復合材料結合界面深長盲孔的加工

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1 序言

機械行業零部件結構越來越復雜，具有深孔(孔深與孔徑比＞5）的產品數量也隨之增加。在車削、銑削等機加工過程中，加工區域通常具有較大的排屑空間，可以確保切屑的順利排出。但是在鉆孔過程中，尤其是深孔鉆削，沒有足夠的排屑空間，極容易引起堵屑或折斷鉆頭；同時鉆花長度過長，鉆花剛度急劇下降，導致加工精度低、表面粗糙質量差等問題。

目前，多種工藝運用于深孔加工中。傳統加工中，主要通過對加工區域的冷卻、排屑進行優化，從而提高深孔加工的效率和質量。如槍鉆、BTA鉆、雙管噴吸鉆、DF系統、SIED技術和MQL冷卻技術（見圖1）等。除傳統機械加工外，利用熱、超聲等能量去除材料也可以實現深孔加工，例如放電加工（EDM）、激光鉆孔、電子束鉆孔和超聲加工（見圖1）等。雖然特種加工技術可用于加工極硬和高強度的材料，但在零件孔徑和深度方面具有局限性，在長時間生產過程中，需要采用專用機械來提高鉆孔質量。

圖1 深孔加工技術

在實際生產中，尤其是大型零部件的深孔加工，大加工量容易使刀具負載增加，加劇刀具的磨粒磨損和粘接磨損。實際生產過程中，工藝路線的差異也會對深孔加工質量產生極大的影響，尤其對復合材料結合界面進行加工時，刀具受力不均會加劇深孔質量的惡化。與此同時，大型法蘭類零件一般采用鏜銑床加工，目前應用成熟的深孔加工方案并不適用于此類零件的加工。基于上述問題，通過對實際生產過程的調研，分析各個因素對某復合材料大型零部件的結合界面處深孔加工質量影響的顯著性，在對加工刀具進行改造的同時考慮工藝路線的影響，并跟蹤和分析新方案對大型零部件深孔加工質量的影響。

2 深孔加工工藝分析

2.1 用途及加工要求

該零件是某大型工程設備中主驅動部分的傳動部件，其通過零件上的若干個深長內安裝銷軸來實現轉矩的傳遞。零件上深長盲孔的加工質量直接影響著定位銷軸的安裝精度，進而制約設備的工作效率以及壽命。零件實物如圖2所示，加工參數見表1。

圖2 零件實物

表1 加工參數

深孔的加工位置處于兩種不同材料的結合界面處，材料加工特性的差異會對深孔的加工產生不可忽視的影響。兩種材料的力學性能見表2。通過表2可知：42CrMo屬于超高強度鋼，具有高強度和韌性；而40CrNiMo相比42CrMo在強度、韌性方面都有所降低，但硬度有所增加。

表2 材料力學性能

2.2 加工受力分析

對深長盲孔加工狀態進行模型分析，如圖3所示。法蘭和花鍵材料分別為42CrMo和40CrNiMo，加工過程中通過夾具將二者貼緊壓實。由圖3a可得如下關系見式（1） 。

式中，Ff為作用在鉆頭切削刃上的總軸向力（N）；Ffo為切削刃上的軸向分力（N）；FfΨ為橫刃上的軸向力（N）；Ffo1為摩擦軸向力（N）。

鉆削力Fco、Fcx、和Fco1分別產生轉矩MFco、MFcΨ和MFco1，工件、鉆頭和切屑之間的摩擦力產生的轉矩為Mf。在均質材料中，當切削刃、橫刃和刃帶相對于鉆頭軸線為對稱分布時,力Fpo、FpΨ和Fpo1彼此相互補償，力2Ffo阻止鉆頭切削金屬。當左右兩邊材料不同時，材料的變形抗力不同，鉆頭左右兩側的Fpo與Ffo不相同，刀具需要額外的偏轉來消除這種差異，從而達到受力平衡，因此刀具的偏轉直接影響了深孔加工的質量。

圖3 模型分析

該材料的加工工藝為：點鉆→引鉆→鉆孔→擴孔→鉸孔。先點孔，用小直徑鉆頭引孔后再用稍大直徑鉆頭鉆至設計孔深；其次采用較大直徑鉆頭擴鉆至設計孔深，最后用與孔公稱直徑相同的高速鋼鉸刀擴孔至符合要求的直徑。采用該工藝加工某大型零件的深長孔合格率僅為6%，且極容易出現刀具燒傷和折斷，如圖4所示。

圖4 刀具燒傷和折斷

3 加工影響因素

結合現場的加工工藝流程，將影響該零件深孔加工質量的因素歸納為：操作人員技能水平、操作人員責任意識、刀具的性能和剛性、加工設備精度、加工工藝和加工設備冷卻能力。調取同一臺加工設備的加工記錄分析各影響因素的顯著性，各因素影響水平見表3。參照正交試驗設計原理，選擇8種組合條件下深長孔的加工合格率作為評價指標，并對各因素進行顯著分析。各組條件下的深孔加工正交試驗結果見表4。

表3 影響因素水平

表4 正交試驗結果

采用SPSS軟件對表4試驗結果進行顯著性分析，結果見表5。由表5可知：在工人技能水平不低的情況下，工藝路線的選擇對加工質量的影響最大。外冷加工方式存在冷卻能力不足的缺陷，會導致加工過程中出現燒損，但選擇耐熱性較好的刀具和合適的加工參數，刀具不會出現損壞，故并未表現出顯著性。

表5 顯著性分析結果

4 工藝優化

綜上可知，影響復合材料結合界面深長盲孔鉆削加工的主要因素可歸納為：刀具的性能、剛性和加工工藝等。其中加工工藝的差異對零件深長盲孔加工質量有著重要的影響。

4.1 傳統加工工藝路線分析

該類型零件的傳統加工工藝路線（加工工藝A）通常為:點鉆→引鉆→鉆孔→擴孔→鉸孔。通過點鉆方式來確定深長孔在零件上所處的位置，以便下一道工序的定位。但是需要注意的是，當中心鉆頭旋轉時，鉆頭切削刃的不對稱以及鉆頭剛性不足容易導致鉆頭出現一定程度的偏轉，當所鉆孔為復合材料界面結合處的深長盲孔時，該偏轉將會進一步放大，從而導致深長盲孔加工不合格。使用傳統工藝路線，所加工孔的中心線可能會發生偏轉，但直徑不會變化。

與此同時，傳統工藝中前三道工序都為粗加工，殘余的精加工余量較大，容易導致后續加工時刀具負荷加劇，刀具的切削刃出現磨損，加工表面粗糙；余量過大，無法去除加工時所留下的刀痕。

4.2 改進加工工藝路線

針對傳統加工工藝中極容易出現鉆偏以及表面質量難以保證的缺點，對加工路線進行改進。采用加工工藝B：點孔→引孔→鉆孔→銑孔→鉆孔→銑孔→鉆孔→銑孔→鉆孔→鏜孔→鉸孔。在工序中引入多次銑削，銑削刀具剛度強于等直徑的麻花鉆，提高了孔的加工精度，同時減少了精加工時的加工余量。

4.3 優化工藝

結合對工藝分析可知，減少加工過程中刀具的切削量，避免加工區域產生過熱是解決該類型零件加工問題的核心。而深長盲孔加工時，用傳統的方式噴射切削液無法滿足加工區域冷卻和潤滑的需求。采用小切削量多次加工的方式，可以極大地提高該類型零件加工的合格率，避免材料加工過程中的過熱現象，減少了刀具的磨損。同時，工件加工區域的加工硬化程度能得到最大程度的改善，也能最大程度地滿足裝配關系。

在改進工藝路線的基礎上進一步優化深長孔的加工工藝，將改進的工藝路線：點孔→銑孔→鉆孔→擴孔→三次鏜孔→鉸孔，改用內冷高速鉆頭，提高鉆削能力和排屑能力。改進鉸刀材質，優化鉸刀選型。首先，對工件進行點孔，使用卡尺測量并確認孔的位置，再返修該孔，用直徑小于孔徑的立銑刀銑深孔，再用合適的鉆頭鉆到圖樣尺寸，然后再用鉆頭擴鉆到圖樣深度，檢查孔的尺寸情況，再采用鏜刀先后進行三次鏜加工，精鏜后測量尺寸精度，再用鉸刀鉸至符合公差要求尺寸。

選用剛性高的刀具對材料進行加工，在相同條件下刀具的阻尼系數越大，刀具所受應力越小，加工質量越好。引入鏜刀糾正鉆孔偏差，采用液壓刀柄、減振刀桿進一步保證垂直度；改用內冷高速鉆頭提高鉆削能力和排屑能力；改進鉸刀材質，優化鉸刀選型。最終該零件的深孔加工合格率≥92%，如圖5所示。

圖5 合格率統計

5 結束語

通過顯著分析復合材料結合界面處深孔鉆削的影響因素，得出加工工藝路線對加工質量影響最大。通過改進工藝路線和優化加工工藝，使復合材料結合界面處深孔加工合格率由原來的5%提升至92%以上。