1 常見的(de)小直徑(jìng)深孔加工技術(shù)
1.1 常見的小直徑深孔加工技術
①傳統的鑽(zuàn)、擴、鉸工藝
目前孔的加工大部分還是用(yòng)傳統的(de)鑽、擴、鉸工藝,要求機(jī)床主軸轉速高(gāo),範圍廣,通常為11000~150000r/min;主軸跳動要小,主軸(zhóu)的跳動量應小(xiǎo)於1μm;對切削抗力變化的(de)反應要敏感,最好配備有鑽頭磨損的自動監控係統;為保證(zhèng)直線度、圓度,最好有能相(xiàng)對主軸反向旋轉機構。
目(mù)前研製新型鑽頭仍是該方麵研究的重點。
②電火(huǒ)花加工工藝
電火花加工使用高速小孔加工機床(帶有導向器(qì),利用細管電極高速回轉(zhuǎn),管中通過高壓工作(zuò)液)來加工通孔。該方法加工效率高,可達到60mm/min,應用範圍廣,可以加工深徑比(bǐ)大的小孔,加工的最(zuì)小直徑為(wéi)0.3mm,但精度相對較低。
該方(fāng)法的主要難點為加工中的(de)蝕除產物(wù)和熱量不易排除,一般的衝液方式無法(fǎ)解決這個問題。未(wèi)來發展方向是(shì)要采用高速電火花加工技術,一方麵要不(bú)斷用(yòng)流動的工(gōng)作液(yè)將蝕除產物自間隙中排除,另一方麵要保(bǎo)持以(yǐ)高電流密(mì)度連續正常放電。
③槍鑽加工工藝
因最早應用於槍管的加工而得(dé)名,適用於深孔的加工,一次走刀加工出精度(dù)較高的孔。工作過程(chéng)中,利用導向(xiàng)條支撐刀具,高壓(一般為3.4~9.8 MPa)切削(xuē)液從(cóng)鑽頭的進油孔送(sòng)到切削區進(jìn)行冷(lěng)卻、潤滑,並幫助排屑,然後將(jiāng)切削與切削液順(shùn)著(zhe)V 形槽排入油箱中。
槍鑽(zuàn)的加工精度,視不同的被加工材料和選用不同的切(qiē)削用量可(kě)以一次加工出精度很高的孔,孔徑精度可以達到IT7 以(yǐ)上,粗糙度可以達到Ra6.3~0.4μm,直線度最(zuì)高(gāo)可(kě)以(yǐ)達到0.1/1000。
④線切割加工工藝
通過線狀(zhuàng)工具電極和工件電(diàn)極的相對運動,對工件進行脈衝放電加工。控製(zhì)電極(jí)絲的走動速度可獲得較低的表麵粗糙度,較高的尺寸精度、形狀(zhuàng)精度和位置精度,但是該方法(fǎ)需要預加工穿絲孔。
1.2 小直徑深孔精加工技術
小深孔精加工(gōng)又稱為深孔的二次(cì)加工。在鑽孔或擴孔之(zhī)後,如(rú)果達不到規定的精度(dù)或粗糙度要求,就(jiù)需要采(cǎi)用深孔精加工技(jì)術(shù)進(jìn)行二次加工甚至更(gèng)多次數的加工。通常,航空機載行業中的作動器、伺服閥(fá)等零件均需(xū)要二次精加工(gōng)。其加工精(jīng)度為IT9~IT5 不等,孔加工粗糙度Ra 一般要求在1.6~0.2μm。
除少數盲深孔零件外,二次加工的特(tè)點是在已有通孔的基礎上(shàng)進行加工。因此,排屑不再成(chéng)為主要障礙,排屑的方式也皇現多樣化,刀具的種類和切削齒數也不拘一格。但由於二次加工仍然是在孔的封閉內(nèi)腔中進行的(de),加之受工件長度、零件結構、孔徑尺寸、工(gōng)件剛(gāng)度和刀(dāo)杆剛度等因素(sù)的影響,所(suǒ)以小深孔二次(cì)加工(gōng)的難度仍然遠高於淺孔的精加工。
目前小深孔精密加工所采用的常用方法主(zhǔ)要(yào)包括研磨加工、珩磨加工等(děng)。
研磨加工是使用研具和遊離的磨料進(jìn)行(háng)微細加工的工藝方法,工件和研(yán)具之(zhī)間相對平動和回轉運動時(shí),利用遊離的(de)磨料進行微細的切(qiē)削加工(gōng)。該方法(fǎ)可獲得很高的尺寸精度、形狀精度、位置精度和較低的表麵粗糙度。該方法的缺(quē)點有(yǒu):①效率低,勞動強度大,並需要操作人員具(jù)有相當的技巧和經驗;②它的尺寸分散性大(dà);③容易在孔(kǒng)的兩端(duān)產生(shēng)研磨喇叭口;④研磨中的磨粒會在孔的窗口、環槽、直槽等處造成破壞,形成研磨淺灘;⑤研磨中使用的研磨膏對零件的清(qīng)洗是個大問題,研磨膏常常難於清洗幹淨,清潔度經(jīng)常超過標準。新的(de)研磨方法成為目前研究的重(chóng)點,例如超聲振動研磨(mó),液體擠(jǐ)壓研磨(mó)等。
珩磨是從磨削發展起來的精整加工手段,可(kě)以使加工表麵的幾何精度、形狀公差、表麵(miàn)粗糙度都得到極大改善。珩磨加工是以固結(jié)磨粒壓力進行切削的光整加工方法。一般工件固定,珩(héng)杆(gǎn)相(xiàng)對於(yú)工件作回轉和往複運動,在(zài)徑向珩(héng)杆(gǎn)可脹縮壓緊工件(jiàn)。可加工的範圍為直(zhí)徑1~1200mm,孔長1200mm,加工精度可(kě)以到0.1μm,最高表麵粗糙度可達Ra0.01μm。珩磨所使用的設備,可以(yǐ)是專(zhuān)業設備,也可以是車床、鑽(zuàn)床或鏜床等普通機床設備的改裝。
2 小直徑(jìng)深孔加工技術在航(háng)空(kōng)機載行業中的(de)應用
2.1 航(háng)空機載行業中小直徑深孔加工技術簡介(jiè)
航空機載行業中電液伺服閥閥套內(nèi)孔(kǒng)、各類飛行器的作動筒(tǒng)內孔就屬(shǔ)細長孔,其深徑比大,精度要求高。加工時所用的刀杆、砂輪杆、研磨杆等均屬細長杆,其剛性差,不能承受較大的切削力,很容易彎曲變形和磨損;此外,電液伺服閥閥套內孔孔壁有很(hěn)多徑向(xiàng)圓孔、方孔或環槽,給內孔的精加工更是增加了難度。
以下是某型閥套內孔現有的加工工藝流程:
麻花鑽鑽孔→鏜孔→鉸孔→淬火→精(jīng)密線切割→研磨(mó)棒研孔
該內孔加工的難點(diǎn)在於半(bàn)精(jīng)加工、精加工時采用的精密線切割校正直(zhí)線度,然後(hòu)采(cǎi)用研磨工藝,由於(yú)受(shòu)研磨套加工精度和剛度(dù)限製,圓(yuán)柱度一直(zhí)在0.003/100mm 左右,且製造成本較高。
2.2 應用(yòng)舉例
在為(wéi)航空機載製造廠選用深孔加工設備時(shí),加工零件的(de)材質、結構特征以及精度都(dōu)是應該注意的,同時要(yào)選擇(zé)合(hé)適(shì)的工藝方法。
如某作(zuò)動器(qì),為了簡化結構(gòu),作(zuò)動(dòng)器中采用精(jīng)密深盲孔的(de)結構較多。該作動(dòng)器的工作壓力將達33MPa 以上,在保證偶件運動靈活(huó)性的同時,要求保證(zhèng)最小的泄露,甚至零泄露。在這種情況下,要求偶件孔(柱塞孔)的(de)圓柱度小(xiǎo)於0.001/100mm,配合間隙小於0.003mm,表麵粗糙度Ra0.4μm。軸向柱塞泵轉子結構示意圖和軸(zhóu)向柱塞泵轉子立體(tǐ)圖分別參見圖1 和2 所示。
該作動器用的柱(zhù)塞(sāi)泵和民用柱塞泵(bèng)區別很大,高可靠性、高強(qiáng)度、大流(liú)量的要求(qiú),決定了其材料(liào)幾乎全為高強(qiáng)度不鏽(xiù)鋼,因此,加工難(nán)度非常大。柱(zhù)塞孔的加工難點是要保證多個柱塞孔的空間位置度(dù)和孔的圓柱度。
·孔徑小:孔徑為10mm,屬(shǔ)於小(xiǎo)孔加工;
·孔深:孔深長150mm,長徑比等於15,屬於深孔加工;
·要求精度高(gāo):要求圓(yuán)柱度為0.001/100mm,配(pèi)合間隙小於0.003mm,屬於典型的精密加工。
如上圖所示,轉子上沿圓周均勻分(fèn)布了多個高精度柱塞孔,目(mù)前的加工主要采(cǎi)用鏜孔加研(yán)磨工藝。由於鏜孔工藝不(bú)可避免會產生錐度,而且對細長孔加工位(wèi)置度難以保證。
由於這些小直徑深孔且均分布在壁厚方(fāng)向,不易采用工件旋轉刀具進(jìn)給的加工方式,宜采用刀具旋轉且進給或工件進給的深孔加工方式(shì),因(yīn)此選(xuǎn)用如下(xià)加工(gōng)工藝:
粗加工(鑽孔、擴孔)→半(bàn)精加工(鏜孔)→精加工(珩磨(mó))
說明如下:
①粗(cū)加工(用較高的(de)生產率去除(chú)大量的加工(gōng)餘量(liàng))采用專(zhuān)用(yòng)的深孔麻花鑽,並進行特殊的刃磨,以保證良好(hǎo)的分屑效果和定心作用。由於孔徑較小,需要超高的主軸轉速,一(yī)般鑽床無法勝任。且普通鑽(zuàn)床(chuáng)加工時刀具直徑過細造成剛度不足,會使加工後的孔直線度超差,給後續加工帶來(lái)困難。因此在(zài)加工小深(shēn)孔時,必須有專業化的小深孔(kǒng)加工工具和深孔機床裝備。
②半精加工(gōng)
由於該孔(kǒng)直徑為Φ10mm,比較適合采用鏜削進行半精加工,進一步提高加工精度,為精加工作準備;③精加工(最終加工,光整加工,提高幾何尺寸精度、改善表麵粗糙度)
原工藝采用研磨(mó)的手工光整(zhěng)手段,效率低,勞動強度大,並需要操作人員具有相當的技巧和經驗,可(kě)改進為珩磨,利用珩磨頭(tóu)對工件進行表麵精加(jiā)工(gōng)。一般采用臥式珩磨機,珩磨頭隻作旋轉運動,工件作往複(fù)運動,由(yóu)塞規式自動尺寸控製裝置保(bǎo)證工件尺(chǐ)寸,尺寸精度可達(dá)0.005mm,可替代研(yán)磨。
如圖所示需選用加(jiā)工孔深(shēn)大於150mm、孔徑涵蓋Φ10mm 的深孔加工設備,同(tóng)時需要達到加工孔的圓柱度(dù)小(xiǎo)於0.001/100mm,配合間隙小於0.003mm。
通過與國外設備廠(chǎng)商的(de)溝通和參觀學習後,在加工作動器的柱塞孔時,采用精密珩磨設備,進行內孔精加(jiā)工,提高精密深孔的圓柱度和位置(zhì)度。該設備最小可以磨削Φ0.8mm 的孔,最大可以(yǐ)磨削Φ36mm 的孔,深度可以達到200mm,粗糙度:Ra0.1~1.6mm;被加(jiā)工(gōng)孔(kǒng)圓度<0.001mm。
3 設備選型需注意的因素
選擇加工設備時,應根據被加工工件的材料性能、形狀、尺寸、加工餘量、精度要求以及加(jiā)工批量等進行(háng)選擇。
3.1 加工工件批量大小及加工工件材料
一般來說,小批量的易加(jiā)工(gōng)材(cái)料,包括碳鋼、一般合金鋼,不管(guǎn)是軸類(lèi)還是(shì)異型件都可用深孔鑽係統進行深孔粗加工,該係統刀具采用槍鑽,內冷外排屑。可方便(biàn)的(de)配(pèi)置在普通車床、鏜床等設備上,加工效率及(jí)加工精度遠高於傳統加工方法,適宜(yí)於中小批量零件的小(xiǎo)直徑深孔加工。選用通用性(xìng)大的、功率小的單軸立式珩磨機(jī)床進行(háng)精密加工。對於大批量、高精度、難加(jiā)工材料的小直徑深孔加工則要選擇(zé)多軸(zhóu)、自動化程度高(gāo)的專用機床,如多軸珩磨機。
3.2 加工工件(jiàn)外形、尺寸
深孔加工依據被加工零件的外形又可分為回轉軸類深孔加工機床和異型體深孔加工(gōng)機床。
異型體上的深孔(kǒng)加工一般選擇F\G 係列(liè)的三坐標深孔鑽床。(F 係列是工作台提供垂直方(fāng)向的移(yí)動,行程小,適合小型工件的深孔加工;G 係列是機床橫梁提供垂直方向的移動,工作台(tái)載重大,上下(xià)行程大,適合大工件的深孔加工。)
3.3 加工工件的孔徑、加工精度要(yào)求及鑽削深度(及長徑比)
對(duì)於一般直(zhí)徑較大、孔深較淺的孔來說比較適合采用(yòng)鏜削加工;而對於(yú)直徑較小、孔深較深(shēn)的孔(直徑小於Φ4mm,深徑比≥10)較適合(hé)鑽削加工。
3.4 選用加工中心的需(xū)求
當前,由於深孔機床的高速發(fā)展,小直徑深孔加工向柔性複(fù)合化趨勢發展,即一次裝夾,完成(chéng)鑽、鏜、車、銑和磨光(guāng)等多刀工序。能夠(gòu)實現高效、精密和集(jí)中加工,避免零件多次裝夾誤差。先決條件是必須采用高速加工中(zhōng)心,而機床的高速化必須滿足下(xià)列條件。
①配備高(gāo)速回轉主軸隨著中心主軸的高速化,已可采(cǎi)用鏜削工具對孔進行精密加工。小(xiǎo)直徑深孔加工需配(pèi)備動平衡性能優異的高速主軸。
②主軸(zhóu)可直接供給冷卻液在鑽削(xuē)過程中(zhōng),加工小直徑深孔必須特別注意排屑問(wèn)題,最好選用帶供油孔的鑽頭,以便進行穩定的加(jiā)工。采(cǎi)用由主軸(zhóu)中心供給冷卻液的方式,對於更換(huàn)卡具的鎖緊螺栓則更為方便。
③具有孔加工用CNC 工具插補功能CNC 切削的特點(diǎn)在(zài)於可以進行控製工具軌跡的合理加工,在對孔進行(háng)CNC 切削加工(gōng)時,可采用螺旋切削、等高走(zǒu)刀、對切等工具插補方式。
4 小(xiǎo)直徑深孔加工技術(shù)的發展趨勢
從(cóng)20 世紀(jì)70 年代起,美國的零部件製造商開始采用內孔(kǒng)磨削的方法,用漲縮式珩磨加工閥孔,而(ér)與之相對應的(de)軸則多采用配磨的方式以保證配(pèi)合間隙。采用(yòng)珩磨工(gōng)藝(yì)與(yǔ)多次手工研磨的工藝相比,加工質量好(hǎo),預(yù)留餘量少,並且生產能力高。但(dàn)是,珩(héng)磨也存在著其局限性。傳統的珩磨加工有產生喇(lǎ)叭口,孔徑尺寸較難控(kòng)製等問題。
國(guó)外的Single pass 精密孔加工技術,也稱整體式珩磨技術,與傳統的珩磨技術相比(bǐ),具有更高的加工精度,更短的加(jiā)工(gōng)時間,更少的操作技能以及更低的加工成本,是未來精密(mì)深孔加工技術(shù)的一個重要發展方向。另外,為(wéi)了(le)適應種類愈來愈多,加工難度愈來愈大的小直徑深孔加工,小直徑深孔加工方(fāng)法已由傳統的切削加工(gōng)方法發展到非傳統的切削加(jiā)工方法,前者是以機械力學為基礎的單刃或多刃刀具的切削方法,後者是以附加能量(如熱切削、低溫切削、磁化切削和振動(dòng)切削),附加介質(zhì)(如添(tiān)加氣體切割或塗覆固體潤滑劑切(qiē)削)、高速切削、電解切削(xuē)以及高能束與(yǔ)射流切削技術等[6]。
傳統(tǒng)小直徑深孔加工采用機械方式去除多餘(yú)材料,具有一些固(gù)定(dìng)缺陷,例如刀具材料硬度必須高於工件硬度,切削力大,工(gōng)件(jiàn)殘(cán)留應力,容易變形,勞動(dòng)強度大,加工環(huán)境惡劣等。當麵臨航空航(háng)天部件複雜(zá)型麵、微元器件,或者工件超硬、超軟、高精度、高(gāo)質量、複(fù)雜形體機構時,傳統機械加工難以達到要求。
為此,許多(duō)研究者提出可采用超聲波振動(dòng)切削的方式。目前,正在探索一種應用範(fàn)圍廣而且工藝合理的超聲波振動切削模式,其中包括研(yán)究機床的適應特性(xìng)等內容。隨著這些問題的順利解決,今後(hòu)可望更好地實現L/D 值更大的小直徑深孔加工,鑽削的(de)速度會(huì)更快,加工精度會更高。
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