细长杆深盲孔的平底加工

高云龙

西安庆安航空机械制造有限公司 陕西西安 710016

1 序言

活塞杆类零件是航空制造业作动系统中一种广泛使用的零件，它能起到准确传递位移并施加载荷的作用。为了减轻飞机的质量，多数活塞杆类零件设计了中心通孔或盲孔结构，这些深孔的长径比可达30以上，加工这些深孔有很高的难度[1]，尤其是底部有特殊结构的深盲孔，加工难度更高。

使用枪钻加工深孔有较高的材料去除率，是一种高效的深孔加工方法，并且可以获得较高的表面质量，因此是深孔加工的首选方式。由于在使用枪钻加工深孔时，存在无法直接观测到加工刀具的状态、切屑不易排出、切削热不易传散以及工艺系统刚性差等问题[2，3]，因此应科学地设置工艺流程和加工参数。

2 深孔加工出现的问题

我公司加工的一种细长活塞杆结构和尺寸如图1所示，零件总长为485mm，内孔深度为422mm，直径为18mm，长径比为23.5，属于典型的深孔，且内孔结构为盲孔。为了减少活塞杆底部的应力集中，设计了129°的倒角及转接R5mm圆角。活塞杆材料为35NCD16，抗拉强度为1230～1370MPa，硬度为40～43HRC，属于低合金高强度钢，较难加工。

图1 细长活塞杆结构和尺寸

为了兼顾加工高效性及经济性，此深盲孔的加工工艺流程分为钻孔和平底两道工序。钻孔无需使用专用刀具，刀片采用通用的钻孔结构即可，可以提高零件的加工效率。平底工序使用专用刀具，只加工底部残留位置，保证零件内孔底部成形，可以减少平底刀具的使用频率。因为平底刀具有较大的转接R，加工时切削力较大，刀具使用寿命低，所以减少刀具的使用频率可以降低刀具费用。钻孔及平底工序的加工内容如图2、图3所示。

图2 钻孔工序的加工内容

图3 平底工序的加工内容

在平底工序结束后，零件底部出现了接台，平底超差形状如图4所示。在长度为L的范围内（L的范围为10mm，此长度与平底刀具的有效切削长度相近），零件底部φ A超差增大，达19mm，单边超差0.5mm。

图4 平底超差形状

3 原因分析

经分析，平底工序出现零件孔径超差可能有如下几个原因。

1）平底时设置的加工参数过高，在离心力的作用下，平底刀具的侧刃对内孔的孔壁进行切削，导致孔底位置的直径被加工得过大。

2）平底刀具如图5所示，为装夹式刀具，刀片通过螺钉安装在刀杆上，刀片的制造误差也会导致刀片安装后刀具直径增大，从而导致孔径变大。

图5 平底刀具

3）深孔加工时，刀具上的支撑块对整个加工过程至关重要。只有刀具上的支撑块能与内孔孔壁有效接触时，才会有效地引导切削刀具顺着内孔轴线进行切削。如果刀具的支撑块过小，就会导致刀具出现摆动，使得内孔直径超差增大。

4）深孔底部吃刀量过大，切削时整个刀具都在参与切削，由于平底刀具的特殊结构会使刀具径向切削力较大，所以导致内孔尺寸超差增大。

4 模拟测试

针对第1个原因（加工参数）和第4个原因（平底时的吃刀量），可利用Deform-3D软件进行模拟，分析平底加工过程中刀具受到的径向切削力。根据已有的加工参数，将切削速度设置为5m/min、10m/min、15m/min和20m/min4组，将进给量设置为0.02mm/r、0.03mm/r、0.05mm/r和0.08mm/r4组，吃刀量设置为0.1mm、0.5mm、1.2mm和2.1mm4组，共计64组参数来模拟分析加工过程中的径向切削力。利用Deform-3D采集的径向切削力如图6所示。

图6 利用Deform-3D采集的径向切削力

通过模拟分析，得出切削速度、进给量及吃刀量与径向切削力的关系见表1～表3，可知径向切削力随着切削速度、进给量及吃刀量的增大而增大。

表1 切削速度与径向切削力的关系

表2 进给量与径向切削力的关系

表3 吃刀量与径向切削力的关系

从模拟数据可以看出，吃刀量对平底加工时的径向切削力影响是最大的，这一要素在最开始加工时被忽略，但是通过软件模拟，才发现其重要性。在使用平底刀具完全切削底孔时，随着吃刀量的加大，刀具上承受的切削力会逐渐增加。此零件结构特殊，平底刀具上设计了转接R5mm圆角，切削时会产生很大的切削力，再加上刀具的钻尖角为129°，产生的径向切削力也很大。切削速度对径向切削力的影响也比较明显，随着切削速度的提升，径向切削力急剧增加。进给量对于径向切削力的影响虽然没有其他两个要素明显，但也有相关性，在加工时也要重点控制。

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平底成形刀片如图7所示，在平底加工时，刀具的支撑块会支撑在已加工好的内孔上，这样才能起到完美的定位作用。对使用的刀具支撑块位置的直径进行测量，其直径为17.92mm，与钻孔之后的直径18.02mm相差0.10mm，这一差值对于加工的孔径也有很大影响。平底成形刀片的定位面与螺钉孔中心的距离C有一定的制造误差，会导致刀片在压紧后整体直径存在误差。经过测量，C值的波动在0～0.1mm，不合格的数量占比在5%左右，这是影响刀具切削直径的又一个因素。

图7 平底成形刀片

5 加工验证

通过模拟验证，明确了如下4个改进方向。

1）调整刀具的支撑块。在平底刀具刀杆安装支撑块的位置垫上厚度为0.05mm的垫片，这样就可以调整支撑块的直径，使其与钻孔后的内孔直径相匹配，解决平底刀具加工过程中支撑位置存在间隙的问题。

2）挑选合格的刀片。在投影仪上测量刀片的C值，保证C值与标准值的波动范围在0.01mm以内，这样能确保刀具状态一致，消除因刀具误差而导致的零件内孔直径超差增大的现象。

3）调整平底刀具的加工参数。通过模拟测试可知，切削速度与进给量对加工过程中的径向切削力影响是比较大的，导致活塞杆内孔底部直径出现超差，要消除这个超差，必须设置合理的加工参数。

4）底部吃刀量的设置。这个当初认为对加工过程影响较小的因素，在模拟加工时表现出对径向切削力有较大的影响，因此必须设置合理的吃刀量。

根据模拟结果提供的参数范围，将平底加工的加工参数和吃刀量缩减至合理的范围内，并细化试验参数，设置的几组加工参数及加工后零件的直径见表4。

表4 设置的几组加工参数及加工后零件的直径

通过试验1～9可以得出，切削速度不能高于6m/m i n。试验10～16主要验证加工状态是否稳定，从10～13可以得出，吃刀量需要控制在0.1mm以内；从14～16可以得出，进给量需要控制在0.03mm/r以下。只有这样设置加工参数，才能稳定地保证平底加工后的直径在公差范围内。最终经过确认的加工程序如下。

根据零件的加工状态，将平底工序的吃刀量进行了调整，调整之前为2.1m m，调整之后为0.1mm。吃刀量更改后的钻孔尺寸要求如图8所示。

图8 吃刀量更改后的钻孔尺寸要求

6 结束语

在加工活塞杆出现内孔超差增大的问题后，对影响深孔钻的相关因素做了分析，并逐一进行检查，通过原因分析和模拟验证，得出如下结论。

1）调整平底刀具上支撑块的高低与内孔相匹配，保证刀具的支撑作用，避免将内孔直径加工超差增大。

2）测量平底刀片的相关尺寸，避免刀片存在的制造误差对刀具切削直径的影响。

3）利用软件对加工参数进行模拟，将试验方案收缩在很小的范围内，有助于尽快调试出合适的加工方案。

4）吃刀量是被忽略的一个要素，会引起径向切削力的巨大变化。

本次深孔平底问题的解决是对综合系统的一种改进，通过从支撑块、刀片挑选和加工参数设置等方面进行整体改进，最终解决了平底后内孔直径超差增大的问题。为类似特殊结构的孔底加工提供了可行的方法和思路。