燃机产品阶梯销孔加工方法研究

马文宝 董兆鹏 韩海瑞

（共享装备股份有限公司，宁夏 银川 750021）

0 引言

燃气轮机作为一种应用广泛的大功率、高性能动力机械，其配套零部件上设计有一种阶梯销孔的特征（图1），同轴度、位置度要求较高，使用两把刀分开钻孔、铰孔可能会导致加工出来的阶梯销孔不能与配件很好配合，无法满足设计要求。另外，还可能导致铰刀在铰孔的过程中因底孔质量差而发生断裂，对工件本身产生机损，影响加工效率。置精度。

图1 阶梯销孔结构

为了使加工出来的阶梯销孔能够满足设计的同轴度要求及位置度要求，研究总结出一种阶梯销孔的加工方法，经过实际现场试切及加工验证，证明此种加工方法能够解决上述问题。

1 工艺流程

一般铰孔是扩大一个已经存在的孔，用铰刀从工件原有孔壁上切除微量金属层，以提高其尺寸精

铰孔是利用铰刀对已有的孔进行半加工和精加工的一种加工工艺。铰孔主要用于中小尺寸的孔的精加工和半精加工，能有效纠正孔的圆度误差，达到较高的表面质量。由于铰刀一般齿数较多，导向性好，心部直径大，刀具的刚性好，铰削余量小，铰刀切削的厚度较薄，因此，加工精度可达IT7～IT9级，表面粗糙度值一般可达Ra0.4～1.6 μm。但是它不能保证孔的位置精度，因此在前道工序应保证底孔的位度和减小其表面粗糙度值的方法[1]。其工艺流程为：钻定位孔、钻（扩）底孔、铰孔。该工艺流程对于本文所述的阶梯销孔结构同样适用，具体的工艺流程如下：

（1）在槽子内壁上加工φ16.2沉孔；（2）沉孔底部钻底孔的定位孔；（3）在定位孔上钻底孔φ15.2/φ9.2；（4）铰孔φ15.6/φ9.6。

注意事项：

（1）加工φ16.2沉孔，由于刀具是单边吃量，容易发生让刀的情况，故在加工过程中刀具吃刀量不能太大，需选用刚性较好的刀具进行加工。根据加工产品材质的不同，可灵活定制刀具的材质。（2）钻定位孔时，中心钻的直径需小于φ16.2沉孔（实际使用刀具为φ10的中心钻），保证在加工过程中不会产生干涉，防止撞刀。（3）底孔φ15.2/φ9.2需一次加工完成。（4）铰孔φ15.6/φ9.6需一次加工完成。（5）在加工过程中，根据工件材质的不同，铰孔的质量可能存在些许差异，故在钻完底孔φ15.2/φ9.2后，可增加扩孔或者粗铰孔工序，以减少铰孔φ15.6/φ9.6时的铰削余量，提交铰孔质量。（6）由于底孔φ15.2/φ9.2和铰孔φ15.6/φ9.6都需要一次性加工完成，所以在工件上正式加工之前必须要先在试切件上进行试切。一方面，试切可以检查刀具是否合适，加工出来的孔的大小是否超差；另一方面，可以试切φ15.2/φ9.2钻头和φ15.6/φ9.6铰刀的最佳切削参数，以此来保证在工件上加工出来的销孔是合格的，提高铰孔质量。

2 刀具选择

上述工艺流程中φ16.2沉孔和定位孔按照通用加工方法选用正常加工刀具：立铣刀、中心钻，合理选择规格即可。现对钻孔及铰孔刀具进行详述。

（1）钻孔φ15.2/φ9.2：在钻孔时，若将两个底孔分开进行加工，那么可能会使两孔的同轴度在钻底孔时就超出公差范围，在后续铰孔时会造成铰刀上下受力不均而断裂，对产品本身产生机损。故底孔φ15.2/φ9.2使用一把刀同时加工完成，刀具如图2、图3所示（图2右侧为φ15.2/φ9.2钻头）。需注意：此钻头在加工时，前端φ9.2部分先进行切削，钻出时要经过槽子钻φ9.6销孔的φ9.2底孔，加工此孔时槽底部端面是没有定位孔的，那么就需要此钻头的钻尖起到一部分定位作用，但是由经验可知，麻花钻的钻尖是无法打定位孔的，故在设计制作钻头时就需要明确钻头前端直径为φ9.2部分的长度必须大于槽子宽度，要保证钻头φ9.2部分在从φ15.2的孔完全钻出时有一部分已经钻进φ9.2底孔内，利用钻头前端整体的刚性保证φ9.2定位孔的精度。为达到此目的，刀具的材料要选用硬质合金，例如YT30，具体刀具材质可根据加工产品材质的不同灵活选择。

图2 刀具（左侧为φ15.6/φ9.6铰刀，右侧为φ15.2/φ9.2钻头）

图3 φ15.2/φ9.2钻头

（2）铰孔φ15.6/φ9.6：为保证此阶梯销孔的同轴度及位置度要求，铰孔必须使用一把刀一次完成两个孔的加工，刀具如图2、图4所示（图2左侧为φ15.6/φ9.6铰刀）。在加工过程中若孔的数量较多，那么极有可能是刀具磨损导致最终加工出来的销孔尺寸偏小，无法进差。故在加工时需时刻注意销孔直径，若测量尺寸接近销孔直径下偏差，那么就需及时更换新的铰刀，验证刀具的圆跳动后再进行加工，确保铰孔能够一次性合格。

图4 φ15.6/φ9.6铰刀

注意事项：

（1）在保证刀具装卡时不与工件及夹具产生干涉的情况下，应尽可能缩短钻头和铰刀的刀长，保证钻头和铰刀具有足够的刚性，防止在加工过程中有断裂的情况发生。（2）钻头和铰刀的大小端同轴度需在0.02 mm内，跳动公差需在0.02 mm内。（3）钻头和铰刀的夹持单元在装卡到机床主轴时，需保证其圆跳动公差在0.02 mm以内方可进行加工，故在实际加工前，首先需检查机床主轴跳动刚性、松拉刀拉力大小。（4）为保证销孔的加工质量，延长刀具使用寿命，在加工过程中要正确选用切削液，降低切削过程中刀具和工件的温度，改善散热，抑制积屑瘤的产生[2]；减少切屑细末粘附在铰刀刀刃上、孔壁和铰刀的刃带之间，以免影响孔的表面粗糙度。一般切削液为乳化液，浓度根据工件材质及实际加工工况进行选择。

3 切削参数选择

经过现场实际试切及加工验证，得到钻孔和铰孔的参数如下：（1）钻孔φ15.2/φ9.2：机床主轴转速n=240～300 r/min，进给f=12～15 mm/min；（2）铰孔φ15.6/φ9.6：机床主轴转速n=65～70 r/min，进给f=4～6 mm/min。

按照上述参数加工完成后，底孔的直径可以达到15.2/9.20+0.1mm，能够有效确保铰孔时有足够的铰削余量，控制余量在0.3～0.4 mm，底孔内壁的粗糙度能够达到Ra1.6 μm左右，提高了铰孔的质量。铰孔完成后销孔内壁粗糙度可以达到Ra0.6～1.6 μm，两个销孔的同轴度可以达到0.02 mm以内。

对于其他规格尺寸阶梯销孔的加工，切削参数可根据公式n=1 000vc/πD，结合上述参数进行计算得出。但是由于使用的铰刀一把刀存在两种直径，所以此参数仅能作为参考，在实际加工前需先进行试切验证，得到最优参数后方可在产品上进行加工，避免理论参数与实际加工参数的偏差导致加工出来的销孔质量不合格。

4 加工过程中遇到的问题及解决方法

4.1 φ9.6销孔直径偏小

此加工方法旨在用一把刀一次性加工完成直径大小不同的两个销孔，所以在加工过程中铰刀φ9.6、φ15.6两个部分的磨损速度会有所不同，在转速相等的情况下，直径越小的部分刀具的线速度越大，则磨损越快，由此导致在加工过程中，部分φ15.6的销孔直径在公差内，但φ9.6的销孔直径则偏小，在下偏差外。

为解决此问题，在设计制作刀具时，将直径为φ9.6部位原本的设计公差φ9.60+0.012更改为φ9.6+0.05+0.012，以平衡铰刀φ15.6和φ9.6的磨损速度，使φ15.6和φ9.6部位的直径在加工过程中磨损后尽可能同时到达各自直径的下偏差。同时，为减缓刀具的磨损速度，在加工过程中需确保有足够的切削液，以降低刀具的切削温度。

4.2 铰刀断裂

本文所述铰刀的切削刃由φ9.6和φ15.6两部分组成，在加工过程中若底孔的同轴度较差，那么在铰孔时铰刀的两部分受到挤压的力就会不均匀，极易发生铰刀断裂的情况，影响铰孔质量。

为解决此问题，在使用φ15.2/φ9.2钻头钻底孔前，必须使用中心钻先打定位孔，确保钻头在钻孔时不会发生偏移。另外，钻头φ9.2部位的有效切削刃的长度必须大于中间槽子的宽度，以保证钻头φ9.2部位在完全钻透槽子上端面时，至少钻尖或者部分切削刃已经钻进槽子下端面，在辅助钻φ9.2孔定位的同时保证底孔的同轴度在0.02 mm内。

4.3 底孔质量不合格

底孔质量不合格一般存在两种情况：尺寸不合格、位置度不合格。

尺寸不合格一般是由于刀具尺寸不合格或切削参数不合适。刀具尺寸不合格需重新补充采购新的刀具，使用前对刀具进行检验，确保刀具直径在设计公差内再进行加工；切削参数在上文给出了推荐值，但是此参数仅针对在特定工况下加工特定的产品，若加工其他产品需先根据公式推算出理论切削参数，再进行试切，得出适合实际加工的切削参数。

位置度不合格需先确定刀具的圆度是在公差内的，再考虑机床主轴的跳动情况及松拉刀的拉紧程度。

5 结论

采用上述加工方法可满足阶梯销孔的同轴度及位置度要求，保证刀具直径、同轴度在设计公差内，还可降低机床质量事件发生的概率，提升加工效率。

通过实际验证得出，φ15.6/φ9.6阶梯销孔底孔及铰孔加工均使用定制刀具φ15.2/φ9.2钻头和φ15.6/φ9.6铰刀一次性完成。钻孔φ15.2/φ9.2时，机床主轴转速n=240～300 r/min，进给f=12～15 mm/min；铰孔φ15.6/φ9.6时，机床主轴转速n=65～70 r/min，进给f=4～6 mm/min。加工完成后，销孔直径合格，均在公差范围内：φ15.60+0.018、φ9.60+0.015；内壁粗糙度合格，达到Ra0.6～1.6 μm；两个销孔的同轴度合格，在0.02 mm内；位置度合格，在分度圆φ2 293.01上均在公差范围φ0.2 mm内。

本文仅以φ15.6/φ9.6阶梯销孔为例进行叙述说明，对于相似特征产品的加工，也可使用此种加工方法，刀具及切削参数的选择可参考上文参数，利用公式进行推算得出理论参数，然后进行试切得到最优参数，再进行加工。