梅花孔機(jī)加工工藝分析

王軍強(qiáng)

(中鋼集團(tuán)西安重機(jī)有限公司 陜西西安710201)

1 前言

梅花孔一直以來存在著加工精度不高、質(zhì)量不好的問題(如圖1 所示)。其原因在于:間斷切削和方軸受徑向力的作用移動(dòng)時(shí)不平穩(wěn)造成的。要想有把握的控制梅花孔的加工質(zhì)量，精加工工藝中必須包括重點(diǎn)要解決的三個(gè)難題:①選用的設(shè)備及工裝加工的圓弧深孔能保證直線度和圓度要求;②保證選用的刀具具有長時(shí)間抗沖擊耐間斷切削的能力;③選擇適合圓弧面拋光的拋光工具。因此，在編制精機(jī)加工工藝前必須對(duì)梅花孔的加工基理、刀具的受力、設(shè)備的選型、刀具和工藝裝備的選擇、加工方法等進(jìn)行細(xì)致的分析研究，通過與常規(guī)工藝方法的比較確定出一種能滿足要求的精機(jī)加工工藝。

圖1 梅花孔示意圖

2 通常機(jī)加工工藝方法

2.1 梅花孔加工的基理分析

2.1.1 刀具在切削過程中的受力

梅花孔中各孔系均是由單體獨(dú)立的半圓弧孔組成。

圖2 梅花孔加工過程受力分析圖

單刃刀具對(duì)其進(jìn)行切削過程中，根據(jù)作用力與反作用力的定律，刀具所受的作用力為:F1(切向力)，F(xiàn)2(徑向力)，F(xiàn)3(軸向力)(如圖2 所示)。

2.1.2 機(jī)床主軸和刀具連接體的受力

當(dāng)機(jī)床主軸帶動(dòng)刀具每轉(zhuǎn)一圈，在工件半圓弧切入處受F1的作用下，刀具就會(huì)受到撞擊一次，間斷切削一次。隨著刀具間斷切削的進(jìn)行極易損壞切削刃;由于機(jī)床主軸的強(qiáng)度和配合間隙的存在，在切削過程中刀具受到F2的作用，刀具有沿著F2箭頭指向移動(dòng)的趨勢(shì)。隨著機(jī)床主軸的伸長，主軸聯(lián)同刀具會(huì)向孔心方向移動(dòng)，出現(xiàn)刀具退刀的情況，造成加工的圓弧直徑尺寸減小，表面粗糙度和直線度不好;與此同時(shí)刀具還受F3的作用，會(huì)出現(xiàn)上下振動(dòng)，對(duì)加工的端面產(chǎn)生顫動(dòng)刀紋，粗糙度不好的情況。

2.2 設(shè)備的選型

對(duì)于直徑較大并且長度較長的大型梅花孔。為保障加工有效性，通常選擇的機(jī)床為大型臥式鏜床或大型龍門銑床。

2.3 刀具和工藝裝備的選擇

1)通常選用抗沖擊能力強(qiáng)的刀片和精鏜刀體與鏜頭連接后單刀旋轉(zhuǎn)加工梅花孔。由于梅花孔中各孔為不連續(xù)的圓弧，精加工過程中刀具始終處于間斷切削的狀態(tài)，對(duì)刀具沖擊大，易打刀，加工時(shí)間短，頻繁換刀對(duì)刀。圓弧面有接刀臺(tái)，效率低。

2)依據(jù)梅花孔中各單孔的直徑，選擇適合直徑和粒度的砂布拋光輪對(duì)其進(jìn)行拋光。

2.4 機(jī)加工方法的選擇

1)選擇鏜床加工時(shí)由于鏜床主軸為懸臂狀態(tài)，依據(jù)梅花孔中各單孔的直徑和孔深，通常采取以下三種方法加工:

(1)通過亊先銑工藝基準(zhǔn)面，采取調(diào)頭加工的方法，如圖3 所示。該方法的缺點(diǎn):除打刀外，孔的直線度和圓度有偏差，適合孔的直線度和圓度要求不很嚴(yán)的孔系加工。對(duì)于梅花孔中各孔的直線度和圓度要求均很高的孔不適合。

圖3 調(diào)頭加工方法

(2)將鏜床方軸伸出處于懸臂狀態(tài)，按梅花孔后端工裝板上的工藝孔分別打表定梅花孔各孔系中心，通過移動(dòng)工作臺(tái)對(duì)各孔系進(jìn)行精加工。此方法由于方軸伸出處于懸臂下墜狀態(tài)，加工出的孔為橢圓，圓度不好。

(3)用尾座串長鏜桿方法加工，如圖4 所示。此種方法又分兩種情況:一種是工件不動(dòng)，走主軸鏜半圓孔。另一種是通過可移動(dòng)工作臺(tái)帶著工件移動(dòng)鏜半圓孔。不論哪種情況除了打刀外，只適合加工單一深孔。該種方法的缺點(diǎn):倒換長鏜桿難度很大，費(fèi)工費(fèi)時(shí)。因此用尾座串長鏜桿方法也不適合梅花孔的加工。

圖4 用尾座串長鏜桿方法

2)選擇龍門銑床加工時(shí)，依據(jù)梅花孔系中孔的直徑和孔深，通常分兩種情況:

(1)采取調(diào)頭加工的方法與鏜床調(diào)頭加工的方法存在的問題相同。

(2)采取從孔的上端鏜到孔的下端的方法。由梅花孔加工的基理分析可知:除打刀外，還能造成加工的圓弧直徑尺寸減小，孔的直線度和表面粗糙度不好的問題。因此該種方法也不適合梅花孔的加工。

2.5 光整加工

因?yàn)樯安紥伖廨啚槿嵝話伖夤ぞ?。由梅花孔加工的基理分析可知，砂布拋光輪只能拋光孔表面使其粗糙度好一些，但不能改變孔的圓度和直線度。所以拋光沒有實(shí)際意義。

2.6 小結(jié)

由上述常規(guī)機(jī)加工工藝方法分析可知，影響梅花孔質(zhì)量的因素主要有三個(gè):①刀具間斷切削;②在切向力的作用下，機(jī)床主軸或方軸的平穩(wěn)性不好。③由于方軸伸出處于懸臂下墜狀態(tài)，加工出的孔為橢圓。如何來解決呢?筆者認(rèn)為應(yīng)該從刀具的選型和工裝的設(shè)計(jì)、工藝基準(zhǔn)面的設(shè)置、加工方法等方面入手，來改進(jìn)完善通常機(jī)加工工藝中的某些不足。

3 設(shè)想的機(jī)加工工藝方法

1)設(shè)備的選型:大型臥式鏜床或大型龍門銑床。

2)刀具及工裝的選型:可選擇抗沖擊能力強(qiáng)且耐磨的刀片，并用盤狀或碗狀機(jī)夾銑刀盤裝夾;設(shè)計(jì)專用多軸鏜頭(分鏜床用和龍門銑床用兩種類型);選適合孔徑和粒度的砂布拋光輪。

3)工藝基準(zhǔn)面的設(shè)置:在梅花孔兩側(cè)槽下端銑工藝基準(zhǔn)面，供鏜床用多軸鏜頭上支撐輪支撐銑頭和滾動(dòng)用。

4)機(jī)加工方法的選擇:分龍門銑床加工和鏜床加工兩種方法。

(1)大型龍門銑床精加工方法:首先將龍門銑床用多軸鏜頭與機(jī)床方軸連接定位，再將4 個(gè)盤狀或碗狀機(jī)夾銑刀盤安裝到多軸鏜頭的另一端。然后從梅花孔的上端進(jìn)刀向下端一次精加工四個(gè)半圓弧。隨后拆去4 個(gè)盤狀或碗狀機(jī)夾銑刀盤，將四個(gè)砂布拋光輪裝上對(duì)四個(gè)精加工好的半圓弧進(jìn)行拋光。同理另四個(gè)半圓弧用另一個(gè)多軸鏜頭對(duì)其進(jìn)行精加工和拋光。

(2)大型臥式鏜床精加工方法:將鏜床用多軸鏜頭與機(jī)床方軸連接定位，再將4 個(gè)盤狀或碗狀機(jī)夾銑刀盤安裝到鏜床用多軸鏜頭的另一端。以軌道基準(zhǔn)面為基準(zhǔn)將多軸鏜頭上的支撐輪與其接觸，然后從梅花孔的前端進(jìn)刀向后端一次精加工四個(gè)半圓弧。隨后拆去4 個(gè)盤狀或碗狀機(jī)夾銑刀盤，將四個(gè)砂布拋光輪裝上對(duì)四個(gè)精加工好的半圓弧進(jìn)行拋光。同理另四個(gè)半圓弧用另一個(gè)多軸鏜頭對(duì)其進(jìn)行精加工和拋光。

4 對(duì)比論證

4.1 刀具方面

1)通常機(jī)加工工藝方法中所采用的刀具為單體精鏜刀。刀具在切削過程中刀刃連續(xù)間斷切削和工件頻繁沖擊后極易打刀，若刀刃損壞沒有補(bǔ)救措施，只能停機(jī)換刀。連續(xù)加工時(shí)間短，效率低。

2)設(shè)想機(jī)加工工藝方法中所采用的刀具為可裝多片刀片的盤狀或碗狀機(jī)夾銑刀盤。刀具在切削過程中受連續(xù)間斷切削和工件頻繁沖擊后，若有一個(gè)刀刃損壞，下一個(gè)刀刃自然補(bǔ)救進(jìn)入切削狀態(tài)。連續(xù)加工時(shí)間長，效率高。

4.2 工裝和受力方面

1)通常機(jī)加工工藝方法中所采用的工裝為鏜頭。一個(gè)鏜頭一次只裝一把刀，對(duì)一個(gè)孔進(jìn)行精加工。隨著主軸的伸長，在徑向力的作用下主軸會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)，造成刀具加工的圓弧尺寸減小，表面粗糙度不好。

2)設(shè)想機(jī)加工工藝方法中所采用的工裝為多軸鏜頭。一個(gè)多軸鏜頭一次可以同時(shí)裝四個(gè)盤狀或碗狀機(jī)夾銑刀盤，可同時(shí)對(duì)四個(gè)孔進(jìn)行精加工。由于梅花孔中一組四孔為對(duì)稱布置，在切削過程中作用在多軸鏜頭上的徑向力相互抵削，不會(huì)出現(xiàn)擺動(dòng)情況。平穩(wěn)性好，效率高。

3)工藝基準(zhǔn)面方面

設(shè)想機(jī)加工工藝方法中為解決鏜床方軸伸長下墜的問題，在加工梅花孔前，先在梅花孔兩側(cè)槽下端銑工藝基準(zhǔn)面，用于支撐鏜床用多軸鏜頭，以保證加工的水平度。與通常機(jī)加工工藝方法中所采用的調(diào)頭加工方法先銑工藝基準(zhǔn)面和用尾座串長鏜桿的方法的機(jī)理是完全不同的。

5 結(jié)束語

通過選用盤狀或碗狀機(jī)夾銑刀盤(其上裝有多個(gè)刀片)代替單體精鏜刀，增強(qiáng)了抗沖擊耐間斷切削的能力，連續(xù)加工時(shí)間長;通過設(shè)計(jì)專用銑頭，采用四孔同時(shí)對(duì)稱加工技術(shù)，保障了方軸伸長的平穩(wěn)性;通過銑制軌道基準(zhǔn)面，保障了專用銑頭鏜梅花孔的水平度。設(shè)想的機(jī)加工工藝方法應(yīng)該是能夠解決通常機(jī)加工工藝方法中難點(diǎn)的理想工藝方法。

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