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作者：李云花 陳貽強(qiáng) 來源：《金屬加工（冷加工）》2017年第1期 小孔徑內(nèi)孔槽類零件在軍民品飛機(jī)的運(yùn)用十分廣泛，主要用于密封螺母、套筒及襯套等一系列產(chǎn)品。該類型的零件需求量大，而傳統(tǒng)的加工工藝方法，使產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性偏差、合格率偏低，產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性不好，為用戶帶來使用隱患，合格率偏低相應(yīng)會使產(chǎn)品成本提高，用戶難以接受。然而隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，為解決該難題提供了一個(gè)很好的基礎(chǔ)。本文以數(shù)控機(jī)床加工某飛機(jī)液壓管路堵塞螺栓作為加工小孔徑內(nèi)孔槽類零件典型案例，通過分析傳統(tǒng)加工工藝的方法和缺點(diǎn)，并基于起亞SKT15z全功能數(shù)控機(jī)床，給出了加工工序、加工刀具選擇及加工切削參數(shù)等工藝方法。 1.傳統(tǒng)堵塞螺栓加工工藝流程及分析 某堵塞螺栓主要用于飛機(jī)上液壓管路，主要作用是對管路密封通流，其密閉性要求較高，故該零件對內(nèi)孔及內(nèi)孔槽表面粗糙度質(zhì)量的要求也較高。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 堵塞螺栓實(shí)體 小孔徑內(nèi)孔槽的特征（見圖2、表1）為：內(nèi)孔孔徑為φ6H7，內(nèi)孔處含有兩個(gè)槽腔（槽1及槽2），槽1及槽2的尺寸分別為孔徑φ8.30+0.036 0mm、槽寬3mm和孔徑φ7+0.080mm、槽寬5mm，槽1的表面粗糙度值為Ra=0.8μm，槽2的表面粗糙度值Ra=1.6μm。 圖2 堵塞螺栓內(nèi)孔槽結(jié)構(gòu) 表1 堵塞螺桿內(nèi)孔槽特征 （1）傳統(tǒng)加工工藝流程。傳統(tǒng)小孔徑內(nèi)孔槽的加工設(shè)備主要使用數(shù)控單板機(jī)，刀具使用白鋼刀成型R刀進(jìn)行粗、精加工內(nèi)槽。加工步驟為：①粗車外圓φ17mm并制孔φ5mm，調(diào)頭光端面再進(jìn)行鏜孔φ5.9mm，并對內(nèi)槽1孔φ8.30+0.0360mm進(jìn)行加工，再調(diào)頭光端面車制外圓φ14mm、制R1mm，車制螺紋M16×1.5-6g，然后再加工槽2孔φ7+0.080mm，最后對φ6H7進(jìn)行鉸孔。實(shí)際加工中工步繁雜，產(chǎn)品的不合格率不高。具體的加工工序如下。 10車工：粗車外圓φ17mm，制孔φ5mm。 15車工：調(diào)頭光端面，鏜孔φ5.9mm，制內(nèi)槽孔φ8.30+0.036 0mm，寬3mm，R0.3mm，保證圓跳動(dòng)公差要求，如圖3所示。 圖3 第15次工序 20車工：調(diào)頭光端面，保證總長尺寸150 -0.18 mm，車外圓φ14mm、制R1mm，車制螺紋M16×1.5-6g。 25車工：以螺紋定位，加工內(nèi)槽孔φ7+0.1 0mm及槽寬5mm，如圖4所示。 圖4 第25次工序 最后進(jìn)行鉸孔φ6H7，完成加工。 （2）傳統(tǒng)加工工藝分析。傳統(tǒng)加工設(shè)備通常采用數(shù)控單板機(jī)，其加工刀位較少，加工過程中需要多次調(diào)頭加工，使得效率低；加工內(nèi)孔槽所使用刀具刀桿細(xì)長，需伸出長度大于12.3mm，加工內(nèi)槽單邊切深為1.15mm，槽底根部有兩個(gè)R（0.3±0.1）mm，切削阻力大，產(chǎn)生大量切削熱，造成刀具易磨損；同時(shí)由于內(nèi)孔徑為φ6mm比較小，加工空間較小，造成排屑比較困難，內(nèi)槽易殘留切屑，不但會導(dǎo)致劃傷孔壁，而且容易擠斷內(nèi)槽刀桿。因此傳統(tǒng)工藝流程存在加工效率低、加工質(zhì)量不穩(wěn)定的特性，也是本文新工藝方法重點(diǎn)解決的問題。 加工效率較低：內(nèi)孔及外圓尺寸需多次反復(fù)裝夾完成，每道工序都需要調(diào)頭裝夾，加工時(shí)間長，效率低且多次裝夾容易產(chǎn)生加工誤差，裝夾過程如圖5所示。 圖5 工序間裝夾過程示意圖 加工質(zhì)量不穩(wěn)定：零件內(nèi)槽孔壁尺寸相對比較復(fù)雜，對孔的尺寸公差要求和位置公差要求也高，由于是在φ6mm的小孔內(nèi)加工內(nèi)槽φ8.3mm，以及白鋼刀的磨損、振刀等原因，都會造成φ8.30+0.036 0mm尺寸超差、內(nèi)槽孔壁表面粗糙度值Ra=0.8μm達(dá)不到要求，零件合格率只有80%。 2.數(shù)控加工工藝分析 （1）加工設(shè)備的選擇。根據(jù)該零件的加工需求，選擇在起亞SKT15z全功能數(shù)控機(jī)床上，分兩道工序完成零件的加工。選擇使用全功能數(shù)控車床具有以下優(yōu)勢：①機(jī)床剛性好、精度高、穩(wěn)定性好，能保證產(chǎn)品加工的精度要求。②一次裝夾完成多道工序，數(shù)控車床共有12個(gè)刀位能依次完成車外圓、退刀槽、制外螺紋、鉆擴(kuò)孔、鏜孔及粗精車加工內(nèi)槽等工序的加工。③有良好的冷卻、潤滑作用，能降低刀具加工時(shí)產(chǎn)生的切削熱。④生產(chǎn)效率高，縮短了產(chǎn)品的加工時(shí)間，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。 （2）加工工藝流程。通過對數(shù)控設(shè)備能力的分析，由原來4道工序優(yōu)化至2道工序完成加工，優(yōu)化后工序如下。 10車工：粗車外圓并制螺紋M16×1.5-6h，制孔φ5.9H11，制內(nèi)槽φ8.30+0.036 0mm，保證R（0.3±0.1）mm及R（0.2±0.1）mm倒角，如圖6所示。 圖6 第10次工序 15車工：調(diào)頭光端面并制15°倒角，鏜孔φ6+0.012 0mm，制內(nèi)槽孔φ7+0.1 0mm、寬5mm，如圖7所示。最后進(jìn)行鉸孔φ6H7，完成加工。 圖7 第15次工序 （3）加工刀具選擇。粗加工刀具：零件的加工重點(diǎn)在于內(nèi)孔和內(nèi)孔槽的加工以及排屑問題，選擇粗加工刀具主要考慮以下方面：①刀具材料選擇，選白鋼刀做為粗加工刀具，其材料為高速鋼，其切削性能非常好，有很好的韌性和硬度。②刀具的幾何角度，白鋼刀取刀寬2.0mm，減小其徑向切削力，取前角10°～15°、副偏角1°～2°，且切削刃必須水平不能高于工件中心線，后刀面磨成圓弧面，保證與槽底無干涉，白鋼內(nèi)槽刀如圖8所示。③刀具剛性，刀頭伸出部分取決于工件要求，因?yàn)榧?xì)刀桿刀頭伸出部分越短，其剛性就愈好；反之其剛性就愈差，故刀桿取最短伸出長度為理想長度。根據(jù)加工零件深度距離L=6mm，故取伸出刀長為L=7mm （大于6mm），能保證內(nèi)槽刀具有良好的剛性和切削性能。 圖8 白鋼內(nèi)槽刀 精加工刀具選擇：選用整體硬質(zhì)合金車槽刀作為精車刀加工內(nèi)槽，如圖9所示。
圖9 硬質(zhì)合金內(nèi)槽刀 硬質(zhì)合金刀具的特性：刀具材料。硬質(zhì)合金具有很高的硬度、強(qiáng)度以及耐磨性，特別是它的高硬度和耐磨性，在高溫下仍然具有很好的切削性能。 幾何角度。其刀頭伸出部分長度為10mm，切削刃寬1.0mm，前角約3°～5°，刀寬兩邊尖角R0.1mm，刃口鋒利、切削阻力小、切削性能好，完全能滿足內(nèi)孔槽的加工尺寸公差要求。 刀桿設(shè)計(jì)。刀頭部分為嵌入式設(shè)計(jì)，可以快速安裝到刀桿，它的重復(fù)定位精度高，具有精度高、互換性好、使用方便、更換迅速的優(yōu)點(diǎn)。 （4）加工參數(shù)確定。粗加工內(nèi)孔槽及程序。加工內(nèi)孔時(shí)的步驟：①打中心孔，避免產(chǎn)生跳動(dòng)。②鉆孔φ5.5mm再擴(kuò)孔至φ5.8mm。③鏜孔至φ5.95mm，其主要作用是盡量減少內(nèi)孔加工的切削余量，使內(nèi)槽刀加工受力均勻。 粗車加工內(nèi)孔槽時(shí)，取主軸轉(zhuǎn)速900r/min、進(jìn)給量0.03mm/s，選擇每刀切削深度ap=0.4mm進(jìn)行加工，加工內(nèi)孔槽采用斷屑切削，利用切槽循環(huán)指令G75來加工每一刀，使切削出來的切屑呈較短的弧狀碎塊，而不是以前的帶卷狀，使加工切屑有足夠空間排出孔外，不至于被堵塞而擠斷內(nèi)槽刀；同時(shí)給刀具充分的冷卻，要用數(shù)控機(jī)床專用切削液對刀尖部位冷卻，主要起到充分冷卻和沖出加工碎屑的作用。 在第一刀加工完后，用指令M00暫停運(yùn)行程序，用小彎鉤及時(shí)鉤出小孔及槽底殘留的積屑，再進(jìn)行加工第二刀，同樣必須及時(shí)清理出內(nèi)槽里的積屑，使內(nèi)槽刀的切削刃不被擠壓，延長刀具使用壽命。編程如下： T0808； M3 S900； （主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速900r/min） M08； （切削液開） G00 X5.8 Z1； Z-5.8； （快速定位至5.8mm，左端面留0.2mm余量） G75 R0.2： G75 X8.10 P200 F0.03；（切槽循環(huán)指令G75） G01 Z2 F0.1； （退出工件） G00 X100 Z100 M9； M00； (程序暫停，勾出內(nèi)槽殘留切屑） M3 S900； G00 X5.8 Z1 M8； （快速定位至孔外） Z-5.0； （第二刀右端槽面留0.2mm余量） G75 R0.2； G75 X8.10 P200 F0.03； （切槽循環(huán)指令） G01 Z10 F0.1； (退出工件孔口） G00 X100 Z100； M5； … 精加工內(nèi)孔槽及程序。由于選用的刀具為整體硬質(zhì)合金材料，其刀具的切削刃寬為1mm，根據(jù)其高硬度、耐磨性的特點(diǎn)，故取較高主軸轉(zhuǎn)速s=1 800r/min，低進(jìn)給速度f=0.02mm/r進(jìn)行精車加工，由于加工余量小，加工余量只有0.2mm左右，能夠保證內(nèi)孔槽φ8.30+0.036 0mm、 R0.3mm、R0.2mm和表面粗糙度的要求。 具體程序編制如下： T1010； M3 S1800； （主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速1 800r/min） G00 X5.7 Z1 M08； G01 Z-6 F0.15； （定位至加工槽深度L=6mm） W-0.3； G01 X6 F0.05； G03 X6.6 W0.3 R0.3； （圓弧插補(bǔ)指令車制R0.2mm） G01 X8.3 R0.3 F0.02； (內(nèi)槽1底徑尺寸及R0.3mm） Z-5.5； G00 X5.7； Z-3.0； W-1； W0.3； G01 X6 F0.05； G02 X6.6 W-0.3 R0.3； （圓弧插補(bǔ)指令車制R0.2mm） G1 X8.33 R0.3 F0.02； （右槽端面底徑直徑尺寸及R0.3mm） Z-6.01 R0.2 F0.025； X5.7； （退刀至φ5.7mm） G01 Z20 F0.2； （退出工件孔口外） G00 X100 Z100； M09； M05； （主軸停止） … 最后加工內(nèi)槽2尺寸，加工步驟為車制內(nèi)螺紋心軸M16×1.5，以螺紋定位光端面，保證總長尺寸并制15°角，然后同樣用G75指令粗加工內(nèi)槽φ7mm，孔槽底徑留0.1mm余量，然后再精車內(nèi)槽φ7+0.1 0mm，保證槽2尺寸及相關(guān)尺寸至要求。 3.數(shù)控加工實(shí)際效果 為了說明該數(shù)據(jù)加工工藝的合理性、可行性及有效性，在某機(jī)械加工中心采用新的工藝方法和傳統(tǒng)工藝方法進(jìn)行同時(shí)加工一批零件，驗(yàn)證實(shí)際加工的效果。結(jié)果表明采用新方法使加工效率提高57.1%，加工工序減少50%，產(chǎn)品合格率提供到99.5%。詳細(xì)情況如表2所示。 表2 加工工藝優(yōu)化前后對比表
4.結(jié)語 傳統(tǒng)工藝方法加工小孔徑內(nèi)孔槽加工效率低、槽內(nèi)徑超差、工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，產(chǎn)品的合格率也偏低。本文以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)探討了加工該類型零件的工藝方法，通過實(shí)際加工結(jié)果表明，采用數(shù)控設(shè)備、合理選擇刀具、優(yōu)化加工工序、設(shè)定合適加工參數(shù)及數(shù)控程序，可使小孔徑內(nèi)孔槽類零件堵塞螺栓的產(chǎn)品加工質(zhì)量得到大幅提高，合格率提高到 99.5%，加工時(shí)間大大縮短，不但降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，也提高了工作效率。同時(shí)，該方法是全功能數(shù)控車上加工小孔徑內(nèi)孔槽類零件工藝方法的初探，可以作為加工各種套筒類小孔徑內(nèi)孔槽、多臺階內(nèi)孔槽、多溝槽類內(nèi)孔槽等零件工藝方法的借鑒。
“刀具”約稿函 2018年金屬加工（冷加工）雜志“刀具”欄目約稿如下： （1）刀具的先進(jìn)技術(shù)及發(fā)展趨勢。（2）刀具的先進(jìn)設(shè)計(jì)理念與制造經(jīng)驗(yàn)。（3）刀具的選型和應(yīng)用。（4）在實(shí)際加工過程中使用刀具的心得。（5）刀具使用的具體案例分析或解決方案的改進(jìn)等。 |
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