鋁鎂機(jī)匣內(nèi)間斷式深孔數(shù)控高效加工技術(shù)

鄧元山，劉寧，胡志星，郭皓邦，韋昌廣

中國航發(fā)南方工業(yè)有限公司 湖南株洲 412002

1 序言

航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣深孔加工因存在排屑難、直線度要求高及刀具難設(shè)計(jì)等問題，所以加工效率普遍較低[1]。某型航空發(fā)動機(jī)附件傳動機(jī)匣深孔一直以來都靠鉆、鏜加工，需頻繁退刀排屑，占加工時間的80%，在空走刀的同時還需要降低轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度，避免刀具將孔出口部位刮傷，這種加工方法不僅效率低，且孔的位置度、直線度難以保證，存在著零件報廢的質(zhì)量風(fēng)險。如果零件報廢，每件將損失10余萬元，造成的經(jīng)濟(jì)損失較大，操作人員工作壓力較大，迫切需要對這種加工技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，否則難以適應(yīng)企業(yè)的快速發(fā)展。本文通過工藝整合優(yōu)化、刀具改進(jìn)和加工技術(shù)方案的優(yōu)化等方法，攻克間斷式深孔數(shù)控加工的關(guān)鍵技術(shù)，在保證加工質(zhì)量的同時大幅度提高了加工效率。

2 工藝難點(diǎn)分析

2.1 典型零件的加工要求

附件傳動機(jī)匣加工間斷式深孔的技術(shù)要求如圖1所示?？椎纳疃葹?，長徑比達(dá)到44∶1，該孔被中間181.7mm長的空心部分分割成兩段，前半段孔的直徑為，后半段孔的直徑為，兩段孔為同心孔，孔的表面粗糙度值Ra要求為1.6μm。

圖1 某機(jī)匣間斷式深孔技術(shù)要求

2.2 典型零件的加工難點(diǎn)

加工難點(diǎn)具體如下。

1）加工的2個孔為大長徑比深孔，加工所需的刀具非常細(xì)長、剛性差，排屑困難，加工效率低。

圖2 某機(jī)匣間斷式深孔加工示意

2）間斷式深孔加工如圖2所示，空心間斷處鉆頭定心困難，易鉆偏。該孔需穿過兩處筋板，加工后筋板壁厚僅為2.0～2.5mm，鉆孔位置控制不好就會鉆穿支板，導(dǎo)致零件報廢，屬于典型的難加工深孔類型之一。

3 深孔加工技術(shù)

3.1 原加工工藝方案

深孔加工原工藝方法（見圖3）為：φ24m m埋鉆（埋平孔的端面）→φ10mm中心鉆（鉆中心孔）→φ16mm鉆頭粗加工前半段孔→φ19mm鏜刀鏜正孔口處做引導(dǎo)→φ19mm平底埋鉆（加工φ19mm孔徑部分，同時埋平間斷處φ18mm的孔端面）→φ18mm長鉆頭慢速加工此深孔→φ18mm埋鉆精修φ18mm孔。

圖3 間斷式深孔加工原工藝方法示意

3.2 加工方法存在的問題

1）刀具多，工步多，以及刀具切削參數(shù)低。該孔加工時間長達(dá)150min，效率非常低，間斷式深孔刀具加工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 間斷式深孔刀具加工數(shù)據(jù)

2）孔超差損失大。麻花鉆定心差、排屑難，鉆孔精度低、容易鉆偏，質(zhì)量不穩(wěn)定，1年損失近30萬元。

4 鋁鎂機(jī)匣間斷式深孔加工新方案

4.1 加工新方案

設(shè)計(jì)新的深孔加工方案如圖4所示。

（1）改變引導(dǎo)孔加工方法 將埋端面、加工中心孔、粗鉆和鏜孔這4個工步改為三刃鉆1步加工。利用三刃鉆定心好的特點(diǎn)且孔位精度可達(dá)到0.03～0.1mm，可實(shí)現(xiàn)原工藝方法中4把刀的加工效果，且比原工藝方法效率提高了7倍。

（2）改進(jìn)深孔加工鉆頭 使用φ18mm槍鉆代替φ18mm長麻花鉆。槍鉆具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，其剛性好，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到3000r/min，刀具帶內(nèi)冷、易排屑，加工時不反復(fù)循環(huán)退刀，以及切削線速度高等，可使加工速度提升10倍以上，同時也可提高孔的位置精度及表面質(zhì)量。

圖4 設(shè)計(jì)的新加工方案

（3）減少加工刀具 將原來7把刀加工縮減至3把刀完成。分別采用長200mm、410mm兩把φ18mm三刃引導(dǎo)鉆加工引導(dǎo)孔，使用φ18mm槍鉆加工間斷孔。改進(jìn)前后刀具方案對比如圖5所示。

（4）更換加工設(shè)備 原加工設(shè)備為無內(nèi)冷也無外冷的臥式四軸加工中心，因冷卻和排屑效果差而制約切削參數(shù)的選取。改進(jìn)后選用帶有高壓中心內(nèi)冷的五軸龍門加工中心，冷卻、潤滑與排屑效果好，為高速加工奠定了基礎(chǔ)。

圖5 改進(jìn)前后刀具方案對比

4.2 槍鉆與引導(dǎo)鉆的匹配要求及引導(dǎo)孔加工深度

對于較大長徑比的深孔加工，使用槍鉆時需要配精度合適的引導(dǎo)鉆[2]。對于使用的φ18mm槍鉆，自身精度應(yīng)控制在±0.01mm，引導(dǎo)鉆孔徑公差也應(yīng)控制在±0.008mm。除了制造精度外，槍鉆與引導(dǎo)鉆之間的間隙值也非常重要，因?yàn)殚g隙過大，則引導(dǎo)孔就失去了準(zhǔn)確引導(dǎo)的作用。根據(jù)加工試驗(yàn)，引導(dǎo)孔與槍鉆的配合間隙應(yīng)控制在0.01～0.02mm。

引導(dǎo)鉆一般切削刃較短、剛性好，但鉆孔的深度較淺。為了使引導(dǎo)孔能夠保證槍鉆加工不偏，起到最佳的引導(dǎo)效果，參照普通鉆床加工深孔時使用的鉆套長度進(jìn)行加工試驗(yàn)，試驗(yàn)得出：引導(dǎo)孔的深度應(yīng)為槍鉆直徑的2.5～3倍，如加工φ18mm深孔，引導(dǎo)孔深度為54mm較合適。

4.3 程序編制

僅依靠上述加工方案無法實(shí)現(xiàn)孔的加工，還需要將方案轉(zhuǎn)換成機(jī)器識別的語言，即進(jìn)行數(shù)控程序編制。編制程序需要全面考慮，如刀具的安裝、刀具的加工順序、刀具的走刀路徑、切削參數(shù)及是否干涉等[3]，既要保證加工質(zhì)量，也要提高加工效率、增加刀具壽命且安全易操作。

（1）槍鉆加工程序要點(diǎn) 槍鉆加工指令選擇CYCLE83[4]，但在執(zhí)行CYCLE83前還應(yīng)使槍鉆平穩(wěn)準(zhǔn)確地進(jìn)入到引導(dǎo)孔中。首先使用S50低轉(zhuǎn)速、F200慢進(jìn)給執(zhí)行G01指令，進(jìn)入已經(jīng)加工好的引導(dǎo)孔，進(jìn)入的深度為48mm，然后起動內(nèi)冷，準(zhǔn)備再執(zhí)行CYCLE83。CYCLE83中的轉(zhuǎn)速提升至S600，進(jìn)給速度為F90，且需將CYCLE83指令首次鉆削深度設(shè)為1倍徑，即18mm，首次進(jìn)給率設(shè)為50%，即F45；加工時，采用斷屑方式，回退距離設(shè)為0，加工到指定深度后，快速回到引導(dǎo)孔深度位置，轉(zhuǎn)速降至S50，循環(huán)指令結(jié)束，再使用G01指令，設(shè)進(jìn)給速度為F3000快速退出。

槍鉆首次鉆深設(shè)為18m m，且進(jìn)給速度下降50%，目的是平穩(wěn)地加工引導(dǎo)鉆鉆后的鉆尖，在引導(dǎo)孔的“約束”下，達(dá)到定心的作用。槍鉆在鉆的過程中并不是一鉆到底，而是變速地鉆每一段深度，進(jìn)給速度從F90→F0→F90，目的是很好地進(jìn)行斷屑，同時留有時間將切斷的切屑排出深孔外，可釋放槍鉆的加工應(yīng)力，提高刀具的使用壽命。

（2）長引導(dǎo)鉆加工時的注意事項(xiàng) 采用S600、F360的快速擴(kuò)孔方式，穿過第一層已加工孔，其目的是：修正孔位和已加工孔與引導(dǎo)鉆的配合間隙，防止引導(dǎo)鉆卡滯憋斷。

（3）切削液的控制要求 加工時一定要注意檢查切削液的壓力與流量，內(nèi)冷壓力一般為2～5MPa。要確保切削液清潔、干凈、無變質(zhì)，切削液箱上液位指示器顯示液位應(yīng)在正常范圍內(nèi)[5]，加工中注意觀察冷卻是否正常，否則會發(fā)生卡滯斷刀現(xiàn)象，導(dǎo)致零件報廢。

5 結(jié)束語

利用具有成熟技術(shù)的槍鉆，搭配合適的引導(dǎo)鉆，摸索出最佳的引導(dǎo)孔加工尺寸，并通過合理設(shè)計(jì)數(shù)控程序，創(chuàng)新了某航空發(fā)動機(jī)鋁鎂機(jī)匣內(nèi)間斷式深孔加工的解決方案，解決了加工穩(wěn)定性與加工效率問題。其中的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)在于槍鉆與引導(dǎo)孔的配合間隙及引導(dǎo)孔加工深度的正確選擇；還要注意數(shù)控加工程序編制的關(guān)鍵點(diǎn)和細(xì)節(jié)，從而提高刀具的使用壽命。

利用新方法對機(jī)匣進(jìn)行加工試驗(yàn)驗(yàn)證，孔的直線度由原來的0.2～0.4mm，提高到0.05～0.1mm；表面粗糙度值Ra由3.2μm降低至1.6μm；原來加工時間150min，現(xiàn)在減少至18min，效率提高7倍。整個加工過程輕快、平穩(wěn)，無異響，零件質(zhì)量和效率都有很大提升。該技術(shù)已在我公司鋁鎂機(jī)匣加工中得到全面推廣應(yīng)用。