利用車床鉆削小孔的工藝研究
2021-11-16 來源： 中國空空導彈研究院 作者：翟建偉
摘要：以實際加工案例為基礎，對車削加工中鉆削 準1.5 mm 小孔的加工工藝進行分析，找出鉆削過程中影響加工質量和加工效率的主要因素，并根據案例中的加工經驗，提出了一種對鉆頭改進的方法，為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。
關鍵詞：機械加工；車削；小孔
0 前言
在航空產品中，結構重量是衡量產品性能的一個非常重要的指標。為了提高產品的指標，設計人員在設計產品時，在滿足其他性能指標的前提下，會盡可能的壓縮結構尺寸以追求更輕的產品。壓縮結構尺寸可以有效地減輕結構重量，但帶來的問題就是產品零件變小，更小的零件意味著零件上各種特征的尺寸也會變得更小，對于傳統機械加工來說，尺寸過大或過小的零件特征都是加工中的難點。
在零件的各種特征中，孔是較難加工的一種。由于孔本身的特殊結構，在加工中存在排屑不暢、冷卻潤滑不及時等各種問題，容易在加工中出現孔內壁糙度差、孔軸線直線度差、孔橫截面圓度差、孔直徑尺寸精度差，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發點，尤其是對于長徑比比較大的孔，加工難度較一般孔更大。
由于產品的各種限制，實際設計出的零件往往是上面兩種加工難點的疊加，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。但這些加工方法均存在加工效率低和加工成本高的問題，傳統的機械加工雖然沒有新方法的加工能力強，無法完成許多有極端要求的特征的加工，但在加工成本和加工效率方面相比較于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的潛力，拓展傳統機械加工的適用范圍，就可以完成一些要求比較苛刻的零件的加工，為零件生產降低加工成本和提高加工效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，其最大的優點就是加工回轉體時圓度特別好，因此很適合加工孔或軸等回轉體特征。本文以實際加工案例為范例，討論了如何使用車削加工完成長徑比為 12.3的 準1.5 mm 小孔的加工，并據此探討在加工大長徑比的小孔時需注意的事項以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 零件結構示意圖
從圖 1 中可以看出，該零件為接頭類零件，中間有貫穿孔用于工作時介質流動。由于零件尺寸很小，因此零件上各特征的結構尺寸也很小。零件材料為17-4PH，材料出廠時進行過熱處理，材料硬度在HRC40 左右。由于該零件從結構上并不是回轉體，適合在數控銑床上進行加工，因此主要特征均是在數控銑床上完成的加工。但由于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上完成。而零件的裝夾則是通過設計專用鑲嵌式夾具來完成裝夾（關于夾具的設計這里就不在詳細說明）。
所需加工孔孔直徑均為 準1.5 mm，其中一個較淺的孔深度為 18.5 mm，長徑比為 12.3；另外一個孔要求和這個孔貫穿，因此深度至少要達到 22.5 mm，即長徑比至少為 15。
長徑比值大的孔在加工時可以選擇從兩端向中間對向加工以變相的減小孔的長徑比值。但這個零件上的孔是盲孔，因此加工時必須從孔口加工，這就對加工工藝提出了較高的要求，在面對批量生產的情況時，使用普通的加工工藝無法完成零件的穩定加工，需要對加工工藝進行改進。
1.1 排屑問題
排屑是機械加工中的一個重要問題，及時排出切屑，可以方便刀具繼續對零件材料進行切削，提高加工效率。機械加工行業經過長期發展，絕大部分加工過程，如車、銑、刨等，無論是刀具的排屑槽，還是機床斷屑器，加工過程中都有了比較完善的排屑措施，日常加工中基本可以不用單獨考慮排屑的問題。但在此次孔的加工過程中，排屑不暢的問題非常嚴重。主要原因是鉆孔加工與其他加工，如和車削外圓相比最大的不同，就是孔的直徑限制了刀具的尺寸。對于該孔的加工，使用鉆頭的直徑只能選擇準1.5 mm。鉆頭直徑限制了鉆頭上的排屑槽深度很小，再加上鉆頭鉆孔過程中鉆頭和孔內壁緊密貼合，鉆進過程中產生的切屑必須完全依靠排屑槽排出，如果孔內的切屑不能及時排出，不僅影響鉆進效率，嚴重時還會發生孔內事故。主要是因為由于鉆頭直徑太小，導致鉆頭的強度小、剛性差，加工過程中產生的切屑如果不能及時排出，切屑夾在鉆頭和零件之間，會對鉆頭產生擠壓，由于鉆頭剛性差的原因，稍微對鉆頭產生的擠壓就會造成鉆頭折斷，輕則造成鉆頭報廢，重則會使斷掉的鉆頭與零件“咬死”而造成零件報廢。
機械加工過程中，切削液的沖洗對排屑也起了非常大的用處。但在該加工過程中，切削液也無法有效沖洗到加工面。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，切削液的沖洗有兩個作用，一是對加工刀具和材料進行降溫，二是沖走加工后產生的切屑。一般條件下，機械加工過程中會使用盡可能大流量的切削液對加工部位進行直接沖洗，但在該零件加工鉆孔過程中，切削液無法有效沖洗到加工部位。主要原因是因為孔的直徑很小，鉆頭直徑也很小，該尺寸的鉆頭沒有中央出水的類型，而在加工過程中鉆頭緊密貼合孔內壁，因此切削液要進入加工部位必須通過排屑槽進入。但由于鉆頭直徑太小，鉆頭上的排屑槽深度也很淺，導致冷卻液很難進入小孔內部，無法實時對切削刃進行冷卻，容易造成切削刃升溫過快造成鉆頭刀刃磨損甚至燒毀鉆頭。
1.3 鉆頭強度問題
鉆頭的結構為細長型，長徑比很大，所以鉆頭的強度一般都不高，并且在實際使用過程中強度會隨著刀具伸出長度的增加而進一步下降，鉆削加工又屬于切削力較大的加工方式，所以在加工前選擇鉆頭時要特別注意鉆頭強度是否能夠滿足加工要求。
鉆頭的強度和鉆頭的直徑正相關，小鉆頭直徑小，并且鉆頭上還有排屑槽，會使鉆頭的強度進一步降低，使鉆頭在加工過程中無法承受較大的切削力或其他沖擊力，如果使用不當，比如鉆孔過程中進給速度過快，很容易在加工過程中發生鉆頭折斷的情況。
1.4 精度問題
在車床上鉆削小孔的過程中，零件軸線和鉆頭軸線的同軸度對加工的影響很大，如果因為精度的原因，造成零件軸線和鉆頭軸線不在同一條線上，加工過程中鉆頭會承受很大的徑向力，尤其是鉆頭剛鉆入時，此時不同軸會造成鉆頭接觸零件不均勻，會給鉆頭施加很大的徑向力，而此時鉆頭懸空長度是最長的，也就意味著此時鉆頭的結構強度是最弱的，這也成為鉆孔時鉆頭折斷的高發點。
2、 改進方法與措施
2.1 多退刀，勤排屑
切屑對加工過程影響很大，由于鉆頭直徑小，鉆頭上的排屑槽也很淺，排屑能力弱，如果光靠排屑槽進行排屑無法滿足穩定加工的要求，加工過程中必須通過退刀的方式，使鉆頭完全退出孔以徹底排出切屑。數控車床可以通過編制數控加工程序對加工過程進行精確控制，以哈挺數控車床為例（數控系統為 FANUC），控制系統中內置了一種點鉆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（），在鉆孔程序中使用該語句進行加工，機床就可以每次步進一定深度后自動退出刀具進行排屑[1]。
需要注意的是，由于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，實際過程是切削產生的切屑被儲存在鉆頭前段的排屑槽內，等鉆頭退出孔時再完全排出孔外。由于排屑槽儲存切屑能力有限，所以每次步進的深度不能過深，否則產生的切屑過多，排屑槽無法儲存，多余的切屑就會堆積在孔底或孔壁處，對加工過程造成影響，退刀排屑的意義就失去了。但步進深度也不宜過小，否則進退刀次數過多，會嚴重降低加工效率，從加工經驗得到的參考值每次步進深度均保持在 0.5 mm 左右為宜，鉆孔時進給速度也不易過快，但可提高退刀的進給速度以保證整體加工效率。
2.2 改造鉆頭，增強強度
在批量加工零件的過程中，單純采取退刀的措施并不能完全解決鉆頭折斷的問題，為保證鉆頭的強度，此次加工過程中在普通鉆頭結構的基礎上進行了修改，制作了專用鉆頭用于孔的加工。改進后的鉆頭結構示意圖如圖 2 所示。
圖 2 鉆頭結構示意圖
鉆頭制造原料的選擇上可以選用與孔直徑一樣的高速鋼或硬質合金棒，在需要鉆孔的深度范圍內將鉆頭磨扁，一般 H 值可選擇在 0.1 ~ 0.2 mm 之間，這樣的結構取消了排屑槽，極大地增強了鉆頭的強度，同時磨扁的部分也可以兼顧排屑的功能，前端切削刃的刃磨與普通鉆頭保持相同結構即可。經實際加工測試，按此方法改進制作的鉆頭比普通商用鉆頭強度更高，在相同的切削參數、排屑情況和冷卻條件下，不但加工出的零件質量更好，而且能避免折斷鉆頭，保證了整批零件加工的順利進行，提高了整批零件的加工效率。
從改制鉆頭的結構示意圖上看，鉆頭應該只滿足深度 18.5 mm 孔的加工需求，加工另一個孔則面臨長度不足的問題。需要強調的是，零件中貫穿的兩個孔，在加工順序上必須嚴格分先后，深度為18.5mm 的孔先加工，然后再加工另一個孔。這是由于兩孔相互貫穿，在加工第二個孔時，很難保證孔的軸線和第一個孔軸線相交，因此鉆頭在鉆破第一個孔時有可能存在鉆頭受力不均衡問題而導致鉆頭折斷。為避免該問題，在加工時鉆頭僅鉆入 19 mm 就不再繼續鉆進，最后的 3 mm 改用 1.5 mm 銑刀進行加工，即將 1.5 mm 銑刀裝夾在刀盤上，利用銑刀完成最后兩孔鉆透的加工過程，由于銑刀強度較高且銑刀側齒可用于切削，因此可有效避免折斷情況的發生。
2.3 檢查中心軸線是否重合
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，這些誤差累計起來會造成零件與刀具的裝夾誤差，這誤差會對零件加工造成影響，因此加工前必須檢查校正。
檢查裝夾精度時，必須檢查在零件和鉆頭裝夾好的情況下，鉆頭軸線和零件軸線是否重合，本次加工過程中使用的是一種比較簡單的檢查方法[2]：第一步用磁吸式固定器將千分表固定在機床刀盤上，千分表表頭接觸零件外圓表面，然后沿機床 X 軸方向前后移動刀盤，觀察千分表數值變化，要求要將零件調整到千分表數值變化不超過 0.02 mm，這樣的檢測要在零件圓周上選擇均布的三條線進行測量，三條線的測試都合格才算合格。第二步，使千分表表頭接觸零件外圓，用手搬動機床主軸，使零件按機床 A 軸
旋轉，觀察旋轉過程中千分表數值變化，同第一步一樣，變化范圍不超過 0.02 mm 才算合格。如果發現誤差過大，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、最后機床；如果對零件和夾具的調整都無法修正誤差，而在對機床進行調整后依然無法達到加工要求，則說明機床精度以無法滿足加工要求，必須更換機床進行加工，否則將無法保證加工效果。
3、加工結果驗證
通過數據對比來驗證了改進方法和措施的有效性，改進前后兩種工藝方案的加工結果如表 1 所示。
表 1 加工結果對照表
從表 1 的數據可以得到質量對比的折線圖如圖3 所示。
圖 3 質量數據對比圖
從圖 3 中可以很清晰地看出，雖然沒有定量的計算，但改進后的工藝方案的有效性還是非常明顯的，零件質量有非常大的改善，證明了改進方法和措施解決了孔加工過程中存在的問題。
4、 結束語
本文提出了一種對鉆頭改進利用車床鉆削小孔方法，為小孔加工提供了解決方案。對類似的小孔加工本文中的工藝方案可以借鑒，但需要根據具體的情況不同采取的對應措施，不能照搬，但在制定工藝方案時，一些共同點必須要考慮：
（1）要加強退刀排屑，不能簡單依靠鉆頭的排屑槽排屑；
（2）商用鉆頭不一定滿足所有加工工藝方案的要求，要根據具體情況考慮自制鉆頭；
（3）要對零件裝夾后的位置精度進行測量并調整，否則會影響零件的加工。
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