d，铰刀段直径为D，后导向段直径为D0，相互关系为

D- d=0.06～0.20 mm；

D- D0≈0.005 mm。

本刀具焊接式多刃预铰孔刀刃段1，即扩孔刀头，外圆保留比较大的圆刃宽度0.8～1.2 mm，预铰刀头是在接杆的导向作用的情况下，开始进入切削，在进入被加工孔内一段深度以后，接杆导向就开始失效，全由预铰刀头引导铰刀段2 进入进行精铰，这时候预铰孔刀刃段的大圆刃，起定心导向的作用，同时去除大部分铰孔余量，只留0.06～0.20 mm 的很小的最终精铰余量给铰刀段2 加工，使得铰刀段2 的磨损降到最小，延长了铰刀段的寿命。铰刀段2 精加工到尺寸D，因为两段切削刃是同轴复合刀，两段刀刃同心，从根本上消除了铰偏或者铰不出的隐患[4]。

预铰孔刀刃段1 去除了大部分加工余量，去除的单边余量可达1.0 mm，可省掉中间的扩孔工序，也提高了生产效率。

后导向段3，是铰刀段后面直接用合金焊接的导向段，直径比铰刀段2 小0.005 mm。在加工进给中，有了这导向段以已加工孔作为导向的保驾护航，就能避免机床- 夹具- 刀具系统中轻微颤动对内孔产生划痕等不良的表面品质，同时合金导向段也会对加工后的内孔表面产生轻微摩擦、滚压的作用，使其表面产生一定的塑性变形，达到修正表面微观几何形状[5]，降低表面粗糙度值的目的，其粗糙度可达Ra 1.6 μm 以下，同时使得滚压后的的孔圆柱度精度比较高，从这个角度上说，刀具的使用寿命得以延长，生产成本也就降低了[6]。

4 结束语

通过整改，使用这把扩铰挤刀进行加工，使得孔表面品质好，粗糙度可控在Ra 1.6 μm 以内；加工后的孔精度高，圆度和锥度可控在0.006 mm 以内。预铰孔刀刃段可去除大部分余量，而铰刀段切削余量很少，预铰孔刀刃段1 可去除单边达1.0 mm 的余量，可减少中间扩孔工序，有效提高加工效率。预铰孔刀刃段和后导向段的自身就起着导向的作用[5]，从根本上消除铰刀段的轻微振动对铰孔精致的影响。后导向段可对加工后的内孔表面产生轻微摩擦、滚压的作用，进一步有效提高孔的精度。预铰孔刀刃段和铰刀段为同轴设置，而以预铰孔刀刃段加工的孔作为导向，不存在扩孔和铰孔的位置度偏差，可保证铰刀段加工部分铰穿，有效避免不良产品产生。

基于以上诸多优点，这种扩铰挤刀可以推广应用到机械加工领域的孔类加工，特别是在加工工艺比较差且精度要求较高的的深长孔方面，其优势尤为突出。

[1]蓝仁义.一种扩铰挤刀[P].公开号：CN201889550U，2011.

[2]华楚生. 机械制造技术基础[M]. 重庆：重庆大学出版社，2003.

[3]周泽华. 金属切削原理[M]. 上海：上海科学技术出版社，1984.

[4]王先逵.机械制造工艺学（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2007.

[5]何少平，李国顺，舒金波.机械结构工艺性[M].长沙：中南大学出版社，2004.

[6]孙大涌.先进制造技术[M].北京：机械工业出版社，1999.