一種小型叉形接頭的精密加工技術
2017-12-26 來源：天津航天長征火箭制造 北華航天工業學院 作者：葛佳 崔鑫 謝成雨 范大偉 楊昊
摘 要：針對小型叉形接頭結構尺寸較小，在加工過程中存在小直徑深孔難加工、形位公差難保證、微小結構難裝夾等難題，通過設計一套集定位、裝夾、鉆模為一體的組合鉆模，改進鉆頭結構，既實現了產品可靠裝夾，又保證了產品加工精度，加工效率大大提升。
關鍵詞: 深孔加工 小孔加工 裝夾定位 組合鉆模
隨著航空航天技術的發展， 越來越多的精密零件趨于小型化，零件常采用微孔、深孔等結構，微孔、深孔的精密加工是機械加工領域的難點之一。
筆者通過研究小型叉形接頭的精密加工工藝，設計了一套集定位、裝夾、鉆模為一體的組合鉆模，解決了叉形接頭小直徑深孔加工的難題，為同類型小型工件的加工裝夾、小直徑深孔加工提供了加工經驗。
1 、加工現狀
1.1 產品結構分析
叉形接頭結構如圖 1 所示。
圖 1 叉形接頭產品結構
可看出叉形接頭屬于小直徑深孔零件， 孔徑 2 mm， 深 21 mm， 長徑比達10.5。由于外圓直徑為 3.8 mm，壁厚不足 1 mm，屬于薄壁零件。 此外， 要求內孔相對外圓的同軸度為 準0.1mm，2-準2.4 孔 相對外圓軸心線對稱度為 0.16 mm，叉形槽相對外圓軸心線對稱度為 0.1 mm。零件材料為 45號鋼。
1.2 加工存在的問題
1.2.1 裝夾困難
叉形接頭在加工 準2.4 mm 孔和叉形槽時， 需以準3.8 mm 外圓軸心線為基準來保證對稱度公差要求 。但是叉形接頭結構尺寸小，無有效夾持點，小端壁厚不足 1 mm，剛性差，容易造成裝夾變形，加工裝夾困難。
1.2.2 孔徑小
機械加工中將孔徑小于 3 mm 的孔稱為小孔。 叉形接頭鉆 準2 mm 孔時由于麻花鉆鉆芯厚度小，強度不夠，螺旋槽窄，不易排屑，鉆頭易折斷［1］。
為了保證有效的切削速度，鉆孔時采用較高的轉速，切削產生的溫度很高，加劇了鉆頭的磨損。 另外，由于麻花鉆鉆芯厚度小，剛性差，容易彎曲導致鉆頭傾斜，產品報廢。
1.2.3 深孔
機械加工中將長徑比大于 5 的孔稱為深孔， 叉形接頭的長徑比為 10.5，在鉆孔過程中，由于鉆頭細長，剛性差，冷卻困難，排屑不暢，切削熱不易散出［4］。
綜合上述加工問題， 為了保證叉形接頭 準2.4 mm孔和叉形槽對稱度精度，需以 準3.8 mm 外圓軸心線為基準裝夾。 因此裝夾要求定位準確，裝夾可靠，同時要提高叉形接頭的結構強度，避免裝夾變形。
另外應提高鉆孔所用細長鉆頭的剛性，改善排屑情況。
2 、加工方案
2.1 裝夾方案
叉形接頭加工裝夾時主要考慮以 準3.8 mm 外為裝夾基準，提高產品結構剛性，避免裝夾變形。
筆者設計了一套集定位、裝夾、鉆模為一體的組合鉆模，用于叉形接頭加工裝夾，便于鉆孔，保證加工精度。先對工件進行粗加工、半精加工。在數控精密車銑復合機床（高精密微型軸類零件一次車銑加工成形）上車 準3.8 mm 外圓、大端外圓至設計尺寸，在同一次裝夾中鉆 準2 mm 孔，以保證同軸度要求。 由于在機床上鉆孔過程不可控，加工過程排屑不暢，鉆頭剛性差，易發生鉆偏或鉆頭折斷，因此在機床上鉆 準2 mm 孔時， 只鉆 6～7 mm 深的底孔。
最后在同一次裝夾中銑大端兩側平面， 以保證平面與軸心線的平行。 加工后的叉形接頭半成品如圖 2 所示。
圖2 叉形接頭半成品工件
筆者設計的組合鉆模由底座、鉆模蓋板、緊固螺釘組成，結構如圖 3 所示。
圖 3 叉形接頭組合鉆模
底座設計有 準3.8 mm 孔，用于裝夾找正叉形接頭 準3.8 mm 外圓； 設計有圓弧平底槽，用于裝夾找正叉形接頭的扁頭。鉆模蓋板也設計有圓弧平底槽， 用于裝夾找正叉形接頭的扁頭； 設計有準2.4 mm 鉆模孔及耐磨鉆套， 用于加工叉形接頭扁頭平面的 準2.4 mm 孔［5］。將叉形接頭半成品工件裝夾在底座中， 以 準3.8mm 孔定位并找正叉形接頭準3.8 mm 外 圓柱面 ， 以圓弧平底槽限制叉形接頭扁頭的旋轉自由度。 將鉆模蓋板安裝在底座上， 使鉆模蓋板圓弧平底槽與叉形接頭扁頭緊密接觸，鉆模蓋板后板頂住叉形接頭端面，如圖4 所示，最后用螺釘將底座和鉆模蓋板連接緊固。
圖 4 組合鉆模裝夾原理
由于叉形接頭各面與底座、鉆模蓋板緊密接觸，其裝夾狀態穩定可靠。
2.2 鉆孔方案
用螺釘將底座和鉆模蓋板連接緊固后， 叉形接頭工件在組合鉆模內得到完全約束。 用虎鉗裝夾組合鉆模的側面，找正 準2.4 mm 鉆模孔后，以鉆套作為導向，在搖臂鉆床上鉆 準2.4 mm 孔。 鉆孔過程中需不斷退出鉆頭，便于切屑的排出。 退出鉆頭的同時及時添加切削液，降低鉆頭及切削區域的溫度［6］。
在加工叉形接頭小端 準2 mm 孔時，同樣使用該組合鉆模裝夾。用虎鉗裝夾組合鉆模側面， 找正工件上已加工的 準2mm 底 孔 ，以 準2 mm 底 孔為導向 ，在搖臂鉆床上鉆 準2 mm 孔，如圖 5 所示。
圖 5 叉形接頭鉆孔過程
鉆孔過程中為排出切屑， 需不斷退出鉆頭排屑。退出鉆頭的同時及時添加切削液，降低鉆頭及切削區域的溫度。縱向進給時要注意手勁及感覺，鉆頭彈跳時，應使它有一個緩范圍，以防鉆頭折斷。鉆小直徑孔時常采用整體式扁鉆。由于扁鉆無螺旋槽， 除刀頭切削部分外，刀體為整體圓柱。 與麻花鉆相比，整體式扁鉆結構剛性好，鉆孔時鉆頭彎曲較小，另外整體式扁鉆的鉆尖對稱性較好。但是整體式扁鉆無螺旋槽，負前角大，導致鉆削時切削力大，切屑難排出，切削液難進入切削區域進行降溫， 因此整體式扁鉆不適于加長徑比大的微小孔［7］。 麻花鉆具有螺旋槽及正前角，切屑易排出，切削液易進入切削區域進行降溫。
但是小直徑麻花鉆由于鉆芯厚度小，鉆頭剛性差，鉆孔時鉆頭易發生彎曲。為提高麻花鉆剛性，選用鉆芯厚度大、切削刃對稱的鉆頭。 但是隨著鉆芯厚度的增大，鉆頭橫刃加長，鉆孔時走刀抗力增大。在使用前應修磨麻花鉆，縮短橫刃長度，加大后角，增大鉆頭頂角，使橫刃產生的切屑變少且變長［8］。
另外需在麻花鉆兩個主切削刃的后刀面磨出分屑槽， 通過分屑減小切屑形成過程的塑性變形和切屑卷曲程度，減小切屑與鉆頭、孔壁的摩擦，便于切屑的順利排出［9］。
上述加工完成后，在叉形接頭 準2 mm 孔中插入芯軸，在數控精密車銑復合機床上裝夾 準3.8 mm 外圓并找正，以 準3.8 mm 外圓軸心線為基準銑叉形槽。 最后銑叉形接頭扁頭 R6 mm 圓頭，完成叉形接頭成品零件加工。
2.3 加工效果
組合鉆模的使用， 使叉形接頭在加工中裝夾穩定可靠， 各自由度完全約束。 裝夾以叉形接頭 準3.8 mm外圓柱面作為裝夾基準，與設計基準重合，保證了加工后 準2.4 mm 孔的對稱度和 準2 mm 孔的同軸度。
裝夾中叉形接頭與組合鉆模各面緊密貼合，裝配精度高，增強了叉形接頭的產品剛性， 避免了其在加工過程中產生的裝夾變形，使加工更加簡單易行。通過改進鉆頭刃磨，完善鉆孔工藝，使鉆孔過程更加穩定，鉆頭剛性得到提升，排屑順暢，鉆頭使用壽命得到有效延長。采用上述加工技術后，叉形接頭各結構尺寸、形位公差滿足使用要求，產品合格率達 100%。
3 、總結
筆者通過設計一套組合鉆模，改進鉆頭結構，實現了小型叉形接頭的可靠裝夾， 解決了叉形接頭小直徑深孔的加工難題，改善了小直徑深孔鉆削的排屑效果，保證了產品的形位公差，取得了預期的加工效果，為同類型小型工件加工裝夾、 小直徑深孔加工提供了加工經驗。
如果在小直徑深孔加工中結合振動鉆削技術、內排屑鉆頭、噴吸鉆、槍鉆［10］等先進技術，加工效果將得到進一步提升。
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