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一種小型叉形接頭的精密加工技術(shù)

2017-12-26 來源：天津航天長征火箭制造北華航天工業(yè)學(xué)院作者：葛佳崔鑫謝成雨范大偉楊昊

摘要：針對小型叉形接頭結(jié)構(gòu)尺寸較小，在加工過程中存在小直徑深孔難加工、形位公差難保證、微小結(jié)構(gòu)難裝夾等難題，通過設(shè)計一套集定位、裝夾、鉆模為一體的組合鉆模，改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)，既實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品可靠裝夾，又保證了產(chǎn)品加工精度，加工效率大大提升。

關(guān)鍵詞: 深孔加工小孔加工裝夾定位組合鉆模

隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展，越來越多的精密零件趨于小型化，零件常采用微孔、深孔等結(jié)構(gòu)，微孔、深孔的精密加工是機(jī)械加工領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。

筆者通過研究小型叉形接頭的精密加工工藝，設(shè)計了一套集定位、裝夾、鉆模為一體的組合鉆模，解決了叉形接頭小直徑深孔加工的難題，為同類型小型工件的加工裝夾、小直徑深孔加工提供了加工經(jīng)驗(yàn)。

1 、加工現(xiàn)狀

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

叉形接頭結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖 1 叉形接頭產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

可看出叉形接頭屬于小直徑深孔零件，孔徑 2 mm，深 21 mm，長徑比達(dá)10.5。由于外圓直徑為 3.8 mm，壁厚不足 1 mm，屬于薄壁零件。此外，要求內(nèi)孔相對外圓的同軸度為準(zhǔn)0.1mm，2-準(zhǔn)2.4 孔相對外圓軸心線對稱度為 0.16 mm，叉形槽相對外圓軸心線對稱度為 0.1 mm。零件材料為 45號鋼。

1.2 加工存在的問題

1.2.1 裝夾困難

叉形接頭在加工準(zhǔn)2.4 mm 孔和叉形槽時，需以準(zhǔn)3.8 mm 外圓軸心線為基準(zhǔn)來保證對稱度公差要求。但是叉形接頭結(jié)構(gòu)尺寸小，無有效夾持點(diǎn)，小端壁厚不足 1 mm，剛性差，容易造成裝夾變形，加工裝夾困難。

1.2.2 孔徑小

機(jī)械加工中將孔徑小于 3 mm 的孔稱為小孔。叉形接頭鉆準(zhǔn)2 mm 孔時由于麻花鉆鉆芯厚度小，強(qiáng)度不夠，螺旋槽窄，不易排屑，鉆頭易折斷［1］。

為了保證有效的切削速度，鉆孔時采用較高的轉(zhuǎn)速，切削產(chǎn)生的溫度很高，加劇了鉆頭的磨損。另外，由于麻花鉆鉆芯厚度小，剛性差，容易彎曲導(dǎo)致鉆頭傾斜，產(chǎn)品報廢。

1.2.3 深孔

機(jī)械加工中將長徑比大于 5 的孔稱為深孔，叉形接頭的長徑比為 10.5，在鉆孔過程中，由于鉆頭細(xì)長，剛性差，冷卻困難，排屑不暢，切削熱不易散出［4］。

綜合上述加工問題，為了保證叉形接頭準(zhǔn)2.4 mm孔和叉形槽對稱度精度，需以準(zhǔn)3.8 mm 外圓軸心線為基準(zhǔn)裝夾。因此裝夾要求定位準(zhǔn)確，裝夾可靠，同時要提高叉形接頭的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免裝夾變形。

另外應(yīng)提高鉆孔所用細(xì)長鉆頭的剛性，改善排屑情況。

2 、加工方案

2.1 裝夾方案

叉形接頭加工裝夾時主要考慮以準(zhǔn)3.8 mm 外為裝夾基準(zhǔn)，提高產(chǎn)品結(jié)構(gòu)剛性，避免裝夾變形。

筆者設(shè)計了一套集定位、裝夾、鉆模為一體的組合鉆模，用于叉形接頭加工裝夾，便于鉆孔，保證加工精度。先對工件進(jìn)行粗加工、半精加工。在數(shù)控精密車銑復(fù)合機(jī)床（高精密微型軸類零件一次車銑加工成形）上車準(zhǔn)3.8 mm 外圓、大端外圓至設(shè)計尺寸，在同一次裝夾中鉆準(zhǔn)2 mm 孔，以保證同軸度要求。由于在機(jī)床上鉆孔過程不可控，加工過程排屑不暢，鉆頭剛性差，易發(fā)生鉆偏或鉆頭折斷，因此在機(jī)床上鉆準(zhǔn)2 mm 孔時，只鉆 6～7 mm 深的底孔。

最后在同一次裝夾中銑大端兩側(cè)平面，以保證平面與軸心線的平行。加工后的叉形接頭半成品如圖 2 所示。

圖2 叉形接頭半成品工件

筆者設(shè)計的組合鉆模由底座、鉆模蓋板、緊固螺釘組成，結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

圖 3 叉形接頭組合鉆模

底座設(shè)計有準(zhǔn)3.8 mm 孔，用于裝夾找正叉形接頭準(zhǔn)3.8 mm 外圓；設(shè)計有圓弧平底槽，用于裝夾找正叉形接頭的扁頭。鉆模蓋板也設(shè)計有圓弧平底槽，用于裝夾找正叉形接頭的扁頭；設(shè)計有準(zhǔn)2.4 mm 鉆模孔及耐磨鉆套，用于加工叉形接頭扁頭平面的準(zhǔn)2.4 mm 孔［5］。將叉形接頭半成品工件裝夾在底座中，以準(zhǔn)3.8mm 孔定位并找正叉形接頭準(zhǔn)3.8 mm 外圓柱面，以圓弧平底槽限制叉形接頭扁頭的旋轉(zhuǎn)自由度。將鉆模蓋板安裝在底座上，使鉆模蓋板圓弧平底槽與叉形接頭扁頭緊密接觸，鉆模蓋板后板頂住叉形接頭端面，如圖4 所示，最后用螺釘將底座和鉆模蓋板連接緊固。

圖 4 組合鉆模裝夾原理

由于叉形接頭各面與底座、鉆模蓋板緊密接觸，其裝夾狀態(tài)穩(wěn)定可靠。

2.2 鉆孔方案

用螺釘將底座和鉆模蓋板連接緊固后，叉形接頭工件在組合鉆模內(nèi)得到完全約束。用虎鉗裝夾組合鉆模的側(cè)面，找正準(zhǔn)2.4 mm 鉆模孔后，以鉆套作為導(dǎo)向，在搖臂鉆床上鉆準(zhǔn)2.4 mm 孔。鉆孔過程中需不斷退出鉆頭，便于切屑的排出。退出鉆頭的同時及時添加切削液，降低鉆頭及切削區(qū)域的溫度［6］。

在加工叉形接頭小端準(zhǔn)2 mm 孔時，同樣使用該組合鉆模裝夾。用虎鉗裝夾組合鉆模側(cè)面，找正工件上已加工的準(zhǔn)2mm 底孔，以準(zhǔn)2 mm 底孔為導(dǎo)向，在搖臂鉆床上鉆準(zhǔn)2 mm 孔，如圖 5 所示。

圖 5 叉形接頭鉆孔過程

鉆孔過程中為排出切屑，需不斷退出鉆頭排屑。退出鉆頭的同時及時添加切削液，降低鉆頭及切削區(qū)域的溫度。縱向進(jìn)給時要注意手勁及感覺，鉆頭彈跳時，應(yīng)使它有一個緩范圍，以防鉆頭折斷。鉆小直徑孔時常采用整體式扁鉆。由于扁鉆無螺旋槽，除刀頭切削部分外，刀體為整體圓柱。與麻花鉆相比，整體式扁鉆結(jié)構(gòu)剛性好，鉆孔時鉆頭彎曲較小，另外整體式扁鉆的鉆尖對稱性較好。但是整體式扁鉆無螺旋槽，負(fù)前角大，導(dǎo)致鉆削時切削力大，切屑難排出，切削液難進(jìn)入切削區(qū)域進(jìn)行降溫，因此整體式扁鉆不適于加長徑比大的微小孔［7］。麻花鉆具有螺旋槽及正前角，切屑易排出，切削液易進(jìn)入切削區(qū)域進(jìn)行降溫。

但是小直徑麻花鉆由于鉆芯厚度小，鉆頭剛性差，鉆孔時鉆頭易發(fā)生彎曲。為提高麻花鉆剛性，選用鉆芯厚度大、切削刃對稱的鉆頭。但是隨著鉆芯厚度的增大，鉆頭橫刃加長，鉆孔時走刀抗力增大。在使用前應(yīng)修磨麻花鉆，縮短橫刃長度，加大后角，增大鉆頭頂角，使橫刃產(chǎn)生的切屑變少且變長［8］。

另外需在麻花鉆兩個主切削刃的后刀面磨出分屑槽，通過分屑減小切屑形成過程的塑性變形和切屑卷曲程度，減小切屑與鉆頭、孔壁的摩擦，便于切屑的順利排出［9］。

上述加工完成后，在叉形接頭準(zhǔn)2 mm 孔中插入芯軸，在數(shù)控精密車銑復(fù)合機(jī)床上裝夾準(zhǔn)3.8 mm 外圓并找正，以準(zhǔn)3.8 mm 外圓軸心線為基準(zhǔn)銑叉形槽。最后銑叉形接頭扁頭 R6 mm 圓頭，完成叉形接頭成品零件加工。

2.3 加工效果

組合鉆模的使用，使叉形接頭在加工中裝夾穩(wěn)定可靠，各自由度完全約束。裝夾以叉形接頭準(zhǔn)3.8 mm外圓柱面作為裝夾基準(zhǔn)，與設(shè)計基準(zhǔn)重合，保證了加工后準(zhǔn)2.4 mm 孔的對稱度和準(zhǔn)2 mm 孔的同軸度。

裝夾中叉形接頭與組合鉆模各面緊密貼合，裝配精度高，增強(qiáng)了叉形接頭的產(chǎn)品剛性，避免了其在加工過程中產(chǎn)生的裝夾變形，使加工更加簡單易行。通過改進(jìn)鉆頭刃磨，完善鉆孔工藝，使鉆孔過程更加穩(wěn)定，鉆頭剛性得到提升，排屑順暢，鉆頭使用壽命得到有效延長。采用上述加工技術(shù)后，叉形接頭各結(jié)構(gòu)尺寸、形位公差滿足使用要求，產(chǎn)品合格率達(dá) 100%。

3 、總結(jié)

筆者通過設(shè)計一套組合鉆模，改進(jìn)鉆頭結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了小型叉形接頭的可靠裝夾，解決了叉形接頭小直徑深孔的加工難題，改善了小直徑深孔鉆削的排屑效果，保證了產(chǎn)品的形位公差，取得了預(yù)期的加工效果，為同類型小型工件加工裝夾、小直徑深孔加工提供了加工經(jīng)驗(yàn)。

如果在小直徑深孔加工中結(jié)合振動鉆削技術(shù)、內(nèi)排屑鉆頭、噴吸鉆、槍鉆［10］等先進(jìn)技術(shù)，加工效果將得到進(jìn)一步提升。

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