高強(qiáng)度合金鋼深孔薄壁件加工工藝方法

張博林，姜忠平，李毅，何松波

航宇救生裝備有限公司

1 引言

深孔加工是專業(yè)性強(qiáng)、加工難度大的一種機(jī)械加工方法，被廣泛應(yīng)用在航空、航天和軍工等行業(yè)。其加工精度直接影響產(chǎn)品的性能，隨著新型高強(qiáng)度、高硬度材料(如高強(qiáng)度合金鋼等難加工材料)應(yīng)用越來越多，對(duì)深孔加工提出了更高的要求。由于深孔加工是在封閉或半封閉的狀況下進(jìn)行，不能直接觀察刀具的切削情況，在加工過程中，存在切削熱不易傳散、工藝系統(tǒng)剛性較差、排屑困難及切削效果不理想的情況，在難加工材料上加工薄壁深孔時(shí)十分困難，因此，提高難加工材料深孔加工精度成為機(jī)械加工中的熱點(diǎn)問題。

2 深孔加工及常用方法

深孔加工的孔深與孔徑之比大于5，由于其長(zhǎng)徑比較大以及在封閉和半封閉的加工狀態(tài)，導(dǎo)致其切削加工過程散熱難，因?yàn)闊崃繑U(kuò)散較慢，零件和加工刀具成為了主要散熱體，熱量聚集較為明顯，造成加工過程中切削刀具的刃口溫度較高，直接影響刀具壽命。同時(shí)，由于深孔加工的長(zhǎng)徑比較大，與刀具聯(lián)結(jié)的鉆桿細(xì)而長(zhǎng)，整體剛性較差，加工時(shí)容易產(chǎn)生振動(dòng)、扭曲和折斷等問題，不易保證孔內(nèi)的尺寸精度、形位精度及表面粗糙度。此外，在加工過程中，排屑空間狹窄，排屑較為困難，容易發(fā)生切屑阻塞，導(dǎo)致零件尺寸超差，產(chǎn)生報(bào)廢。

目前，常用的深孔加工方法分為深孔鉆削、槍鉆、推鏜推鉸和拉鏜拉鉸四種。對(duì)于深孔鉆削和槍鉆加工，刀桿與鉆頭聯(lián)接，孔的尺寸精度主要取決于鉆頭的尺寸精度，通常適用于精度要求不高的深孔零件鉆削或在推鏜、推鉸和拉鏜、拉鉸前的預(yù)鉆孔。

對(duì)于推鏜、推鉸深孔，刀桿在加工過程中始終處于受壓狀態(tài)，直接影響深孔加工的尺寸精度及直線度，通常適用于零件內(nèi)孔精度要求不高的深孔零件加工。對(duì)于拉鏜、拉鉸深孔，刀桿始終處于受拉狀態(tài)，在受到徑向力切削時(shí)不易產(chǎn)生彎曲變形，保證了深孔加工的精度及直線度。因此，拉鏜、拉鉸的加工方法適用于精度要求較高的深孔零件加工。

采用拉鏜、拉鉸加工前，零件前端必須加工出精度較高的引導(dǎo)孔，另一端須加工出與機(jī)床反頂錐盤相適應(yīng)的倒角，以使加工刀具在深孔加工過程中順利進(jìn)入零件的引導(dǎo)孔，引導(dǎo)刀具開始進(jìn)行初始階段的切削加工。

3 深孔珩磨

珩磨是利用鑲嵌在珩磨頭上的珩磨油石，在一定壓力作用下，油石徑向擴(kuò)張，與零件被加工表面保持接觸并進(jìn)行切削加工的一種精整加工方法。根據(jù)機(jī)床主軸形式，珩磨分為立式珩磨和臥式珩磨。對(duì)于立式珩磨，珩磨頭在自身重力作用下始終處于向下垂直狀態(tài)，在加工過程中，產(chǎn)生的磨屑很容易被切削液帶走，珩磨精度較高。對(duì)于臥式珩磨，珩磨頭受自身重力的作用，始終貼在被珩磨孔的側(cè)壁上，磨屑有時(shí)來不及排出。此外，立式珩磨主軸行程通常比臥式珩磨短，因此對(duì)于珩磨長(zhǎng)度較短、精度要求較高的深孔，一般優(yōu)先采用立式珩磨加工。

如圖1所示，珩磨頭主要由磨頭和連接桿兩部分組成。珩磨小孔時(shí)，磨頭與連接桿往往做成一體；珩磨大孔時(shí)，磨頭與連接桿可以分開。珩磨頭主要由油石、底座和彈簧等組成，其中，珩磨油石的選擇非常重要，其質(zhì)量直接影響珩磨加工的精度，結(jié)構(gòu)不同的零件應(yīng)選擇不同材料的珩磨油石。

圖1 珩磨頭

在珩磨加工過程中，由于工作壓力和尺寸精度的要求，必須確保油石的粒度和硬度準(zhǔn)確、均勻，并有一定的強(qiáng)度和耐磨性。常用的油石材料有立方氮化硼和綠色碳化硅等。立方氮化硼具有硬度高、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，適用于珩磨耐熱合金鋼、鎳基高溫合金及特種工具鋼等難加工材料。綠色碳化硅耐高溫、導(dǎo)熱性好，但韌性較差，適用于珩磨鋁、鑄鐵等材料。此外，珩磨余量的大小與被珩磨零件內(nèi)孔的尺寸精度和材料特性直接相關(guān)，對(duì)于不同材料的零件，珩磨前應(yīng)留出不同的珩磨加工余量，一般內(nèi)孔的余量留0.02mm～0.1mm。

珩磨夾具同樣起著非常重要的作用，如果夾具本身不符合要求或使零件發(fā)生變形，加工出的零件仍然不合格。根據(jù)零件的特點(diǎn)，珩磨夾具通常以外圓定位，通過氣壓夾緊或壓板式壓緊。

4 典型零件加工

4.1 問題提出

圖2 典型零件

40CrNiMoA鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入適量的合金元素而形成，經(jīng)熱處理后(σb=1140±80MPa)材料較硬，屬于典型的難加工材料，具有以下特點(diǎn)：①有較高的強(qiáng)度和韌性，良好的淬透性和抗過熱穩(wěn)定性，在進(jìn)行熱處理后，機(jī)械加工比較困難；②在深孔加工過程中容易產(chǎn)生硬化層等，組織不均勻，加工產(chǎn)生的熱量主要集中在刀具切削刃的附近，切削溫度較高，刀具易磨損；③化學(xué)親合力較大，容易與刀具產(chǎn)生粘刀現(xiàn)象，造成刀具粘結(jié)磨損。

4.2 拉鏜、拉鉸內(nèi)孔

由于40CrNiMoA的材料特性，如果直接采用深孔鉆削、槍鉆或推鏜推鉸的加工方法，刀桿將產(chǎn)生一定的彎曲變形，內(nèi)孔的尺寸精度將不易保證。采用拉鏜、拉鉸的加工方法，刀桿始終處于受拉狀態(tài)，在加工過程中受到徑向切削力的作用，不易產(chǎn)生彎曲變形，保證了深孔加工的直線度及尺寸精度。

如圖3所示，在拉鏜、拉鉸之前，工件前端必須加工出精度較高的引導(dǎo)孔，這樣才能使刀具順利進(jìn)入零件的引導(dǎo)孔，并引導(dǎo)初始階段的切削。拉鏜、拉鉸刀數(shù)可以根據(jù)加工余量而定，一般為二至四刀，根據(jù)該零件內(nèi)孔的加工余量，分三刀進(jìn)行加工，內(nèi)孔加工后如圖4所示。

圖3 車削引導(dǎo)孔

圖4 拉鏜拉鉸內(nèi)孔

具體工序?yàn)椋?/p>

①第一刀：雙邊加工余量約為2mm，采用較大的切削深度，去掉前道工序留下的表面硬化層，同時(shí)校正前道工序在加工過程中內(nèi)孔產(chǎn)生的變形，以提高內(nèi)孔加工的直線度。

②第二刀：雙邊加工余量約為1.6mm，采用較小的切削深度，主要是校正第一刀粗拉鏜內(nèi)孔過程中產(chǎn)生的加工變形。

4.3 深孔加工刀具

刀具材料應(yīng)采用親和力較小的YS8硬質(zhì)合金。該硬質(zhì)合金具有較高的紅硬性和耐磨性，可以明顯提高刀具的使用壽命和生產(chǎn)加工效率。刀體材料為40Cr，采用焊接方式與刀片聯(lián)接。

粗加工刀具采用φ26mm和φ27.6mm兩把四齒均布、切削刃兩兩相對(duì)中心對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，這樣可以使切削力均勻分布，四齒加工刀具的前角為3°，后角為5°(見圖5)。精加工刀具采用φ28mm六齒兩兩相對(duì)齒夾角相等、切削刃兩兩相對(duì)中心對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，六齒加工刀具的前角為3°，后角為5°(見圖6)。

圖5 四齒刀具

圖6 六齒刀具圖7 零件裝夾

同時(shí)，在對(duì)40CrNiMoA材料的深孔加工過程中，采用專用深孔極壓切削油進(jìn)行充分冷卻潤(rùn)滑，可以起到較好的冷卻、清洗及潤(rùn)滑作用，有效降低切削溫度。

4.4 珩磨內(nèi)孔

珩磨是利用珩磨頭上的油石徑向擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，從而在被加工表面形成交叉而不重復(fù)的網(wǎng)紋。在珩磨加工過程中，根據(jù)進(jìn)給方式的不同分為增壓進(jìn)給、定壓進(jìn)給、定速進(jìn)給和定壓定速進(jìn)給四種。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，該零件采用定壓進(jìn)給的方式珩磨內(nèi)孔，零件在珩磨加工過程中，通過開口襯套夾緊外圓，以外圓及端面進(jìn)行定位，用壓板壓緊與零件配合的襯套上表面(見圖7)。

在珩磨加工過程中，機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)珩磨頭旋轉(zhuǎn)，沿軸向做上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)珩磨頭上的油石進(jìn)行徑向擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)。由于40CrNiMoA材料的強(qiáng)度和韌性較高，適合采用立方氮化硼材料的油石進(jìn)行珩磨。

在珩磨初期，當(dāng)珩磨頭剛剛進(jìn)入內(nèi)孔時(shí)，以0.2MPa壓力進(jìn)給并與內(nèi)孔壁接觸，使珩磨機(jī)床、珩磨頭和工裝夾具相適應(yīng)，防止珩磨油石被損壞；在珩磨幾個(gè)往復(fù)行程后，逐步增加壓力，用0.4MPa壓力進(jìn)行粗珩，以去除加工余量；當(dāng)余量被珩磨至很小時(shí)，降低壓力至0.2MPa進(jìn)行精珩，以提高內(nèi)孔的尺寸精度及表面粗糙度；如果零件內(nèi)孔局部存在尺寸偏小的情況，可以進(jìn)行局部珩磨。在珩磨加工過程中，切削熱量不易擴(kuò)散，影響珩磨油石與底座的結(jié)合強(qiáng)度，引起零件的熱變形，因此必須使用切削液帶走熱量。在實(shí)際加工過程中，可以采用大量的極壓切削油進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑。

4.5 外形車削

零件是典型的深孔薄壁件，當(dāng)內(nèi)孔經(jīng)過珩磨加工達(dá)到尺寸精度及表面粗糙度的技術(shù)要求后，再進(jìn)行外形的數(shù)控車削。由于該零件的單邊最小壁厚約為2mm，為了避免因徑向夾緊產(chǎn)生的零件變形，需設(shè)計(jì)制造專用芯軸，以內(nèi)孔作為定位基準(zhǔn)，采用端面壓緊的方式進(jìn)行裝夾。

刀具選擇硬質(zhì)合金刀片，分粗、精加工進(jìn)行車削。在進(jìn)行粗加工時(shí)，可以選擇55°車刀，分多次進(jìn)刀，轉(zhuǎn)速為400r/min，進(jìn)給量為0.15mm/r，切削深度為0.9～1mm。在進(jìn)行精加工時(shí)，可以選擇35°車刀，轉(zhuǎn)速為600r/min，進(jìn)給量為0.1mm/r，切削深度為0.15～0.2mm。

4.6 加工方法

針對(duì)該零件結(jié)構(gòu)提出以下加工工藝方法：

車削加工兩端面，外圓見光，車倒角30°±0.5°，保證總長(zhǎng)295mm。采用深孔鉆頭鉆內(nèi)孔至φ24mm(通孔)，車熱處理試棒。

熱處理，使材料強(qiáng)度達(dá)到σb=1140±80MPa。

圖8 工序1

圖9 工序2

圖10 工序3

5 結(jié)語

為解決40CrNiMoA深孔薄壁件的加工問題，采用拉鏜、拉鉸內(nèi)孔后珩磨內(nèi)孔，并以內(nèi)孔作為定位基準(zhǔn)車削外形的加工思路，同時(shí)，從刀具、定位裝夾等方面進(jìn)行了分析，總結(jié)了改進(jìn)后的加工方法，縮短了零件加工周期，保證了加工質(zhì)量。該加工方法可以推廣到類似難加工材料深孔薄壁零件的加工中。