燃機產品階梯銷孔加工方法研究

馬文寶 董兆鵬 韓海瑞

（共享裝備股份有限公司，寧夏 銀川 750021）

0 引言

燃氣輪機作為一種應用廣泛的大功率、高性能動力機械，其配套零部件上設計有一種階梯銷孔的特征（圖1），同軸度、位置度要求較高，使用兩把刀分開鉆孔、鉸孔可能會導致加工出來的階梯銷孔不能與配件很好配合，無法滿足設計要求。另外，還可能導致鉸刀在鉸孔的過程中因底孔質量差而發生斷裂，對工件本身產生機損，影響加工效率。置精度。

圖1 階梯銷孔結構

為了使加工出來的階梯銷孔能夠滿足設計的同軸度要求及位置度要求，研究總結出一種階梯銷孔的加工方法，經過實際現場試切及加工驗證，證明此種加工方法能夠解決上述問題。

1 工藝流程

一般鉸孔是擴大一個已經存在的孔，用鉸刀從工件原有孔壁上切除微量金屬層，以提高其尺寸精

鉸孔是利用鉸刀對已有的孔進行半加工和精加工的一種加工工藝。鉸孔主要用于中小尺寸的孔的精加工和半精加工，能有效糾正孔的圓度誤差，達到較高的表面質量。由于鉸刀一般齒數較多，導向性好，心部直徑大，刀具的剛性好，鉸削余量小，鉸刀切削的厚度較薄，因此，加工精度可達IT7～IT9級，表面粗糙度值一般可達Ra0.4～1.6 μm。但是它不能保證孔的位置精度，因此在前道工序應保證底孔的位度和減小其表面粗糙度值的方法[1]。其工藝流程為：鉆定位孔、鉆（擴）底孔、鉸孔。該工藝流程對于本文所述的階梯銷孔結構同樣適用，具體的工藝流程如下：

（1）在槽子內壁上加工φ16.2沉孔；（2）沉孔底部鉆底孔的定位孔；（3）在定位孔上鉆底孔φ15.2/φ9.2；（4）鉸孔φ15.6/φ9.6。

注意事項：

（1）加工φ16.2沉孔，由于刀具是單邊吃量，容易發生讓刀的情況，故在加工過程中刀具吃刀量不能太大，需選用剛性較好的刀具進行加工。根據加工產品材質的不同，可靈活定制刀具的材質。（2）鉆定位孔時，中心鉆的直徑需小于φ16.2沉孔（實際使用刀具為φ10的中心鉆），保證在加工過程中不會產生干涉，防止撞刀。（3）底孔φ15.2/φ9.2需一次加工完成。（4）鉸孔φ15.6/φ9.6需一次加工完成。（5）在加工過程中，根據工件材質的不同，鉸孔的質量可能存在些許差異，故在鉆完底孔φ15.2/φ9.2后，可增加擴孔或者粗鉸孔工序，以減少鉸孔φ15.6/φ9.6時的鉸削余量，提交鉸孔質量。（6）由于底孔φ15.2/φ9.2和鉸孔φ15.6/φ9.6都需要一次性加工完成，所以在工件上正式加工之前必須要先在試切件上進行試切。一方面，試切可以檢查刀具是否合適，加工出來的孔的大小是否超差；另一方面，可以試切φ15.2/φ9.2鉆頭和φ15.6/φ9.6鉸刀的最佳切削參數，以此來保證在工件上加工出來的銷孔是合格的，提高鉸孔質量。

2 刀具選擇

上述工藝流程中φ16.2沉孔和定位孔按照通用加工方法選用正常加工刀具：立銑刀、中心鉆，合理選擇規格即可。現對鉆孔及鉸孔刀具進行詳述。

（1）鉆孔φ15.2/φ9.2：在鉆孔時，若將兩個底孔分開進行加工，那么可能會使兩孔的同軸度在鉆底孔時就超出公差范圍，在后續鉸孔時會造成鉸刀上下受力不均而斷裂，對產品本身產生機損。故底孔φ15.2/φ9.2使用一把刀同時加工完成，刀具如圖2、圖3所示（圖2右側為φ15.2/φ9.2鉆頭）。需注意：此鉆頭在加工時，前端φ9.2部分先進行切削，鉆出時要經過槽子鉆φ9.6銷孔的φ9.2底孔，加工此孔時槽底部端面是沒有定位孔的，那么就需要此鉆頭的鉆尖起到一部分定位作用，但是由經驗可知，麻花鉆的鉆尖是無法打定位孔的，故在設計制作鉆頭時就需要明確鉆頭前端直徑為φ9.2部分的長度必須大于槽子寬度，要保證鉆頭φ9.2部分在從φ15.2的孔完全鉆出時有一部分已經鉆進φ9.2底孔內，利用鉆頭前端整體的剛性保證φ9.2定位孔的精度。為達到此目的，刀具的材料要選用硬質合金，例如YT30，具體刀具材質可根據加工產品材質的不同靈活選擇。

圖2 刀具（左側為φ15.6/φ9.6鉸刀，右側為φ15.2/φ9.2鉆頭）

圖3 φ15.2/φ9.2鉆頭

（2）鉸孔φ15.6/φ9.6：為保證此階梯銷孔的同軸度及位置度要求，鉸孔必須使用一把刀一次完成兩個孔的加工，刀具如圖2、圖4所示（圖2左側為φ15.6/φ9.6鉸刀）。在加工過程中若孔的數量較多，那么極有可能是刀具磨損導致最終加工出來的銷孔尺寸偏小，無法進差。故在加工時需時刻注意銷孔直徑，若測量尺寸接近銷孔直徑下偏差，那么就需及時更換新的鉸刀，驗證刀具的圓跳動后再進行加工，確保鉸孔能夠一次性合格。

圖4 φ15.6/φ9.6鉸刀

注意事項：

（1）在保證刀具裝卡時不與工件及夾具產生干涉的情況下，應盡可能縮短鉆頭和鉸刀的刀長，保證鉆頭和鉸刀具有足夠的剛性，防止在加工過程中有斷裂的情況發生。（2）鉆頭和鉸刀的大小端同軸度需在0.02 mm內，跳動公差需在0.02 mm內。（3）鉆頭和鉸刀的夾持單元在裝卡到機床主軸時，需保證其圓跳動公差在0.02 mm以內方可進行加工，故在實際加工前，首先需檢查機床主軸跳動剛性、松拉刀拉力大小。（4）為保證銷孔的加工質量，延長刀具使用壽命，在加工過程中要正確選用切削液，降低切削過程中刀具和工件的溫度，改善散熱，抑制積屑瘤的產生[2]；減少切屑細末粘附在鉸刀刀刃上、孔壁和鉸刀的刃帶之間，以免影響孔的表面粗糙度。一般切削液為乳化液，濃度根據工件材質及實際加工工況進行選擇。

3 切削參數選擇

經過現場實際試切及加工驗證，得到鉆孔和鉸孔的參數如下：（1）鉆孔φ15.2/φ9.2：機床主軸轉速n=240～300 r/min，進給f=12～15 mm/min；（2）鉸孔φ15.6/φ9.6：機床主軸轉速n=65～70 r/min，進給f=4～6 mm/min。

按照上述參數加工完成后，底孔的直徑可以達到15.2/9.20+0.1mm，能夠有效確保鉸孔時有足夠的鉸削余量，控制余量在0.3～0.4 mm，底孔內壁的粗糙度能夠達到Ra1.6 μm左右，提高了鉸孔的質量。鉸孔完成后銷孔內壁粗糙度可以達到Ra0.6～1.6 μm，兩個銷孔的同軸度可以達到0.02 mm以內。

對于其他規格尺寸階梯銷孔的加工，切削參數可根據公式n=1 000vc/πD，結合上述參數進行計算得出。但是由于使用的鉸刀一把刀存在兩種直徑，所以此參數僅能作為參考，在實際加工前需先進行試切驗證，得到最優參數后方可在產品上進行加工，避免理論參數與實際加工參數的偏差導致加工出來的銷孔質量不合格。

4 加工過程中遇到的問題及解決方法

4.1 φ9.6銷孔直徑偏小

此加工方法旨在用一把刀一次性加工完成直徑大小不同的兩個銷孔，所以在加工過程中鉸刀φ9.6、φ15.6兩個部分的磨損速度會有所不同，在轉速相等的情況下，直徑越小的部分刀具的線速度越大，則磨損越快，由此導致在加工過程中，部分φ15.6的銷孔直徑在公差內，但φ9.6的銷孔直徑則偏小，在下偏差外。

為解決此問題，在設計制作刀具時，將直徑為φ9.6部位原本的設計公差φ9.60+0.012更改為φ9.6+0.05+0.012，以平衡鉸刀φ15.6和φ9.6的磨損速度，使φ15.6和φ9.6部位的直徑在加工過程中磨損后盡可能同時到達各自直徑的下偏差。同時，為減緩刀具的磨損速度，在加工過程中需確保有足夠的切削液，以降低刀具的切削溫度。

4.2 鉸刀斷裂

本文所述鉸刀的切削刃由φ9.6和φ15.6兩部分組成，在加工過程中若底孔的同軸度較差，那么在鉸孔時鉸刀的兩部分受到擠壓的力就會不均勻，極易發生鉸刀斷裂的情況，影響鉸孔質量。

為解決此問題，在使用φ15.2/φ9.2鉆頭鉆底孔前，必須使用中心鉆先打定位孔，確保鉆頭在鉆孔時不會發生偏移。另外，鉆頭φ9.2部位的有效切削刃的長度必須大于中間槽子的寬度，以保證鉆頭φ9.2部位在完全鉆透槽子上端面時，至少鉆尖或者部分切削刃已經鉆進槽子下端面，在輔助鉆φ9.2孔定位的同時保證底孔的同軸度在0.02 mm內。

4.3 底孔質量不合格

底孔質量不合格一般存在兩種情況：尺寸不合格、位置度不合格。

尺寸不合格一般是由于刀具尺寸不合格或切削參數不合適。刀具尺寸不合格需重新補充采購新的刀具，使用前對刀具進行檢驗，確保刀具直徑在設計公差內再進行加工；切削參數在上文給出了推薦值，但是此參數僅針對在特定工況下加工特定的產品，若加工其他產品需先根據公式推算出理論切削參數，再進行試切，得出適合實際加工的切削參數。

位置度不合格需先確定刀具的圓度是在公差內的，再考慮機床主軸的跳動情況及松拉刀的拉緊程度。

5 結論

采用上述加工方法可滿足階梯銷孔的同軸度及位置度要求，保證刀具直徑、同軸度在設計公差內，還可降低機床質量事件發生的概率，提升加工效率。

通過實際驗證得出，φ15.6/φ9.6階梯銷孔底孔及鉸孔加工均使用定制刀具φ15.2/φ9.2鉆頭和φ15.6/φ9.6鉸刀一次性完成。鉆孔φ15.2/φ9.2時，機床主軸轉速n=240～300 r/min，進給f=12～15 mm/min；鉸孔φ15.6/φ9.6時，機床主軸轉速n=65～70 r/min，進給f=4～6 mm/min。加工完成后，銷孔直徑合格，均在公差范圍內：φ15.60+0.018、φ9.60+0.015；內壁粗糙度合格，達到Ra0.6～1.6 μm；兩個銷孔的同軸度合格，在0.02 mm內；位置度合格，在分度圓φ2 293.01上均在公差范圍φ0.2 mm內。

本文僅以φ15.6/φ9.6階梯銷孔為例進行敘述說明，對于相似特征產品的加工，也可使用此種加工方法，刀具及切削參數的選擇可參考上文參數，利用公式進行推算得出理論參數，然后進行試切得到最優參數，再進行加工。