精密孔加工工艺技术研究

邹 武，蔡文波

（海军装备部，陕西 西安 710021）

精密孔加工工艺技术研究

邹 武，蔡文波

（海军装备部，陕西 西安 710021）

文章主要研究机匣类零件精密孔加工工艺技术。针对零件结构及加工难点，找出其中关键点并制定预案，通过三种不同加工方案的试验验证，获得最佳方案。重点涉及加工过程中零件尺寸一致性的控制研究、孔复合加工技术研究、刀柄与主轴连接对孔径尺寸精度的影响研究等内容。

精密孔；镗铰；浮动夹头；稳定性；高效

1 零件结构及问题分析

某机匣类零件结构如图1所示，该零件为薄璧环形件，材料2Cr13，材料硬度HBS=241-341，直径530mm，加工工艺较为复杂，经分析主要存在如下难点：①孔直径公差严，共2组孔40处ф5.4-0.024/-0.016，40处ф6-0.016/-0.024，80个孔公差0.008mm，孔位置度要求0.1。精度要求高，加工过程中刀具磨损、主轴跳动、切屑参数的微小影响，都易导致孔径公差0.008mm超差；②孔数量多，加大加工难度。由于孔公差严，在第一个孔径加工调整精确后，后续孔径加工由于各种因素影响也会发生变化，如：刀具磨损、温度影响、冷却液影响、工作台区域性精度影响等。加工中可变因素的累积影响往往超过孔径公差0.008mm要求，因而需要细心研究分析，寻找最佳加工方案；③40处ф5.4-0.024/-0.016是精密台阶孔，台阶处有倒角，增加尺寸精度保证的难度。刀具设计要增加端面刃，加工过程刀刃切削孔径的同时切削孔端面，是一个复合加工形式，径向与轴向的受力不均极易导致孔径超差。

图1 零件结构示意图

2 研究内容

①精密孔镗铰孔工艺技术研究：工步设计，钻、扩、镗、铰等工艺的顺序安排、余量设定、加工参数试验与选择；②整个加工过程中镗铰孔工艺对于尺寸一致性的控制研究；③镗、铰孔复合加工技术研究；④加工过程中刀柄与主轴连接对孔径尺寸精度的影响研究。

3 关键点分析及解决方案

3.1 关键点分析

本项目孔径公差0.008mm，属于高精度精密尺寸，按常规的镗铰孔工艺方法保证不了该公差要求。数控镗床一般的铰孔加工能力，可以达到0.02mm，再提升则难度非常大，即使铰刀尺寸非常合理准确，也无法百分百保证孔径公差。

经过分析，关键在于铰孔时的孔位“对正”误差，导致孔径易变大。在镗孔与铰孔两个工步之间，会有重复定位误差，这由机床的自身精度所决定的。另外，主轴与刀柄的链接、不同刀具、不同工步之间的误差，均会引起工步间的孔位不“对正”，结果就会出现加工完成后，孔径部分合格部分偏离公差范围，一致性较差。对于公差0.02～0.05mm的孔径，这个精度可以加工出合格零件，但对于本项目零件要求的公差0.008mm，则无法满足要求。所以，本项目要解决的关键技术点是，消除铰孔与镗孔间的孔位“对正”问题。

3.2 解决方案

（1）精密孔加工思路。该零件两组孔40处ф5.4-0.024/-0.016，40处ф6-0.016/-0.024，孔径公差0.008mm，孔位置度ф0.08。如图2所示。

图2 零件结构及相关要求示图

本项目的首选是孔径精度，孔径公差0.008mm必须采用铰孔方式，该点选择上，手工铰孔优于机床上铰孔。手工铰孔时，借助铰刀引导，操作工移动零件，可以保证铰孔时，铰刀与底孔同心，这样铰孔余量均匀，孔壁给力均衡，孔的直径尺寸易保证。缺点是手工铰孔人为因素干扰较多，当孔的深度不够，不足以对铰刀进行引导和定位时，手持铰刀会因为与待加工孔平面不垂直而造成受力不均，对孔壁产生径向挤压力，造成孔径不圆、孔口呈喇叭形状等现象，此现象如图3所示。本项目孔数量多，孔深4～5mm，不适宜手工铰孔。

图3 手动铰孔

图4 机床传统铰孔

机床上铰孔效率高、稳定性好，理论上弥补了手工铰孔时与待加工孔的垂直保障问题，能够更好地保证孔径公差。缺点是如图4所示：①数控镗床加工孔，需分工步而进行，钻镗底孔、铰孔，机床与刀具的连接系统定位误差，铰孔与原底孔存在位置偏差，易导致孔径超差；②机床主轴、铰刀刀柄、夹头、卡簧、铰刀之间连接等均有不同程度的偏差，加工状态铰刀与主轴中心有一定的偏心量，加工模式形同镗刀加工，这也是为什么机床铰孔直径经常大于铰刀实际尺寸的原因所在，偏心量越大，加工出来的尺寸相对越大。

（2）采用浮动夹头夹持铰刀方案。铰孔时，采用浮动式夹头夹持铰刀，代替传统的刚性夹持刀柄，将手工铰孔与机床铰孔的优点合而为一。一般情况下机床铰孔，铰刀尾柄夹头是固定式的，以便保证定位可靠，夹持稳定，但是对于高精度孔（孔径公差小于0.01mm），固定式夹头结构由于离心力作用影响易导致孔径超差。浮动式夹头刀柄与夹头之间有间隙，铰刀被夹紧后，刀体可以在一个微小范围内活动。本例选择的活动范围是0.1mm，采用数控镗床加工零件孔时有了这个活动范围，就可以解决铰孔时的“对正”问题。模拟手工铰孔，吸取了手工铰孔可靠度高（不会由于离心力的作用将孔加大）优点，同时又保持了数控机床的高效率。

浮动夹头的工作原理如图5所示。当调用铰孔程序铰刀到达底孔位置时，如果位置“对正”，则进行铰孔，不会出现铰孔缺陷；当不“对正”时，出现了图示的偏差δ，即铰刀旋转中心与底孔中心线有了偏差δ。铰刀与底孔不同心，此时若为刚性连接铰孔就会产生铰孔误差，而浮动夹头则可以解决该问题。图示中夹头间隙λ的存在，可以使铰刀与底孔自动“对正”。铰刀刀刃前端有倒角，可以引导铰刀“找着”底孔中心，达到“对正”效果，从而改善铰孔环境，使铰刀旋转稳定、受力均匀、余量均匀，铰孔尺寸精确。浮动夹头内部结构简如图6所示。

图5 浮动夹头消除主轴定位误差原理图

图6 浮动夹头内部剖面图

（3）采用攻丝夹头夹持铰刀铰孔方案。此方案的工作原理，与浮动夹头形同，两者的不同在于夹头形状大小不同，一般情况下，浮动夹头的形状体积大。该方案为备选方案。存在的风险为：攻丝夹头形状较大，当旋转起来后，主轴的跳动误差，可能会大于浮动夹头。这两种方案，通过试验选择其中铰孔效果较佳方案。

攻丝夹头与机床主轴的连接处设计的是小间隙配合，当夹上丝锥攻丝时，丝锥会随着端头引导与零件底孔对正是由于夹头间隙的缘故，不会出现丝锥与钻孔位置“不对正”的情况。分析本项目铰孔的需要，关键点就在铰刀与底孔“对正”问题，若两者之间有差异，将会影响孔径精度，所以攻丝夹头用于铰孔第二方案。

（4）采用镗刀镗孔方案。镗孔方案排列在方法三，镗孔方法保证严公差，也是一种较常见的相对稳妥的孔加工方法，但该方法需配置精密镗头（调整精度不大于0.002mm），适用于少量孔的加工。因为镗刀是利用刀尖进行加工，加工的过程中刀尖易产生磨损，会影响孔径尺寸。更换镗刀后，刀具装夹误差也易造成镗孔尺寸变化，需要重新调整对刀，因此不适宜较多孔组的加工。同时，对于操作者的技能水平要求极高（手工调整存在目测、手感、排除间隙等误差），对过程操作要求精细，工人需频繁测量，微调镗刀尺寸，质量稳定性差，风险性较高，加工效率低下。本项目孔数量多，若全程依赖操作者的精确操作，劳动强度很重，难度很大，加工风险性较大，可操作性较低。

4 验证对比及方案确定

4.1 镗孔试验

（1）试验工步：安装找正试验件打中心孔40-ф2、钻底孔40-ф4.9、粗镗孔40-ф5.2、精镗孔40处ф5.4-0.024/-0.016，共计四道工步。前三工步按步骤进展顺利，孔尺寸合格。精镗孔工步进行情况，每镗1个孔，均进行测量。按顺序各孔检测结果如下：1孔ф5.38、2孔ф5.38、3孔ф5.376、4孔ф5.376、5孔ф5.375；调节镗刀尺寸，直径加大0.006，继续镗孔；6孔ф5.38、7孔ф5.379、8孔ф5.377、9孔ф5.377、10孔ф5.376、11孔ф5.374；调节镗刀尺寸，直径加大0.006，继续镗孔，如此反复，直到镗完40个孔。

（2）镗孔试验结论。镗孔加工优点：不必配备专用铰刀，只需具备接近孔径的镗刀即可，生产准备周期短；镗孔加工缺点：镗刀易磨损，加工4个孔镗刀磨损0.005mm左右，已接近孔公差0.008mm，1把镗刀最多加工5个合格孔，镗刀磨损已不能保证孔径，需要手动频繁调节镗刀尺寸以保证镗孔精度。镗孔过程中镗刀尺寸调节存在风险，受操作者测量技术水平、精神状态影响较高，易造成操作者疲劳操作。该方案加工效率低，零件尺寸一致性差，可操作性低，加工效果较差。

4.2 攻丝夹头夹持铰刀铰孔试验

（1）试验工步：安装找正试验件打中心孔40-ф2、钻底孔40-ф4、扩孔40-ф5、粗镗孔40-ф5.2精镗孔40-ф5.3、铰孔40处ф5.4-0.024/-0.016（整体硬质合金铰刀，铰刀直径ф5.381-0.003，配攻丝夹头）。共计五道工步，前四工步按步骤进展顺利，孔尺寸合格。（备专用铰刀，尾柄形状必须是方头，与攻丝夹头尺寸一样）。配攻丝夹头铰孔时工步的情况如下：一把铰刀可以一次性加工40个合格孔，1孔ф5.381、2孔ф5.382、3孔ф5.38、4孔ф5.38、5孔ф5.379、……、36孔ф5.377、37孔ф5.379、38孔ф5.378、39孔ф5.376、40孔ф5.378。孔径最大ф5.382，最小ф5.376，差值范围0.006，40孔全部合格。

（2）试验结论。优点：一把铰刀一次性加工40个合格孔，孔径差值0.006mm，加工过程较稳定；缺点：孔径差值0.006mm，比较接近孔径公差0.008mm，尺寸精确度差，有超出公差的危险。攻丝夹头外形尺寸较大，在试验件上可以正常使用，但在正式零件上由于结构限制存在干涉，无法使用。因为零件所上孔中心距离台阶5mm，而攻丝夹头直径ф40，无法下落。因此，必须设计专用铰刀，使铰刀伸出部分更长（需要30mm），才能使用攻丝夹头，而铰刀伸出部分太长不利于孔精度，攻丝夹头的干涉情况如图7所示。

图7 攻丝夹头外形尺寸与加工部位对比示意图

4.3 浮动夹头夹持铰刀铰孔试验

（1）试验工步：安装找正试验件打中心孔40-ф2、钻底孔40-ф4、扩孔40-ф5、粗镗孔40-ф5.2精镗孔40-ф5.3、铰孔40处ф5.4-0.024/-0.016（硬质合金铰刀，铰刀直径ф5.3810-0.003，配浮动夹头）。共计五道工步，前四工步按步骤进展顺利，孔尺寸合格。（配备专用铰刀，直径尺寸，及刀具材料适合）。配浮动夹头铰孔工步情况如下：一把铰刀一次性加工40个孔，各孔测量结果：1孔ф5.382、2孔ф5.381、3孔ф5.38、4孔ф5.38、5孔ф5.381、……、36孔ф5.379、37孔ф5.379、38孔ф5.38、39孔ф5.38、40孔ф5.379。孔径最大ф5.382，最小ф5.379，差值0.003，孔径值基本接近铰刀直径。

（2）浮动夹头铰孔试验结论。优点：一把铰刀可以一次性加工40个合格孔，孔径差值0.003，加工结果精密度、精确度高，加工效率高，可以高效精确保证零件加工需求。缺点：暂无。

4.4 试验加工后方案确定

通过以上三种加工方案试验，加工优缺点对比得出：镗孔方案镗刀磨损快，只适用于数量小的孔加工；攻丝夹头方案，孔径公差可以保证，但由于受零件加工部位的空间限制，适用范围存在一定限制；浮动夹头方案，孔尺寸精度高，稳定性高，相比其它两种方案具有明显优势。所以，最终确定选择浮动夹头夹持铰刀加工方案。

4.5 方案实施及零件加工结果

（1）零件材料是2Cr13，材料硬度HBS=241-341，两组精密孔40处ф5.4-0.024/-0.016、40处ф6-0.024/-0.016的铰孔，采用浮动夹头夹持铰刀技术，ф5.4选用铰刀直径尺寸ф5.381-0.003，ф6选用铰刀直径尺寸ф5.980-0.003，铰刀材料为整体硬质合金，铰刀尾柄为ф6直柄，与浮动夹头连接，再将浮动夹头连接到机床主轴上。铰孔方法与普通铰孔方法相同，区别是装上了浮动铰刀头。

（2）操作步骤如下：①选择合适规格的浮动铰刀头，此为标准件，可以购买；②将铰刀与浮动铰刀头连接；③将装好铰刀的浮动铰刀头与机床主轴连接；④铰孔。

（3）按照打中心孔、钻底孔、扩孔、镗孔、铰孔等工步完成加工。40个孔均满足尺寸技术要求，且孔径差值小大于0.003，一致性较好，加工效率较高。现将铰孔部分加工参数列出。①加工余量优选值：a镗孔：单边0.1-0.15；b铰孔：单边0.03-0.05；②加工参数：a钻孔40-ф4.9加工参数：S=400r/min，F=20mm/min；b镗孔40-ф5.2加工参数：S=600r/min，F=25mm/min；c铰孔40处ф5.4-0.016/-0.024加工参数：S=130r/min，F=7mm/min；③铰刀及配件浮动夹头：铰刀直径ф5.381-0.003、ф5.980-0.003，铰刀材料为硬质合金，刃长15，铰刀刃数量6，引导角度45°±30′，前角3°-5°，第1后角8°±2°，第2后角12°±2°，修光刃长0.1+0.05。

5 推广意义

通过对各种孔加工方案的试验对比，最终采用浮动铰刀头技术，利用在数控镗床上模拟手工铰孔的原理，解决了高精度孔加工难度高、一致性不易保证的难题。本技术操作方法简单，加工零件具有高质量、高稳定性、高效率的优点，使精密孔的加工不再依赖于操作者的技术水平，极大提升了精密孔加工技术水平，在机械加工领域对于各类零件精密孔的加工，具有极高的推广价值及意义。

TH161+.1

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2096-2789（2016）11-0016-04