铣镗床加工高精度小批量深孔的工艺方法

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编者按

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在工作中遇到了阶梯状深孔加工的难题，经过查询资料，筛选出了几种常见的深孔加工工艺方法，经过对比分析，选取最优方法进行特殊刀具设计，并应用于实际产品制造，从而实现了高精度、小批量的深孔稳定加工，为广大读者提供了一种解决此类问题的思路及措施。

图1所示为深孔结构，深孔始端直径为15.97mm，深258mm，深孔末端直径为6mm，深15mm，两孔间通过120°倒角过渡。

图1　深孔结构

深孔位于管道外壁焊接的小接管上，管道尺寸较大且形状为圆弧形，使用中大型铣镗床加工是最合理的选择。管道与小接管材料均为304不锈钢。

3.1 不锈钢材料难切削

由于不锈钢在切削时塑性变形大，产生的切屑不易折断、易粘结，所以在实际加工中，不锈钢切削往往伴随着粘刀现象，导致刀具锋利度降低，切削力变大，进而导致切削温度升高，且不锈钢材料的导热系数较小，散热条件差，大量的切削热集中在刀具与工件之间，导致刀具磨损加剧，刀具前刀面易产生月牙洼磨损，切削刃产生缺口，影响已加工表面的表面质量^[1]。

针对不锈钢的切削特点，结合生产实际，从刀具材料、切削参数及冷却方式三方面入手，找到提高不锈钢加工质量的方法。

3.2 孔直径小、长径比大加工难题

深孔加工一直是机械加工中的难题，随着时间的发展，加工方式不断更新，从简单的麻花钻钻孔发展到如今的BTA（见图2）、枪钻（见图3）、铣镗用深孔钻（见图4）以及特种刀具加工钻等多种方式。结合本文涉及到的工况，分析了这4种深孔加工的优缺点，见表1。

图2 BTA原理示意

图3　枪钻原理示意

图4　铣镗用深孔钻结构示意

表1 4种深孔加工的优缺点

根据以上加工方式与该工件的工况，选择铣镗用深孔钻或特种刀具加工钻的方式进行试验，需满足孔的尺寸精度不超过±0.1mm，表面粗糙度值Ra≤3.2μm的要求。

铣镗用深孔钻在试验过程中用两种刀具进行试验，试验过程中调整了切削参数，但试验件加工孔的表面粗糙度值未达到Ra≤3.2μm的要求，同时伴有局部超差情况。由此可见，铣镗用深孔钻在实际加工中存在表面粗糙度不合格及局部尺寸超差的情况，风险较大^[2]。

特殊刀具加工钻的试验件中，在不考虑加工时间的情况下，能够有效控制孔的尺寸公差，同时保证表面粗糙度，传统的钻→扩→铰的方式能更好地控制孔径尺寸，手工铰孔也降低孔内壁的表面粗糙

度值^[3]。

3.3 异型孔加工存在难度

因工件中存在变径尺寸，现有成形刀具中很少有加工异形孔的刀具，故需利用专用刀具加工120°倒角及φ6mm孔。

4.1 工艺方法

根据零件材料性质、深孔加工精度和技术要求，选择相应的加工方法和刀具。同时，根据零件特征，选择便于装夹、加工和易保证尺寸精度的面作为定位基准面。当加工精度较高时，还需合理划分粗加工、半精加工、精加工和光整加工的加工方式，并安排热处理、表面处理等辅助工序，确定合理的进给量和加工余量^[4]。

根据以上分析，结合现有铣镗床加工设备，选择数控龙门铣床加工，利用百分表打表的方式确定工件水平和垂直的数值是否符合加工要求，再利用角度铣头和特殊点位法复检接管位置，微调后进行装夹，选择钻→镗→扩→铰的方式进行加工。

4.2 刀具选择

根据接管情况选择φ10mm 标准刀具和φ12mmm、φ15mm钻头，φ12mm、φ15mm镗刀，φ15.67mm、φ15.77mm扩孔钻，φ15.89mm铰刀，φ5.8mm特长钻头和φ6mm特长铰刀等非标刀具。根据特定要求进行制造，特殊刀具实物如图5所示。

图5　特殊刀具

φ12mm、φ15mm钻头均为进口麻花钻，进口麻花钻实物如图6所示。

图6　进口麻花钻

φ15.67mm和φ15.77mm的扩孔钻，材质为高速钢，钻头直径为φ15.67mm、φ15.77mm，采用后排屑方式，有4个螺旋刃，刃带宽0.15mm，刃长80mm，前角14°。φ15.77mm扩孔钻实物如图7所示。

图7 φ15.77mm扩孔钻

φ15.89mm手用铰刀材质为高速钢，φ15.89mm钻头，前角3°～5°，后角14°，刃带宽0.2mm，铰刀刃长50mm，φ15.89mm铰刀实物如图8所示。

图8 φ 15.89mm铰刀

双刃120°钻头需要安装铜套，保证铜套与孔之间的间隙。钻尖角度为120°，钻头直径为φ15.97mm，120°双刃钻头实物如图9所示。

图9 120°双刃钻头

图10所示为φ5.8mm特长钻头，需要φ15.97mm的铜套，钻尖为φ5.8mm，刃倾角为118°。

图10 φ5.8mm特长钻头

φ6mm特长铰刀，需要φ15.97mm的铜套，钻尖φ6mm，6个刃均采用前排屑方式，φ6mm特长铰刀实物如图11所示。

图11 φ6mm特长铰刀

刀具尺寸的选用，考虑铰孔扩大量，用φ15mm钻头钻完后采用两刀扩，目的是修正钻孔直线度，3次扩孔的尺寸分别为：15.67mm、15.77mm和15.89mm。第1次扩孔时直径增大0.05～0.1mm，第2次扩孔时直径增大0.03～0.05mm。铰孔时直径增大0.01～0.02mm。刀具材质选用M42高速钢。

以上刀具参数的选择同时考虑了加工不锈钢工件的刀具角度及长度。

4.3 确定参数及工艺流程

工艺方法选择钻→扩→铰的传统方法。预开孔的大小为φ10mm，镗孔至φ12mm、深度50mm，将此次加工孔作为扩孔钻的引导孔，再扩孔加工至φ 15.67mm，此时余量为0.2mm，手工铰孔至更稳定尺寸，提高表面质量^[5]。

选择此种工艺流程可以控制孔的直线度，同时保证尺寸精度。

工艺方案如下所述。

1）钻φ10mm孔，深度50mm。

2）镗孔至φ12mm，长度50mm。

3）钻孔至φ12mm，推荐参数：转速n=70r/min，进给量f=0.09～0.11mm/r，进给速度v_f=420～560mm/min。

4）镗孔至φ15.67mm，长度50mm。

5）扩孔至φ15.67mm，推荐参数：转速n=70r/min，进给量f=0.09～0.11mm/r。

6）镗孔至（φ15.77+0.02）mm，长度50mm。

7）扩孔至φ15.77mm，推荐参数：转速n=70r/min，进给量f=0.09～0.11mm/r。

8）镗孔至φ15.89mm，长度80mm。

9）钳工配合手工铰刀，配上润滑油。由于铰刀的总刃长为80mm，长度较长，需打磨去除后端30mm刃长，径向深度选择2mm，圆滑过渡。

10）手工铰孔时采用1.5°切削锥铰刀，再用120°倒角铰刀进行孔底末端铰削，将铰刀刃长改短至50mm长，每1mm一进、每半圈一进。

11）手工铰孔时不得反转，退出时要注意尽量不倒屑，减小进给次数，争取一次铰孔到位，不允许中途退刀再次铰削。如遇卡顿，应反转少许后再次正转。

12）初始孔的椭圆度约0.1mm，最大处达到了15.94mm，铰孔过程中较费劲，在孔内还会阻碍刀具加工，减小铰刀刃长、加大顶紧力后方可解决。

13）利用机床顶尖配合手工铰孔，随着顶尖1mm的步进进给铰削。必须跟紧，否则容易发生偏斜。

14）手工铰削时先采用1.5°切削锥铰刀切削，再采用120°倒角铰刀进行孔底末端铰削。

15）采用φ5.8mm专用钻头钻孔，钻头参数为：转速n=250r/min，进给量f=0.024mm/r。

16）φ6mm铰刀手工铰孔。在加工至φ8mm插接孔时，进给量f降低至0.012～0.02mm/r，转速不变。

根据试验件及工件的最终尺寸校验，该孔表面粗糙度值符合R a≤3.2μm要求，孔的直径为15.91mm，符合图样要求。

根据以上分析及实际加工，可以得出以下结论。

1）在异形接管加工中，镗削用深孔钻及普通钻头均可加工，但传统钻→扩→铰工艺方法更可靠。

2）120°双刃扩孔钻、φ5.8mm特长钻头和φ6mm特长铰刀等成形刀具更适合加工阶梯孔。

3）钻头过长时，可以将主切削刃上切割1mm深口，以此降低刀具的切削抗力，提高断屑效率。

4）在加工过程中扩孔钻参数为：切削速度v_c=3～5m/min，进给量f=0.09～0.11mm/r。

5）利用铰孔方式，可以控制尺寸精度在0.02～0.03mm。

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