一種硬鋁合金深孔薄壁零件加工方法研究

張博林，李毅，姜忠平

（航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽(yáng) 441003）

0 引言

某深孔零件的材料為7075-T6，屬于硬鋁合金，如圖1所示，由于零件結(jié)構(gòu)上的要求，內(nèi)孔長(zhǎng)徑比大于15倍。同時(shí)，由于零件最小單邊壁厚約為2.84 mm，屬于典型的深孔薄壁零件，在加工過(guò)程中，存在工藝系統(tǒng)剛性較差、散熱較難、排屑空間小，容易產(chǎn)生加工變形等問(wèn)題，導(dǎo)致加工質(zhì)量不穩(wěn)定。根據(jù)以上情況，針對(duì)該零件在加工過(guò)程中存在的難點(diǎn)進(jìn)行了分析，優(yōu)化了加工過(guò)程，從內(nèi)孔加工方法、加工刀具、切削參數(shù)、粗精加工余量以及外形加工等方面重新制定了加工方案，提出了一種采用深孔鉆削和拉鏜拉鉸的方法加工內(nèi)孔，然后以內(nèi)孔為定位基準(zhǔn)加工外形，最后珩磨內(nèi)孔至最終尺寸的思路，該方法不僅保證了零件的加工質(zhì)量，而且提高了加工效率，非常有利于零件的批量生產(chǎn)。

圖1 某7075-T6深孔零件

1 加工分析

2 深孔加工

2.1 深孔加工方法

通常，將孔深超過(guò)孔徑尺寸5倍以上的圓柱孔稱為深孔。在加工過(guò)程中，由于深孔處于封閉或半封閉狀態(tài)，也就決定了深孔加工具有切削散熱困難、排屑困難、系統(tǒng)剛性較差等加工特點(diǎn)[1]。常用的深孔加工方法有槍鉆、深孔鉆、推鏜推鉸和拉鏜拉鉸4種。槍鉆加工是在槍鉆專用機(jī)床上通過(guò)槍鉆來(lái)實(shí)現(xiàn)，槍鉆由鉆柄、鉆桿、鉆頭組成，在加工過(guò)程中，切削液由槍鉆尾部注入，流經(jīng)鉆桿中間部分，經(jīng)過(guò)鉆頭頭部小孔到達(dá)切削區(qū)，進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑，切屑從鉆頭和鉆桿的V形槽中排出。深孔鉆在加工過(guò)程中，切削液通過(guò)鉆桿外圓與零件孔壁之間的空隙，到達(dá)切削部分，進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑，同時(shí)將切屑從刀桿內(nèi)部排出至機(jī)床后部的集屑裝置。推鏜推鉸在加工過(guò)程中，刀桿始終處于受壓狀態(tài)，對(duì)內(nèi)孔加工精度有一定的影響，通常適用于精度要求不高的深孔加工。拉鏜拉鉸在加工過(guò)程中，刀桿始終處于受拉狀態(tài)，不易產(chǎn)生彎曲變形，適用于精度要求較高的深孔加工。

2.2 7075-T6深孔加工

2.2.1 深孔鉆削

根據(jù)該零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由于內(nèi)孔的長(zhǎng)徑比大于15倍，無(wú)法直接一次裝夾采用普通的麻花鉆進(jìn)行鉆孔，可以采用能夠進(jìn)行內(nèi)排屑的深孔鉆進(jìn)行鉆孔，如圖2所示，它由切削刃、鉆尖、導(dǎo)向塊、排屑孔等組成。在專用深孔鉆鏜床上進(jìn)行鉆削時(shí)，切削液通過(guò)授油器經(jīng)過(guò)刀桿外圓與零件孔壁的空隙，到達(dá)切削加工區(qū)，起到冷卻、潤(rùn)滑作用，同時(shí)，將切屑從刀具內(nèi)孔及與之相連的刀桿中排出。

圖2 深孔鉆

在深孔鉆削加工前，必須在零件外圓的一端車削出與機(jī)床反頂錐盤相匹配的30°±30′倒角，如圖3所示，起頂緊、密封作用。在加工過(guò)程中，刀具與刀桿通過(guò)方牙螺紋進(jìn)行連接。根據(jù)材料特性、零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工余量，可以先采用φ34深孔鉆在零件中心鉆φ34通孔，去除大余量，再在零件一端車兩個(gè)引導(dǎo)孔，在零件另一端車長(zhǎng)1 mm的30°±30′倒角，然后拉鏜拉鉸內(nèi)孔至φ39，以校正深孔鉆在鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的偏斜。

圖3 車倒角

2.2.2 拉鏜拉鉸

對(duì)于7075-T6硬鋁合金深孔薄壁零件，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及加工要求，可以采用一次裝夾多次走刀的方法加工內(nèi)孔。如果采用推鏜推鉸的加工方法，在加工過(guò)程中，刀桿一端受到向前的推力作用，另一端受到切削零件的反向作用力，容易產(chǎn)生一定的彎曲變形，對(duì)內(nèi)孔加工精度有一定的影響。采用拉鏜拉鉸的加工方法，在加工過(guò)程中，刀桿一端受到向后的拉力作用，另一端受到切削零件產(chǎn)生的反向作用力，刀桿始終處于受拉狀態(tài)，不易產(chǎn)生彎曲變形，非常有利于保證內(nèi)孔尺寸精度及直線度。在加工內(nèi)孔前，必須在零件外圓一端車削精度要求較高的引導(dǎo)孔，引導(dǎo)刀具進(jìn)行初始階段的內(nèi)孔加工。同時(shí)，在零件外圓的另一端必須車削出與機(jī)床反頂錐盤相匹配的30°±30′倒角，起到頂緊、密封作用，如圖4所示。

圖4 倒角及引導(dǎo)孔

圖5 六齒深孔加工刀具

由于深孔加工刀具頭部有倒角，在加工出來(lái)的內(nèi)孔根部也會(huì)形成與刀具角度一致的倒角，如圖6所示，因此可以在內(nèi)孔直徑加工到尺寸后，以內(nèi)孔為定位基準(zhǔn)，采用車削的加工方法，外圓見光，然后，以外圓為定位基準(zhǔn)，平左端面，將內(nèi)孔φ39鏜至φ40，接著從φ40孔進(jìn)入，車掉內(nèi)孔根部倒角，直徑方向尺寸控制在內(nèi)孔尺寸的上偏差，長(zhǎng)度方向位置尺寸距左端面20 mm，長(zhǎng)度為30 mm，最后平另一端面，保證內(nèi)孔深度960 mm及零件總長(zhǎng)。此外，在內(nèi)孔加工完成后，刀具在進(jìn)行退刀的過(guò)程中，內(nèi)孔表面會(huì)產(chǎn)生因刀具退刀而造成的劃痕，因此內(nèi)孔需要進(jìn)行珩磨。

圖6 內(nèi)孔

同時(shí)，在該零件內(nèi)孔加工過(guò)程中，必須進(jìn)行充分的冷卻潤(rùn)滑，對(duì)于材料為7075-T6硬鋁合金，在深孔鉆削和拉鏜拉鉸過(guò)程中，采用專用深孔極壓切削油，可以起到良好的清洗、冷卻和潤(rùn)滑作用，有效降低切削區(qū)域的加工溫度，保證零件內(nèi)孔的加工質(zhì)量。

3 外形加工

對(duì)于該零件，由于零件總長(zhǎng)為980 mm，為了保證零件加工剛性，在加工過(guò)程中，必須通過(guò)中心架在零件外圓中間部分進(jìn)行支撐[2]，采用硬質(zhì)合金刀片分粗、精加工進(jìn)行車削，在粗加工時(shí)，用70°車刀車外圓，主軸轉(zhuǎn)速為380 r/min，進(jìn)給量為0.2 mm/r，每刀切削深度為1.0～1.5 mm；在精加工時(shí)，用30°車刀車外圓，主軸轉(zhuǎn)速為520 r/min，進(jìn)給量為0.1 mm/r，切削深度為0.10～0.25 mm。在車削外螺紋M60×1.5-6g和M58×1.5-6g時(shí)，可以采用與螺紋螺距1.5 mm相對(duì)應(yīng)的硬質(zhì)合金螺紋刀片進(jìn)行車削。

4 珩磨內(nèi)孔

4.1 珩磨頭

珩磨[3]是一種低速、精密加工方法，利用鑲嵌在珩磨頭上的珩磨油石，在一定壓力作用下做徑向擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，使油石與零件被加工表面進(jìn)行接觸，從而形成交叉而不相重復(fù)的網(wǎng)紋，具有加工精度高、表面質(zhì)量好、切削效率高等特點(diǎn)。在珩磨加工過(guò)程中，按運(yùn)動(dòng)形式可以分為兩種：一種是珩磨頭在機(jī)床主軸的帶動(dòng)下，一方面做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，另一方面做徑向擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，零件不旋轉(zhuǎn)；另一種是零件在機(jī)床主軸的帶動(dòng)下做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，珩磨頭不旋轉(zhuǎn)，只做軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)和徑向擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)。珩磨根據(jù)機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)的形式，又分為立式珩磨和臥式珩磨。由于立式珩磨的珩磨頭處于下垂?fàn)顟B(tài)，在珩磨過(guò)程中，磨削下來(lái)的切屑很容易被切削液帶走，所以具有珩磨精度高、占地面積小、便于操作等特點(diǎn)。珩磨頭主要由油石、磨頭體、油石座、導(dǎo)向條、彈簧、錐體脹芯等組成，如圖7所示。除了珩磨小孔用的專用珩磨頭，磨頭與聯(lián)接桿做成一體，對(duì)于珩磨尺寸較大的孔，磨頭和聯(lián)接桿都分開制造。根據(jù)珩磨頭與主軸的聯(lián)結(jié)形式，可以分為浮動(dòng)聯(lián)結(jié)、半浮動(dòng)聯(lián)結(jié)和剛性聯(lián)結(jié)，由于浮動(dòng)聯(lián)結(jié)在聯(lián)接桿的上下端分別使用萬(wàn)向接頭聯(lián)結(jié)，可以使珩磨頭在珩磨過(guò)程中始終處于自由狀態(tài)，以部分消除主軸中心對(duì)工作臺(tái)垂直度以及零件內(nèi)孔同軸度等影響，確保珩磨油石在孔內(nèi)能夠穩(wěn)定地加工，因此浮動(dòng)聯(lián)結(jié)是常用的聯(lián)接形式。

在珩磨頭中，珩磨油石磨料的選擇至關(guān)重要，直接影響著珩磨加工的表面質(zhì)量和加工效率[4]。在選擇珩磨油石時(shí)，應(yīng)根據(jù)被加工材料的特性以及零件的結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求等綜合考慮。此外，珩磨油石粒度的粗細(xì)直接影響著加工表面粗糙度及生產(chǎn)效率，在滿足零件表面粗糙度的情況下，應(yīng)選擇粒度粗一些的珩磨油石，可以提高珩磨加工效率。目前，常用的珩磨油石有白剛玉、單晶剛玉、綠色碳化硅、人造金剛石、立方氮化硼等。

4.2 珩磨內(nèi)孔

5 結(jié)語(yǔ)

一種硬鋁合金深孔薄壁零件加工方法研究通過(guò)分析某材料為7075-T6硬鋁合金的深孔薄壁零件加工難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了在專用深孔鉆鏜床上采用深孔鉆鉆削內(nèi)孔，再用六齒深孔加工刀具一次裝夾拉鏜拉鉸內(nèi)孔，然后以內(nèi)孔作為定位基準(zhǔn)加工外形，最后在臥式珩磨機(jī)上采用綠色碳化硅的油石珩磨內(nèi)孔至最終要求的方法，該方法不僅能夠保證零件的加工精度要求，還可以為類似零件的加工提供借鑒與參考。