普通組合機(jī)床上深孔加工技術(shù)的研究
2018-12-14 來(lái)源：廣西玉柴機(jī)器股份有限公司 作者：馮基
本文提出了基于普通組合機(jī)床上加工深孔（階梯深孔）一系列加工技術(shù)，解決了加工柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋過(guò)釘孔、導(dǎo)管底孔、噴油器安裝孔等深孔（階梯深孔）位置度、孔徑難保證的難題，提高了產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。
作者：馮基 廣西玉柴機(jī)器股份有限公司三發(fā)廠技術(shù)科主任工程師，從事機(jī)加工現(xiàn)場(chǎng)工藝技術(shù)的工作已經(jīng)有20多年，對(duì)解決機(jī)加工工藝技術(shù)疑難問(wèn)題有著豐富的工作經(jīng)驗(yàn)和較深的造詣。
普通組合機(jī)床上深孔（階梯深孔）的加工是公認(rèn)的難題，其位置度（特別是出口位置度）以及孔徑精度很難保證。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)深孔加工一般采用槍鉆（或槍鉸），但是槍鉆（或槍鉸）對(duì)于小孔距的深孔（階梯深孔）的孔系由于其結(jié)構(gòu)的限制不能一次加工完成，需要采用多工位加工，因此，降低了生產(chǎn)效率，增加了加工成本。同時(shí)其對(duì)設(shè)備精度要求較高，普通組合機(jī)床不能勝任，因此投入大，不利于廣泛應(yīng)用。因此，必須突破普通組合機(jī)床上傳統(tǒng)加工技術(shù)的局限性，發(fā)展出全新的深孔（階梯深孔）加工技術(shù)。
前、后同時(shí)導(dǎo)向深孔加工技術(shù)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋過(guò)釘孔深9 6 m m ，孔徑φ 1 5 m m ，長(zhǎng)徑6.4，屬深孔，采用的加工技術(shù)為第一道工序鉆φ14mm孔，第二道工序擴(kuò)φ15mm孔。普通組合機(jī)床上傳統(tǒng)的擴(kuò)孔技術(shù)采用如圖1所示的后導(dǎo)向方式，其目的是為了修正第一道鉆孔工序的位置，但是由于擴(kuò)孔刀在開始切削時(shí)受到第一道鉆孔工序位置偏差大的影響而造成加工余量不均勻，受到不對(duì)稱的徑向力擠向余量小的方向，因此刀具開始切削就有傾斜的趨勢(shì)。隨著加工孔的深度增加，擴(kuò)孔刀的懸伸也隨之增加，其剛性變得來(lái)越差，并且開始出現(xiàn)變形彎曲，越來(lái)越傾斜。當(dāng)加工到達(dá)出口時(shí)其位置偏移達(dá)到最大。可見，傳統(tǒng)的后導(dǎo)向的擴(kuò)孔技術(shù)由于無(wú)法解決刀具的剛性問(wèn)題，因此對(duì)過(guò)釘孔位置的修正是有限的。
圖1
因此，要解決過(guò)釘孔出口位置偏的加工難題，必須解決擴(kuò)孔刀剛性差的問(wèn)題。圖2是對(duì)擴(kuò)孔專機(jī)的夾具、刀具進(jìn)行改進(jìn)，夾具上增加了前導(dǎo)向裝置（由前導(dǎo)向模板、前導(dǎo)向套等組成），擴(kuò)孔刀增加了前導(dǎo)向。加工時(shí)刀具前后導(dǎo)向分別進(jìn)入前后導(dǎo)向套定位，然后開始切削加工。由于在切削加工過(guò)程中刀具始終有前后導(dǎo)向套的支撐定位，因此其剛性得到了顯著加強(qiáng)，從而有效地克服了刀具的變形彎曲，保證了過(guò)釘孔入口、出口的位置度。為了解決排屑及掉刀問(wèn)題，將擴(kuò)孔刀設(shè)計(jì)成左旋右切（見圖3），這樣刀具自然形成的負(fù)前角可以使切屑順利地向前排出，同時(shí)左旋的螺旋槽可以使刀具在回轉(zhuǎn)時(shí)受到一個(gè)沿軸向向后的推力，防止刀具退回時(shí)被從接桿拉下來(lái)卡在工件里。
由于過(guò)釘孔是深孔，刀具的后導(dǎo)向部分必須得進(jìn)入已加工孔內(nèi)，且其長(zhǎng)度隨著加工孔深度的增加而增加，故后導(dǎo)向部分與孔壁的摩擦力越來(lái)越大，嚴(yán)重時(shí)刀具被“抱死”，甚至被扭斷，同時(shí)電動(dòng)機(jī)因?yàn)檫^(guò)載而跳閘。因此，為了減少刀具后導(dǎo)向部分與已加工孔的摩擦力，刀具后導(dǎo)向部分的直徑必須比切削部分的直徑小，優(yōu)選小0.02～0.03mm，不能小太多，否則會(huì)影響導(dǎo)向精度。同時(shí)刀具切削部分的材料要選擇耐磨性較好的合金，防止刀具磨損過(guò)多后出現(xiàn)“抱死”現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)使用驗(yàn)證， 合金YS8或YS10使用效果很好，新刀加工件數(shù)多達(dá)9 000件以上，而且可以反復(fù)刃磨利用。為了解決定位銷的定位、導(dǎo)向、排屑的問(wèn)題，如圖3所示，在定位銷上設(shè)置了排屑孔、導(dǎo)向孔及讓刀孔。其工作原理如下：前后導(dǎo)向刀具的前導(dǎo)向穿過(guò)工件的待加工孔，并進(jìn)入定位銷中心的導(dǎo)向孔,同時(shí)刀具的后導(dǎo)向也進(jìn)入夾具后導(dǎo)向模板的導(dǎo)向套，接著刀具開始對(duì)工件的待加工孔進(jìn)行切削，產(chǎn)生的切屑的一部分通過(guò)刀具前導(dǎo)向的螺旋槽排出，一部分通過(guò)定位銷法蘭的3個(gè)排屑斜孔排出。當(dāng)?shù)毒咔邢魅胁糠诌M(jìn)入定位銷避開刀具的讓刀孔時(shí)，整個(gè)加工過(guò)程完成。
圖2
圖3
前導(dǎo)向深孔加工技術(shù)柴 油 機(jī) 氣 缸 蓋 導(dǎo) 管 底 孔φ15.2mm及氣門座孔組成階梯深孔（其中導(dǎo)管底孔是深孔），為了修正上道工序加工誤差，普通組合機(jī)床上其半精加工如圖4所示采用傳統(tǒng)的鏜孔加工技術(shù)。但由于導(dǎo)管底孔鏜刀桿直徑小，懸伸長(zhǎng)（小鏜刀到氣門座孔鏜刀距離約86mm），剛性不足，加工時(shí)受力時(shí)擺動(dòng)大，因此加工的導(dǎo)管底孔孔徑有錐度，直線度、位置度、垂直度等變動(dòng)大。特別是與氣門座孔不同軸，經(jīng)常因?yàn)檫@些問(wèn)題影響精加工工序精鉸導(dǎo)管底孔的精度，如鉸不出，位置度、垂直度、特別是同軸度差等。
圖4
為了有效解決上述問(wèn)題，必須將φ15.2mm導(dǎo)管底孔的鏜刀桿的剛性加強(qiáng)，因此，如圖5所示，改進(jìn)了模板及鏜刀桿。為了降低鏜刀桿的制造難度、制造費(fèi)用，將其設(shè)計(jì)成組合裝配式，即將其設(shè)計(jì)成加工細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)管底孔部分的前導(dǎo)向鏜刀桿及加工較大氣門座孔部分的氣門座孔鏜刀桿，然后將前導(dǎo)向鏜刀桿安裝到氣門座孔鏜刀桿上，兩者采用H6/h5配合聯(lián)接，并用夾緊螺釘壓緊前導(dǎo)向鏜刀桿的斜面。一方面可以傳遞轉(zhuǎn)矩，一方面產(chǎn)生的軸向分力可以使它們的端面緊密貼合，保證裝配后它們的同軸度及剛性；為了提高前導(dǎo)向鏜刀桿抗疲勞強(qiáng)度，將安裝小鏜刀的安裝槽設(shè)計(jì)成圓形；為了解決小鏜刀的緊固和定位問(wèn)題，采用了通過(guò)螺釘壓分段頂桿去壓小鏜刀的扁位實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也解決了細(xì)長(zhǎng)螺釘加工困難的問(wèn)題；為了減少前導(dǎo)向鏜刀桿與導(dǎo)向套的摩擦力，在前導(dǎo)向鏜刀桿上加工出四條15°螺旋槽，形成四條寬度為4～5mm圓柱導(dǎo)向帶。進(jìn)行加工時(shí)，前導(dǎo)向鏜刀桿導(dǎo)向部分部首先進(jìn)入導(dǎo)向套，然后開始加工細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)管底孔，加工完細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)管底孔后，接著加工較大氣門座孔。由于鏜刀在整個(gè)加工過(guò)程中（包括細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)管底孔、較大的氣門座孔加工）前導(dǎo)向鏜刀桿都有前導(dǎo)向套的定位導(dǎo)向，因此鏜刀桿特別是細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)管底孔前導(dǎo)向鏜刀桿的剛性得到顯著增強(qiáng)，從而根本上解決了加工細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)管底孔因鏜刀桿直徑小、懸伸長(zhǎng)剛性不足所引起的擺動(dòng)，進(jìn)而解決了加工細(xì)長(zhǎng)導(dǎo)管底孔孔徑有錐度，直線度、位置度、垂直度變動(dòng)大，及其與較大氣門座孔不同軸等加工難題。
圖5
先后導(dǎo)向，然后前、后導(dǎo)向深孔加工技術(shù) 如 圖 6 所 示 ， 柴 油 機(jī) 氣 缸 φ25mm×φ12mm×φ9.3mm噴油器孔是階梯深孔（其中φ12mm、φ9.3mm是深孔），上部φ25mm
孔與下部φ25mm之間是空腔，其軸線與氣缸蓋底面成67°夾角，普通組合機(jī)床上傳統(tǒng)的精加工技術(shù)采用如圖7所示的后導(dǎo)式復(fù)合精鉸。由于是階梯斜孔，加工時(shí)極易偏移，φ25mm孔中間的空腔降低了刀具在φ25mm孔內(nèi)的自導(dǎo)作用，刀具φ9.3mm部分懸伸長(zhǎng)（切削刃端面到導(dǎo)向套端面約90 mm），剛性不足、擺動(dòng)大，因此φ9.3mm噴油器孔出口軸線與底面交點(diǎn)到定位孔的尺寸（83±0.1）mm很難保證，長(zhǎng)期以來(lái)該尺寸都無(wú)法得到了有效控制，而該尺寸卻是噴油器孔的關(guān)鍵尺寸，其加工的好壞直接影響噴油器安裝的配合精度及位置精度，從而影響整機(jī)的性能和可靠性。
圖6
圖7
針對(duì)上述階梯噴油器孔精加工技術(shù)的缺陷，開發(fā)出了一種全新新的精加工技術(shù)，具體為，本技術(shù)采用前后導(dǎo)向型復(fù)合鉸刀分兩步進(jìn)行精加工，加工上部φ25mm孔（見圖6）時(shí)，如圖8所示，由于上部φ 25m m孔靠近后導(dǎo)向套，前后導(dǎo)向型復(fù)合鉸刀的導(dǎo)向精度高、剛性好，首先保證上部φ25孔的位置精度；加工下部φ25mm、φ12mm、φ9.3mm孔時(shí)，前后導(dǎo)型復(fù)合鉸刀的前導(dǎo)向段已經(jīng)伸入前導(dǎo)向套，此時(shí)，前后導(dǎo)向型復(fù)合鉸刀不僅有后導(dǎo)向套的定位，而且有靠近下部孔的前導(dǎo)向套定位，刀具的剛性得到了加強(qiáng)，提高了定位精度，因此，保證了下部孔的位置精度。
結(jié)語(yǔ)
組合機(jī)床上深孔加工技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用成果適用于機(jī)加工行業(yè)深孔（階梯深孔）的加工，解決深孔（階梯深孔）加工位置度、孔徑等難保證的難題，提高了產(chǎn)品的加工質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，產(chǎn)生了巨大的直接、間接的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益，在機(jī)加工行業(yè)有著廣泛的推廣價(jià)值。
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