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长轴深孔加工工艺优化
2020-5-6  来源:中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司  作者:金少博 唐殿宇 李晶晶


     摘要:长轴是海下管道的关键零件之一,本文介绍了长轴深孔加工在研制过程中所遇到的技术难题,通过大量的试验研究,运用理论和实际相结合的方法,解决首件加工时间长、质量需提高的现状,经过对深孔加工的分析,找出了解决深孔加工的有效方法,解决了如下问题:(1)长轴深孔加工因系统刚性差,强度低,切削易产生振动、波纹,影响深孔加工精度,刀具耐用度和切削效率的问题;(2)在原长轴深孔加工工艺的基础上,提出了新的优化工艺路线;(3)从加工余量、加工参数、定位夹紧、刀具的选择、排屑方式等不同的角度进行了研究,提出了控制方案 。

    关键词:深孔加工;工艺路线;深孔

    深孔加工技术已在航空、航海行业获得相当广泛的应用,在航空发动机、登陆艇、潜水艇等高尖端产品上,大量的使用长轴类零件,这些零件的加工,离不开深孔加工技术,长轴深孔加工技术在机械加工中占有非常重要的地位,也是当前国内该行业关注的课题。
  
    由于长轴在舰载机,登陆艇等领域使用,场合具有特殊性,其内部主要安装电子元件,该零件对加工后深孔要求严格,在加工中如何控制内孔波纹,保证深孔加工精度,提高刀具耐用度和切削效率等问题是需要解决的难题。下面从工艺分析、加工试验及控制等方面作以阐述。
  
    1 、长轴加工工艺性分析
    
    深孔加工是机械加工中难度较大、技术含量较高、专业性较强、加工成本较高的一种孔加工技术,该深孔长轴是石油管道的关键零件之一,长径比为12 以上,精度要求高,长轴深孔生产不仅要满足市场需求,还要大幅度地提高深孔加工精度和生产效率,需要深入开展深孔加工工艺优化工作,其加工难度主要有以下几点:

   (1)深孔加工中因系统刚性差,强度低,切削易产生振动、波纹,影响深孔加工精度。
   (2)外排屑方式在卡盘处轴向无法顶紧,加工中轴向尺寸在串动,影响长度尺寸。
   (3)加工余量、加工参数、定位夹紧、刀具的选择、需要调整和重新确定,在原长轴深孔加工工艺的基础上,提出新的优化工艺路线。
  
    2、 加工工艺路线
  
    该零件原加工工艺路线:毛料(棒料)→打顶针孔→车基准→车引导孔→钻孔→扩孔→精车外圆基准→镗孔→铰孔→车外圆→车总长→车坡口→去毛刺→标印→清洗→最终检验→入库,上述主要工序在数控车床和深孔钻床上完成。在实施上述加工工序时,暴露出加工余量、加工参数、定位夹紧、刀具的选择、冷排屑方式等问题。
  
    3 、确定有效、优化的长轴深孔加工工艺方案
  
    3.1 确定优化工艺路线
  
    该零件优化加工工艺路线:毛料(棒料)→打顶针孔→车基准→车引导孔→钻孔→镗孔→车引导孔→镗孔→车外圆基准→车引导孔→镗孔→珩磨→车外圆→车总长→车坡口→去毛刺→标印→清洗→最终检验→入库。
  
    上述主要工序在数控车床和深孔钻床上完成。与原加工工艺路线比将钻孔、扩孔、镗孔、铰孔改为钻孔、镗孔、珩孔,可以用珩磨来加工,加工出来的深孔光洁度好,尺寸精度好,大大节省了加工时间,提高了加工质量。
  
    3.2 改进引导孔与钻头间隙的影响,解决切削产生的振动
  
    波纹,影响深孔加工精度及刀具耐用度为了正确引导钻头入钻,通常采用在长轴上加工出引导孔,以达到引钻作用,但是钻头会与引导孔之间产生一定的间隙,此间隙将会引起引导孔引钻时产生误差,并随着轴向引导力的增大而增大。在钻孔的过程中,沿钻头的水平方向会产生一个径向力,这个力作用在钻头引导块上,使引导块与引导孔壁接触,钻孔的方向就会偏移既定方向,导致钻出的孔过小,有的甚至比钻头直径还要小。当钻头继续往里走,走过引导孔,则钻头与引导孔间隙越来越小,钻头将不会产生偏移,钻孔的孔径趋于稳定。但是,当钻头与引导孔之间的间隙过小时,钻头容易与引导孔产生剧烈摩擦,最终产生抱转现象,造成刀具的损坏以及零件的报废。由此可见,引导孔与钻头缝隙直接影响深孔钻头的耐用性和钻孔质量,也是控制内孔表面质量的关键因素,我们采用实测刀具尺寸,引导孔应与刀具的尺寸间隙控制在0.03mm 左右,精确引导加工过程稳定,深孔钻削内孔表面质量提高效果显著,经改进镗孔加工由原来每镗150mm 长用一刀片刃,改进为每镗500mm 长用一刀片刃,有效地提高了深孔钻头、镗刀的耐用度 ,并提高了效率,保证了深孔质量。
  
    3.3 导块位置的影响
  
    长轴深孔加工过程中,导块的位置对最终加工形状精度有着非常重要的影响,导块必须在其固有的轨道上运行,才能保证加工过程中钻头的稳定。特别是出钻与引钻时,在这两个过渡状态,钻头有时会很不稳定,会产生剧烈振动,使钻头偏离轨迹,影响钻孔精度。我们在钻头体后端增设一减振块,当钻头钻孔时,钻头与引导孔接触,钻头因所受到的作用力而失去平衡,钻孔方向发生偏移,并产生扭转振动,此时减振块将起到减振的作用,并保护刀刃和提升加工孔的形状精度。
  
    3.4 改进深孔钻排屑方式
  
    由于外排屑方式在卡盘处轴向无法顶紧,油压不够,刀具没有充分润滑和充分冷却,刀片磨损严重。加工中轴向尺寸在串动,影响长度尺寸。经改造深孔钻的排屑方式,将外排屑(切屑从刀杆外部排出,切屑沿刀杆外部向后排出,切削液从钻杆内部进入)改为内排屑(切屑从刀杆内部排出,切削液从钻杆内部进入),自制一个转接套,用卡盘夹紧并顶紧轴端,这样轴向尺寸得到了控制,内排屑时对切屑的长短和形状要加以控制,保持良好的高温润滑性,良好的渗透性、排屑性,使切削液能及时渗透到刀刃上,并保证切屑能顺利排出。

    3.5 采用合理的切削参数
  
    钻孔时,切削速度v =37.68m/min,进给量=24mm/r,背吃刀量ap=26.2mm ;镗孔时,切削速度v=27.73m/min,进给量=12mm/r。
  
   3.6 改进刀具、装夹方式、辅助支撑增强刚性
  
   3.6.1 刀具的选择
  
   深孔加工的难点在于刀具细长、刚度差、强度低,由于镗杆较细长,其扭转振动将直接影响加工精度、刀具耐用度和切削效率。有效地控制镗杆振动,提高深孔加工精度。我们选用的刀具,尽可能提高刀具(包括钻头和钻杆)整体的刚度,镗刀上有导向体,有效解决了镗杆振动问题,提高了深孔加工精度和孔壁表面质量,也可适当加大深孔钻削时的进给量,生产效率也得到相应的提高。

   3.6.2 夹紧方式的改进
  
    在进行加工轴的外圆基准时由原来的一夹一顶方式改为两端双顶方式,长轴的内孔、外圆同轴度得到了改善。

   3.6.3 改善长轴深孔加工系统刚性
  
   深孔加工中因系统刚性差、强度低、切削易产生振动及波纹,影响深孔加工精度,因而辅助支承极为重要,为了增加工件的刚性,在工件中间安装中心架,中心架支承爪与工件间隙恰当、接触均匀,零件只能绕轴线旋转,有效地减少了切削振动和弯曲变形。
  
    结语
  
    研究了深孔加工工艺优化的基本实现途径,改进了加工方法、工艺参数,通过理论与实践的结合摸索出加工长轴深孔的有效工艺措施,优化深孔加工工艺能够有效地提高了深孔加工精度、提高了加工效率(长轴单件加工生产效率提高25% 左右,组件加工效率提高20% 左右)、提高零件的加工质量、提高加工效率、提高刀具耐用度减少加工成本,在长轴深孔加工方面积累了加工经验,为长轴批产奠定了良好的基础,对公司制造技术水平的提高和业务的发展有着重要的意义。
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