長軸深孔加工工藝優化
2020-5-6 來源：中國航發沈陽黎明航空發動機有限責任公司 作者： 金少博 唐殿宇 李晶晶
摘要：長軸是海下管道的關鍵零件之一，本文介紹了長軸深孔加工在研制過程中所遇到的技術難題，通過大量的試驗研究，運用理論和實際相結合的方法，解決首件加工時間長、質量需提高的現狀，經過對深孔加工的分析，找出了解決深孔加工的有效方法，解決了如下問題：（1）長軸深孔加工因系統剛性差，強度低，切削易產生振動、波紋，影響深孔加工精度，刀具耐用度和切削效率的問題；（2）在原長軸深孔加工工藝的基礎上，提出了新的優化工藝路線；（3）從加工余量、加工參數、定位夾緊、刀具的選擇、排屑方式等不同的角度進行了研究，提出了控制方案 。
關鍵詞：深孔加工；工藝路線；深孔
深孔加工技術已在航空、航海行業獲得相當廣泛的應用，在航空發動機、登陸艇、潛水艇等高尖端產品上，大量的使用長軸類零件，這些零件的加工，離不開深孔加工技術，長軸深孔加工技術在機械加工中占有非常重要的地位，也是當前國內該行業關注的課題。
由于長軸在艦載機，登陸艇等領域使用，場合具有特殊性，其內部主要安裝電子元件，該零件對加工后深孔要求嚴格，在加工中如何控制內孔波紋，保證深孔加工精度，提高刀具耐用度和切削效率等問題是需要解決的難題。下面從工藝分析、加工試驗及控制等方面作以闡述。
1 、長軸加工工藝性分析
深孔加工是機械加工中難度較大、技術含量較高、專業性較強、加工成本較高的一種孔加工技術，該深孔長軸是石油管道的關鍵零件之一，長徑比為12 以上，精度要求高，長軸深孔生產不僅要滿足市場需求，還要大幅度地提高深孔加工精度和生產效率，需要深入開展深孔加工工藝優化工作，其加工難度主要有以下幾點：
（1）深孔加工中因系統剛性差，強度低，切削易產生振動、波紋，影響深孔加工精度。
（2）外排屑方式在卡盤處軸向無法頂緊，加工中軸向尺寸在串動，影響長度尺寸。
（3）加工余量、加工參數、定位夾緊、刀具的選擇、需要調整和重新確定，在原長軸深孔加工工藝的基礎上，提出新的優化工藝路線。
2、 加工工藝路線
該零件原加工工藝路線：毛料（棒料）→打頂針孔→車基準→車引導孔→鉆孔→擴孔→精車外圓基準→鏜孔→鉸孔→車外圓→車總長→車坡口→去毛刺→標印→清洗→最終檢驗→入庫，上述主要工序在數控車床和深孔鉆床上完成。在實施上述加工工序時，暴露出加工余量、加工參數、定位夾緊、刀具的選擇、冷排屑方式等問題。
3 、確定有效、優化的長軸深孔加工工藝方案
3.1 確定優化工藝路線
該零件優化加工工藝路線：毛料（棒料）→打頂針孔→車基準→車引導孔→鉆孔→鏜孔→車引導孔→鏜孔→車外圓基準→車引導孔→鏜孔→珩磨→車外圓→車總長→車坡口→去毛刺→標印→清洗→最終檢驗→入庫。
上述主要工序在數控車床和深孔鉆床上完成。與原加工工藝路線比將鉆孔、擴孔、鏜孔、鉸孔改為鉆孔、鏜孔、珩孔，可以用珩磨來加工，加工出來的深孔光潔度好，尺寸精度好，大大節省了加工時間，提高了加工質量。
3.2 改進引導孔與鉆頭間隙的影響，解決切削產生的振動
波紋，影響深孔加工精度及刀具耐用度為了正確引導鉆頭入鉆，通常采用在長軸上加工出引導孔，以達到引鉆作用，但是鉆頭會與引導孔之間產生一定的間隙，此間隙將會引起引導孔引鉆時產生誤差，并隨著軸向引導力的增大而增大。在鉆孔的過程中，沿鉆頭的水平方向會產生一個徑向力，這個力作用在鉆頭引導塊上，使引導塊與引導孔壁接觸，鉆孔的方向就會偏移既定方向，導致鉆出的孔過小，有的甚至比鉆頭直徑還要小。當鉆頭繼續往里走，走過引導孔，則鉆頭與引導孔間隙越來越小，鉆頭將不會產生偏移，鉆孔的孔徑趨于穩定。但是，當鉆頭與引導孔之間的間隙過小時，鉆頭容易與引導孔產生劇烈摩擦，最終產生抱轉現象，造成刀具的損壞以及零件的報廢。由此可見，引導孔與鉆頭縫隙直接影響深孔鉆頭的耐用性和鉆孔質量，也是控制內孔表面質量的關鍵因素，我們采用實測刀具尺寸，引導孔應與刀具的尺寸間隙控制在0.03mm 左右，精確引導加工過程穩定，深孔鉆削內孔表面質量提高效果顯著，經改進鏜孔加工由原來每鏜150mm 長用一刀片刃，改進為每鏜500mm 長用一刀片刃，有效地提高了深孔鉆頭、鏜刀的耐用度 ，并提高了效率，保證了深孔質量。
3.3 導塊位置的影響
長軸深孔加工過程中，導塊的位置對最終加工形狀精度有著非常重要的影響，導塊必須在其固有的軌道上運行，才能保證加工過程中鉆頭的穩定。特別是出鉆與引鉆時，在這兩個過渡狀態，鉆頭有時會很不穩定，會產生劇烈振動，使鉆頭偏離軌跡，影響鉆孔精度。我們在鉆頭體后端增設一減振塊，當鉆頭鉆孔時，鉆頭與引導孔接觸，鉆頭因所受到的作用力而失去平衡，鉆孔方向發生偏移，并產生扭轉振動，此時減振塊將起到減振的作用，并保護刀刃和提升加工孔的形狀精度。
3.4 改進深孔鉆排屑方式
由于外排屑方式在卡盤處軸向無法頂緊，油壓不夠，刀具沒有充分潤滑和充分冷卻，刀片磨損嚴重。加工中軸向尺寸在串動，影響長度尺寸。經改造深孔鉆的排屑方式，將外排屑（切屑從刀桿外部排出，切屑沿刀桿外部向后排出，切削液從鉆桿內部進入）改為內排屑（切屑從刀桿內部排出，切削液從鉆桿內部進入），自制一個轉接套，用卡盤夾緊并頂緊軸端，這樣軸向尺寸得到了控制，內排屑時對切屑的長短和形狀要加以控制，保持良好的高溫潤滑性，良好的滲透性、排屑性，使切削液能及時滲透到刀刃上，并保證切屑能順利排出。
3.5 采用合理的切削參數
鉆孔時，切削速度v =37.68m/min，進給量=24mm/r，背吃刀量ap=26.2mm ；鏜孔時，切削速度v=27.73m/min，進給量=12mm/r。
3.6 改進刀具、裝夾方式、輔助支撐增強剛性
3.6.1 刀具的選擇
深孔加工的難點在于刀具細長、剛度差、強度低，由于鏜桿較細長，其扭轉振動將直接影響加工精度、刀具耐用度和切削效率。有效地控制鏜桿振動，提高深孔加工精度。我們選用的刀具，盡可能提高刀具（包括鉆頭和鉆桿）整體的剛度，鏜刀上有導向體，有效解決了鏜桿振動問題，提高了深孔加工精度和孔壁表面質量，也可適當加大深孔鉆削時的進給量，生產效率也得到相應的提高。
3.6.2 夾緊方式的改進
在進行加工軸的外圓基準時由原來的一夾一頂方式改為兩端雙頂方式，長軸的內孔、外圓同軸度得到了改善。
3.6.3 改善長軸深孔加工系統剛性
深孔加工中因系統剛性差、強度低、切削易產生振動及波紋，影響深孔加工精度，因而輔助支承極為重要，為了增加工件的剛性，在工件中間安裝中心架，中心架支承爪與工件間隙恰當、接觸均勻，零件只能繞軸線旋轉，有效地減少了切削振動和彎曲變形。
結語
研究了深孔加工工藝優化的基本實現途徑，改進了加工方法、工藝參數，通過理論與實踐的結合摸索出加工長軸深孔的有效工藝措施，優化深孔加工工藝能夠有效地提高了深孔加工精度、提高了加工效率（長軸單件加工生產效率提高25% 左右，組件加工效率提高20% 左右）、提高零件的加工質量、提高加工效率、提高刀具耐用度減少加工成本，在長軸深孔加工方面積累了加工經驗，為長軸批產奠定了良好的基礎，對公司制造技術水平的提高和業務的發展有著重要的意義。
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