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利用車床鑽削小孔的工藝研究

2021-11-16 來源：中國空空導彈研究院作（zuò）者：翟建偉

摘要：以實際加工案（àn）例為基礎（chǔ），對車削加工中鑽削準1.5 mm 小孔的加工工藝（yì）進（jìn）行分（fèn）析，找出鑽削過（guò）程中影（yǐng）響加（jiā）工質量和加工效率的主要因素，並（bìng）根據案例中的加工經驗，提（tí）出了一種對（duì）鑽頭改進的方法，為（wéi）小孔加工提供了解決方案，同時也為其他小孔加工提供參考（kǎo）。

關鍵詞：機械加工；車削；小孔

0 前（qián）言

在航空（kōng）產品中，結（jié）構重量是衡量（liàng）產品性能的一個非常重要的指標。為了提高產品（pǐn）的指標，設計人員（yuán）在設計產品時，在（zài）滿足其（qí）他性能（néng）指標的前提下，會盡可能的壓（yā）縮結構（gòu）尺寸以追求（qiú）更輕的產品（pǐn）。壓縮結構尺寸可以有效地減輕結構（gòu）重量，但（dàn）帶來的問（wèn）題就是（shì）產品零件變小（xiǎo），更小的零件意味著零件上各種特征的尺寸也會變得更小，對於傳統機械加工來說（shuō），尺寸過（guò）大或過小的零件特征都是加工中的難點（diǎn）。

在零件的各種特征中（zhōng），孔是較難加工的一種。由於孔本身的特殊結構，在加工中存（cún）在（zài）排屑不暢（chàng）、冷卻（què）潤滑不及時（shí）等各種問題，容易在加工中出現孔內壁糙度差（chà）、孔軸線（xiàn）直線度（dù）差、孔橫截麵圓度差、孔直徑尺寸精度差（chà），孔定位尺寸精度差等各種問題，常常成為零件質量問題的高（gāo）發點，尤其是對於長徑比比較大的孔，加工難度較一般孔更大（dà）。

由於產品（pǐn）的各種限製，實際設計出的零件往往（wǎng）是上麵兩種加工難（nán）點的疊加，即長徑比大的小孔。當前，國內外已經發展出了很多新（xīn）的加工方法可以完成此類小孔的加工，如激光、電腐蝕、高能粒子（zǐ）束等加工方法，均可以比該孔直徑更小、長徑比更大的孔的加工。但這（zhè）些加（jiā）工方法均存在加工效（xiào）率（lǜ）低和加工成本高的問題，傳（chuán）統的機械加工雖然（rán）沒有新方法的加（jiā）工能力強，無法完成（chéng）許多（duō）有極端要求的特征的加工，但在（zài）加工（gōng）成本和加工效率方（fāng）麵相比較於（yú）這些新方法卻占有很大的優勢。因此如果可以發掘傳統機械加工（gōng）的潛力，拓展傳統機械加工的適用範（fàn）圍，就可以完成一些要（yào）求比較苛刻（kè）的零件的加工，為（wéi）零件生產降低加工成本和提高加工效（xiào）率提供了有效的解決方法。

車削加工是一種傳統的機械加工方法，其最大的優（yōu）點就是加工回轉體時（shí）圓度特別好，因此很適合加工孔（kǒng）或軸等回轉體特征。本文以實（shí）際加工案例為範（fàn）例，討論了如何使用車（chē）削加工完成長徑比為 12.3的準1.5 mm 小孔（kǒng）的加工，並據此探討在加工大長徑比的小孔時需注意的事項以（yǐ）及可采用的一些方法。

1、加工難點分析

零件結構示意圖如圖 1 所示。

圖 1 零件結構（gòu）示意（yì）圖

從圖 1 中可以看（kàn）出，該零件為接頭類零件，中間有貫穿孔用（yòng）於工作時介質流動。由於零件尺寸很小，因（yīn）此零（líng）件上各特征的結構尺寸也很小（xiǎo）。零件材料為17-4PH，材料出（chū）廠時進（jìn）行過熱處理，材料硬度在HRC40 左右。由於該零件從結構上（shàng）並不是回轉（zhuǎn）體，適合在數控銑（xǐ）床上進行加工（gōng），因此主要特征均是在數控（kòng）銑床上（shàng）完成的加工。但由於兩個孔的加工難度較大，數控銑床的無法滿足加工要求，因此孔的加工選擇在數控車床（chuáng）上（shàng）完成（chéng）。而零件的裝夾則是通過設計專用鑲嵌式夾（jiá）具來完成裝夾（關於夾具的設（shè）計這（zhè）裏（lǐ）就（jiù）不在詳細說明（míng））。

所需加工孔孔直徑均為準（zhǔn）1.5 mm，其中一個較（jiào）淺的孔深度為（wéi） 18.5 mm，長徑比為 12.3；另外一個孔要（yào）求和這個孔貫穿，因此深（shēn）度（dù）至少要（yào）達到 22.5 mm，即長徑比至少為 15。

長徑比值大的孔在加（jiā）工時可以選擇從兩端（duān）向中間對向加工以變相的減（jiǎn）小孔的長徑比（bǐ）值。但這個零件上的孔是盲孔，因（yīn）此加工時必須從孔口加工，這就對加工工藝提（tí）出了較高（gāo）的要求，在麵對（duì）批量生產的情（qíng）況時，使用普通的加工工藝無法完成零件的穩（wěn）定加工，需要對（duì）加工工藝進行改進。

1.1 排屑問（wèn）題

排屑是機械（xiè）加工中的一個重要問題，及時排出切（qiē）屑（xiè），可以方便（biàn）刀具繼續對零件材料進行切削，提高（gāo）加工效率。機（jī）械加工行業經過（guò）長（zhǎng）期（qī）發展，絕大部分（fèn）加工過程，如車、銑、刨等，無論是刀具的排屑槽，還是機床斷屑器，加工過（guò）程中都有了比較（jiào）完善的排屑措施，日常加工中基本可以不用單獨考慮排屑的問題。但在此次孔的加工（gōng）過程中，排屑不暢的問題非常嚴重。主要原（yuán）因是鑽孔加工與（yǔ）其（qí）他加工（gōng），如（rú）和車削外圓（yuán）相比最大的不同，就（jiù）是孔（kǒng）的直徑限製了刀具的尺寸。對（duì）於該孔的加（jiā）工，使用鑽頭的直徑隻能選擇準1.5 mm。鑽頭直徑限製了鑽頭上的排（pái）屑槽深度很小，再加上鑽頭鑽孔過程（chéng）中鑽（zuàn）頭和孔（kǒng）內壁緊密貼合，鑽進（jìn）過程（chéng）中產生的切（qiē）屑必須完全依靠排屑槽排出（chū），如果孔內的切屑不能及時排出，不僅影響鑽進效率，嚴重時還會發生孔內事故。主要是因為由於鑽頭直（zhí）徑太小，導致鑽頭的強（qiáng）度小、剛性差，加工（gōng）過程中（zhōng）產生的切屑如果（guǒ）不能及時排出，切屑夾在鑽頭和零件之間，會（huì）對鑽（zuàn）頭產生（shēng）擠壓，由於鑽（zuàn）頭剛性（xìng）差的（de）原因，稍微對鑽頭產生的擠壓就會（huì）造成鑽頭（tóu）折斷，輕則造成鑽頭報廢，重則會使斷掉（diào）的鑽頭與零件“咬死”而造成零件報廢。

機械加工過程（chéng）中，切削液的衝洗對排屑也起了（le）非常大的用處。但在該（gāi）加工過程中，切削液也無法有效衝洗到加工麵。該情況將在 1.2 切削熱問題部分進行詳述。

1.2 切削熱問題

機械加工過程中，切削液的衝洗有（yǒu）兩個作用，一是對加工刀（dāo）具和材料進行降（jiàng）溫，二是衝走加工後產生的切屑。一般條件下，機械加工（gōng）過程中（zhōng）會使用盡可能大流（liú）量的切削液（yè）對（duì）加（jiā）工部位進行直接衝洗，但在該零件加工鑽孔過程中，切削液無法有效衝洗（xǐ）到加工部位。主要原（yuán）因是因為孔的直徑很小，鑽頭直徑也很小（xiǎo），該尺寸的鑽（zuàn）頭沒有中央出水的類型，而在加工過程中鑽頭緊密貼合孔內壁，因此切削液要進入加（jiā）工部位必須通過排屑槽進入。但由於（yú）鑽（zuàn）頭直徑太小（xiǎo），鑽頭上的排屑槽（cáo）深度也（yě）很淺，導（dǎo）致冷卻液很難進入小孔內（nèi）部，無法實時對切削刃進行冷卻，容易造成切削刃升溫過快（kuài）造成鑽頭刀刃磨損甚至燒毀鑽頭。

1.3 鑽頭強度問題

鑽頭的結構（gòu）為細長型，長（zhǎng）徑比很大，所（suǒ）以鑽（zuàn）頭的強度一般都不高，並且在實際使用（yòng）過程中強度會隨著刀具伸出長度的增加而進一步下降，鑽削加工又屬於（yú）切削力較大（dà）的加工方式，所以在加工前選擇鑽頭時要特別注意鑽頭強度是否能夠滿足加工要求。

鑽頭（tóu）的強度（dù）和鑽頭的直徑正相關，小鑽頭直徑小，並（bìng）且（qiě）鑽頭上還有排屑（xiè）槽，會使鑽頭的強度進一步降低，使鑽頭在加工過程中無法承受較大的切削（xuē）力或其他衝擊力，如果使用不當，比如鑽孔過（guò）程中進給速度（dù）過快，很容易在加工過程中發生鑽頭折斷的情況（kuàng）。

1.4 精度問題

在車床上鑽削小孔的過程（chéng）中，零件軸線和（hé）鑽頭軸線的同軸度對（duì）加工的影響很大，如果因為精度的原因，造（zào）成零件軸（zhóu）線和鑽頭軸線不在同一條線上，加工過程中鑽頭會承受很大的徑向力，尤其是鑽頭剛鑽（zuàn）入時，此（cǐ）時不同軸會造成鑽頭（tóu）接觸零件不均勻，會給鑽頭施加很大的徑向力（lì），而此時鑽頭懸空長度是最長（zhǎng）的，也就意味著此（cǐ）時鑽頭的結構強度是最（zuì）弱的，這也成為鑽孔時鑽頭折斷的高發點。

2、改進方法與措施

2.1 多退刀（dāo），勤排屑

切屑對加工過程影響很大，由於鑽頭直徑小，鑽頭上的排屑槽也很淺，排屑能力弱，如果光（guāng）靠排屑槽進（jìn）行（háng）排屑無法滿足穩定加工的要求，加工過程中（zhōng）必須通（tōng）過退刀的方式，使鑽頭完全退出（chū）孔以徹底排出切屑。數控車床可以通過編（biān）製數控加工程序對加工過程進行精確控製，以哈挺（tǐng）數（shù）控車（chē）床（chuáng）為例（lì）（數控係統為 FANUC），控製係統中內置了一種點鑽的加工方式用以解決此問題。該程序語句為：G1101 W（）F（）Q（）P（）B（）L（），在鑽（zuàn）孔程序（xù）中使用該語句進行加工，機床就可以每次步進一定深度後自動退出刀具進行排屑[1]。

需要注意的是（shì），由於刀具排屑槽排屑能力弱，切屑很難在產生的同時被同步排出孔外，實（shí）際過程是切（qiē）削產生的切屑被儲存在（zài）鑽頭前段的（de）排屑槽內（nèi），等鑽頭退出孔時（shí）再完（wán）全排出孔外。由（yóu）於排屑槽儲存切屑能力有限，所（suǒ）以（yǐ）每次步（bù）進的深度不能過深，否則產生的切屑過多，排屑槽無法（fǎ）儲存，多餘的切屑就會堆積在孔底或（huò）孔壁處（chù），對加工過程造成（chéng）影響，退刀排屑的意義（yì）就失去（qù）了。但步進（jìn）深度（dù）也不宜過小（xiǎo），否則進退刀（dāo）次數（shù）過多，會嚴重（chóng）降低加工效（xiào）率，從加工（gōng）經驗得到的參考值（zhí）每次步進深度均保持在 0.5 mm 左（zuǒ）右為宜，鑽孔時進給速度也（yě）不易過快，但（dàn）可提高退刀的進給速度（dù）以（yǐ）保證（zhèng）整體加工效（xiào）率。

2.2 改造鑽頭，增（zēng）強強度

在批量加工零件的過程中，單純采取退（tuì）刀的措施並不能完全解決鑽頭折斷的問題，為保證鑽頭的強度，此次（cì）加工過程中在普通鑽頭結構的基礎（chǔ）上進行了（le）修改，製作了專用鑽頭用於孔（kǒng）的（de）加工。改進後的鑽頭結構示意圖如圖 2 所示。

圖 2 鑽頭結構示意（yì）圖

鑽頭製造（zào）原料的選擇上可以選用與孔直徑一（yī）樣的高速（sù）鋼或硬質合金棒，在需要鑽孔的深度範圍內將鑽頭磨扁，一般 H 值可（kě）選擇在 0.1 ~ 0.2 mm 之間，這樣的結構取消了排屑槽，極大地增強了（le）鑽頭的強度，同時磨扁的部分也可以兼顧排屑的功能，前端切削刃的（de）刃磨與普（pǔ）通鑽頭保持相同結構即可。經實際加工測試，按此方法（fǎ）改進製作的（de）鑽頭比（bǐ）普通商用鑽頭強度更高，在相同的切削參數、排屑情況和（hé）冷卻條件下，不但（dàn）加工出（chū）的零件質量更好，而且能避免折（shé）斷鑽頭，保（bǎo）證了整批零件加工的順利進行，提高了整批零件的（de）加工（gōng）效率。

從（cóng）改（gǎi）製鑽頭的結構示意圖上看（kàn），鑽頭應該隻滿足深度（dù） 18.5 mm 孔的（de）加工需求，加工（gōng）另一個孔則麵臨（lín）長度不足的問題。需要強調（diào）的是，零件中貫穿的兩個（gè）孔，在加工順序上（shàng）必須（xū）嚴格分先後，深度為18.5mm 的孔（kǒng）先加工（gōng），然後再加工另一個孔。這是由於兩孔相互貫穿（chuān），在加（jiā）工第二個孔時，很難保證孔的軸線和第一個孔軸線相交，因此鑽頭在鑽破第一個孔時有可能（néng）存在鑽頭受（shòu）力（lì）不均衡問題而導致鑽頭折斷。為避免該問題，在加工時鑽頭僅（jǐn）鑽（zuàn）入 19 mm 就不再繼續鑽進，最後的 3 mm 改用 1.5 mm 銑刀進行（háng）加工，即將 1.5 mm 銑刀裝夾在刀盤上（shàng），利用銑刀完成最後兩孔鑽透（tòu）的加工過（guò）程，由於銑刀強度較高且銑刀側（cè）齒可用於切（qiē）削（xuē），因（yīn）此可有效避免（miǎn）折斷情況的（de）發生。

2.3 檢查中心軸（zhóu）線是否重合

該零件加工時，零件是通過夾具裝夾在機床卡盤上，而刀具裝夾在機床刀盤上，機床本身、夾具、裝夾過程都會存在誤差，這些誤（wù）差累計起來會造成零件（jiàn）與刀具的裝夾誤差，這誤差會對零件加（jiā）工造成影響，因此加工前必須檢查校正。

檢（jiǎn）查裝夾精度時，必須檢查在零件和鑽頭裝夾好的情況下，鑽（zuàn）頭軸線和零件軸線是否重（chóng）合，本次加工過程中使用的是一種比較簡單的檢查方法[2]：第一步用磁吸式（shì）固定器將千分表固定（dìng）在機床刀盤上，千分（fèn）表表頭接觸零件外圓表麵，然後沿機床 X 軸方向前後移動（dòng）刀盤，觀察千分表（biǎo）數值變化，要求要（yào）將零（líng）件調整到（dào）千分表數值變化不（bú）超過 0.02 mm，這樣的（de）檢（jiǎn）測要在零件（jiàn）圓周上選擇均布的（de）三條線進行測（cè）量（liàng），三（sān）條線的測試都合（hé）格（gé）才算合格。第二步，使千分表表頭接觸零件外圓，用手搬動機（jī）床主（zhǔ）軸，使（shǐ）零件按機床（chuáng） A 軸

旋轉，觀（guān）察旋轉過程中千分表數值變化，同第一步一樣（yàng），變化範圍不超過 0.02 mm 才算合格（gé）。如果發現誤差（chà）過大，則需要進行調整校正，調整的循序按照難易程度安排，先零件、再夾具（jù）、最後機（jī）床（chuáng）；如果對零件和夾具的（de）調整都無法修正誤差，而在對機床進行調整後（hòu）依然無（wú）法達到加工（gōng）要求，則說明機床精度以無法滿足加工要求，必須更換（huàn）機床進行加工，否則將無法保證加（jiā）工效果（guǒ）。

3、加工結果驗證

通過數據（jù）對比來驗證了（le）改進方法和措施（shī）的有效性，改進前後兩種工藝方案（àn）的加工結果如（rú）表 1 所示。

表 1 加工結果對（duì）照表