復雜外形油缸孔加工工藝的研究

蔣友強 呂 鋒

（中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司，常州 213011）

隨著工程設備設計制造技術的不斷發展，對油缸外形要求越來越高。對于復雜外形的油缸內孔加工來說，傳統的鏜削后珩磨工藝雖能保證油缸加工精度，但存在加工工序分散、效率低、成本較高以及設備應用多等缺點。同時對于高精度、高粗糙度和盲孔平底等高要求的油缸內孔，數控鏜削加工往往無法達到產品加工要求，為此需要通過數控加工中心，選擇合適的刀和加工工藝進行解決。中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司養路機械產品中所使用的油缸，外形復雜，形狀不規則，零件平底盲孔深度312mm，內孔粗糙度Ra為0.8，材料為低合金鋼，孔底與端面有平行度和深度要求，內孔光潔度要求及使用頻率都比較高，為保證零件具有更好的強度和耐磨性，精加工前材料需要進行調質處理，零件結構如圖1所示。

圖1 產品機構圖

1 原加工工藝問題與難點

由于外形復雜、工序多，該零件采用臥式四軸加工中心進行加工，加工重點在于油缸孔的加工。該油缸孔尺寸為Φ75H7，零件毛坯直徑和深度均留5mm余量。由于油缸孔為盲孔，加工工藝采用鏜削的方式加工，工藝流程如下：鉆→擴→半精鏜→精鏜→珩磨（珩磨機）。通過珩磨，滿足孔尺寸精度、粗糙度要求，經過一段時間加工，發現該工藝存在以下缺點：

（1）對于300mm左右深盲孔，排屑比較困難，易造成孔低阻塞引起刀具打刀，導致工件報廢。另外，深盲孔在加工過程中，刀具切削狀況無法直觀判斷，對產品質量產生很大影響。

（2）油缸孔較深，造成精鏜孔存在鐵屑堆積在孔底拉毛孔壁等問題。同時，切削至孔底時刀片易發生打刀、崩刃現象，且精鏜孔一次切削時間較長，對刀具耐磨性能要求較高。

（3）采用珩磨工藝加工工序分散、效率低、成本較高、設備應用多。

2 鏜削過程控制及工藝改進

經過實際加工驗證，鏜孔工序可調整至粗鏜→底平面加工→半精鏜→精鏜→鏡面滾壓。

2.1 更換刀片

粗鏜深盲孔鏜刀導桿長，鏜削過程易產生振動，刀具使用壽命降低，鏜削孔壁質量下降，此外徑向余量為5mm的深盲孔一次鏜削對刀片要求較高。實踐發現國產菱形粗鏜刀片（CCMT120408-GP-P1225）在鏜削過程振動嚴重，可更換為德國瓦爾特牌刀片（CCMT120408－PM5），該刀片前角較前者更加鋒利，解決了刀具振動問題，同時耐用度好不蹦刃。考慮到粗鏜時切削熱問題，可為此刀具進行內噴冷卻，針對加工材料調整至最佳切削參數。

2.2 采用分段鏜削方式

粗鏜深盲孔過程鐵屑不易排出，在加工過程中不能直接觀察刀具切削情況，只能通過切削噪音和刀片磨損情況間接了解其工作狀況。為防止孔底部容屑量不足造成刀具損壞，可采用分段鏜削方式，加工過程中需要及時清理孔底部殘留鐵削，這樣就避免了崩刀、悶刀。為安全起見，要根據孔深適當調整分段鏜削次數，針對本文所提到的312mm缸孔深度，可選擇兩次鏜削加工。

2.3 增加半精鏜刀具

精鏜產生卷屑狀切削纏繞到刀頭，切屑排不出，鏜削到孔底部時堆積鐵屑成餅狀，再加上刀頭部分容屑量小，容易造成刀片崩刃和孔底部尺寸超差現象。因此可通過增加半精鏜刀具方法，減少最終精鏜余量。半精鏜同樣使用精鏜刀具，但需要鏜刀頭前端伸出刀體一段距離，解決了孔低加工容屑量不足問題。經過多次對比，最后采用瓦爾特45°刀頭可伸縮刀具；半精加工刀片選取東芝Kyocera CCMT09T304-PS雙頭可轉位刀片，半精鏜后余量控制在0.1～0.15mm之間，保證后續精鏜尺寸穩定，同時避免了盲孔因切削堆積孔底而發生缸孔底部缸體尺寸超差問題。

2.4 改變精鏜刀片

精鏜采用Kyocera TPGH110304L三頭可轉位刀片，精鏜尺寸可穩定控制在0.01mm公差范圍內，刀片單刃可鏜削10個深缸孔，同時鐵屑斷屑而不纏繞，解決了盲孔因切削堆積孔底造成缸孔底部部分尺寸超差問題。結合實際加工經驗和滾壓刀具參數，精鏜后給滾壓預留直徑方向0.01～0.02mm滾壓過盈余量。精鏜完成后，調出內噴刀具，編制刀具走螺旋線沖刷程序，同時在孔底不同距離沖刷15秒左右，對孔底部殘留的細小鐵削進行沖刷，再用氣槍將孔底和孔壁清除干凈。

2.5 優化加工設備

采用傳統的珩磨工藝雖然能夠滿足鏜削粗糙度要求，但珩磨機設備價格昂貴，且工序分散、效率低。加工中心采用滾壓技術能夠有效解決工序分散等問題，達到提升效率、降低成本的有目的。經過國產和進口滾壓刀具對比，本文加工選擇了德國品牌BAUBLIES（寶力士）滾壓刀具，對孔內壁進行滾壓加工，經檢驗產品達到粗糙度、圓度等尺寸要求。滾壓刀具同樣采用內噴冷卻方式降低滾壓產生的熱量，提高滾壓效果，增加滾壓刀具使用壽命。

3 深盲孔滾壓技術應用分析

在傳統內孔鏜削、珩磨方式下，利用鏡面滾壓技術將成為機械制造的一種新趨勢。滾壓刀是利用機械擠壓原理，獲得光潔度較高的金屬表面的一種機械無切削加工方法。在數控設備上使用鏡面滾壓刀具，不僅滿足了缸孔粗糙度和尺寸要求，而且提升了工作效率高。

3.1 采用滾壓工藝零件的質量優點：

金屬工件在表面滾壓加工后，表層強化極限強度和屈服點增大，工件使用性能、抗疲勞強度、耐磨性和耐腐蝕性都有明顯提高。經過滾壓處理后，工件硬度可提高15%～30%，耐磨性提高15%。滾壓加工可以使表面粗糙度Ra從6.3提高至2.4～0.2。針對中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司的油缸零件實際鏜孔后粗糙度Ra為1.6，經過滾壓后粗糙度Ra滿足要求。另外，滾壓處理后工件疲勞強度提高30%，修正圓度≤0.01mm。

2.2 效率優勢

滾壓時Vc取20～100m/min，f取0.2～1mm/r。經過多次滾壓試驗，在保證質量前提下，為提升工作效率，精鏜后給滾壓預留直徑方向0.01～0.02mm余量，孔徑75mm油缸確定滾壓刀具切削參數轉速為500r/min，進給為400mm/min，不到1min即可將表面加工至圖紙要求的粗糙度。

2.3 滾壓注意事項

滾壓前必須把工件內孔擦洗干凈，過盈量靈活掌握，即工件材料硬度高、壁薄，原始表面粗糙度值低，其過盈量就小一些；反之，可適當增大。滾壓壓力對滾壓后工件表面粗糙度、尺寸以及精度都有影響，一般情況下滾壓力增加，表面粗糙度提高，當滾壓力增至一定程度時，表面粗糙度不再提高，若繼續增加，滾壓表面開始惡化并出現裂紋。

當預加工粗糙度Ra為1.6時，只要過盈量合適，粗糙度可達Ra0.4以上；但當預加工粗糙度Ra為6.4～3.2時，加工表面有振動亂刀紋，較深的刀紋不能被滾壓光。因此，預加工表面粗糙度最好小于3.2。滾壓過盈量的大小對表面粗糙度和幾何精度也有很大影響，最大過盈量受多種因素影響，因此要進行多次試驗。滾壓速度對表面粗糙度影響很小，可以通過提高滾壓速度達到提升生產效率的目的。

4 結語

選擇合理的刀具，運用分段鏜削方式去除孔余量，同時將滾壓技術與加工中心相結合，可以加工出高精度、高光潔度的深盲孔，解決了一般工藝方法無法控制尺寸精度要求等問題，并在日常加工中得到了很好的應用。