機械零件中孔系加工工藝

孔作為機械零件上最常見和最常用的特徵，起著不同的作用和用途，有定位孔、基準孔、裝配孔、工藝孔等等，孔的精度和要求也大不一樣，在先進的數控設備應用的同時，孔的傳統加工工藝勢必受到極大的衝擊，孔加工的方式、工藝、刀具等也隨之而變，以銑代鑽、以銑代鉸、以銑代鏜也應用而生，在提高產品加工的質量和生產效率的同時，應不斷探索孔的加工工藝，尋找新的加工方法，不斷提升製造水平。本文是筆者在總結自身對孔加工經驗的基礎上，試圖以此為例，分析和發現孔加工的一般性規律，文章從鑽孔、鉸孔、鏜孔、銑孔的工藝出發，剖析各工藝過程的利弊，意在探索高質量高精度加工的工藝過程，找出淺顯可行的技術分析方法。
孔是機械零件上極為常見的特徵，在許多類零件上都帶有孔。據其使用特性及作用不同，加工時的尺寸精度及表面質量大不一樣，然隨著三軸聯動數控銑床及加工中心的不斷應用，孔的加工工藝也發生著重大的變化，孔的加工不再以鑽削加工為主了，取而代之的是工藝集中的複合加工工藝，既便如此，也不能說一個高精度要求的孔的加工工藝是固定一塵不變的。北京機床研究所副總工藝師金福吉一針見血地指出：「我國孔加工的工藝跟質量落後發達國家30年一點也不為過，究其原因，就在於孔的加工工藝的落後。」實際上，孔的加工是刀具在工件內部進行，切屑的排除、散熱、觀察都比較困難，孔的大小又限制了刀具的大小，孔的精度也限制了刀具的精度等級，測量內孔的尺寸又不方便。由此可見，在傳統孔加工工藝的基礎上，急需新的孔加工工藝，這些均要求加工人員要重視孔的加工工藝和各種特點。
一、鑽削加工
1.所用刀具
刀具有普通麻花鑽、可轉位淺孔鑽、扁鑽等。在加工中心上鑽孔，大多數採用普通麻花鑽。麻花鑽有高速鋼和硬質合金兩種。麻花鑽的組成，它主要由工作部分和柄部組成。工作部分包括切削部分和導向部分。
麻花鑽的切削部分有兩個主切削刃、兩個副切削刃和一個橫刃。兩個螺旋槽是切削流經的表面，為前刀面;與工件過渡表面(即孔底)相對的端部兩曲面為主后刀面;與工件已加工表面(即孔壁)相對的兩條刃帶為副后刀面。前刀面與主后刀面的交線為主切削刃，前刀面與副后刀面的交線為副切削刃，兩個主后刀面的交線為橫刃。橫刃與主切削刃在斷面上投影間的夾角稱為橫刃斜角，橫刃斜角Ψ=50°—55°;主切削刃上各點的前角、后角是變化的，外緣處前角約30°，鑽心處前角接近0°，甚至是負值;兩條主切削刃在與其平行的平面內的投影之間的夾角為頂角，標準麻花鑽的頂角2ψ=118°。
麻花鑽導向部分其導向、修光、排屑和輸送切削液作用，也是切削部分的後備。
根據柄部不同，麻花鑽有莫氏錐柄和圓柱柄兩種。直徑為8—80mm的麻花鑽多為莫氏錐柄，可直接裝在帶有莫氏錐孔的刀柄內，刀具長度不能調節。直徑0.1—20mm的麻花鑽多為圓柱柄，可裝在鑽夾頭刀柄上。中等尺寸麻花鑽兩種形式均可選用。
2.工藝特性
鑽削為孔加工中必不可少的粗加工階段，該階段主要考慮的是材料的去除，這一過程主要靠機床主軸的軸嚮應力進行切削的，所以說切屑是擠出來的，因此，以鑽為主的粗加工就會有切屑纏繞與孔內壁處變形大這一結果，在這一過程中重點考慮的是解決鑽尖的冷卻與切屑的纏繞，也就是說，以鑽為主的加工考慮的就是效率，而對孔而言，無法保證孔的加工質量，即便是用鑽頭自小而大擴孔，亦不能解決擠壓造成的變形問題。可以這麼說用鑽頭以鑽削加工為主，僅用於粗加工和半精加工階段，不允許用此工序完成一個孔的精加工。這一階段鑽頭的選用一般都要小於孔的尺寸，一旦選用和孔尺寸一致大小的鑽頭，該孔的加工勢必報廢。
二、鉸削加工
1.所用刀具
機用鉸刀。通用標準機用鉸刀。
鉸刀工作部分包括切削部分與校準部分。切削部分為錐形，擔負主要切削工作。切削部分的主偏角為5°—15°，前角一般為0°，后角一般為5°—8°。校準部分的作用是校正孔徑、修光孔壁和導向。為此，這一部分帶有很窄的刃帶(γo=0°，αo=0°)。校準部分包括圓柱部分和倒錐部分。圓柱部分保證鉸刀直徑和便於測量，倒錐部分可減少鉸刀與孔壁的摩擦和減少孔徑擴大量。
標準鉸刀有4—12齒。鉸刀的齒數除了與鉸刀直徑有關外，主要根據加工精度的要求選擇。齒數對家工表面粗早讀的影響並不大。齒數過多，刀具的製造重磨都比較麻煩，而且會因齒間容屑槽減少，而造成切屑堵塞和划傷孔壁以致使鉸刀折斷的後果。齒數過少，則鉸削時穩定性差，刀齒的切削負荷增大，且容易產生幾何形狀誤差。鉸刀齒數可參照下表選擇。

鉸刀齒數選擇表
2.工藝特性
為提高孔的表面質量，獲得較低的粗糙度值，鉸削加工是必不可少的。受刀具特性的影響，在該工序中，鉸削余量一定要小，不然，損壞鉸刀且不說，甚至於會影響孔的最終尺寸和形狀。鉸削加工對孔的內壁起了修光作用，尺寸精度全部取決於鉸刀的精度，鉸H7的孔必須用H7的鉸刀，鉸H6的孔必須用H6的鉸刀。儘管如此，鉸削有一重大的缺陷，就是該工藝過程不能糾正孔的垂直度，「底孔正，孔鉸正;底孔斜，孔鉸斜。」顯然，通過刀具的精度僅能保證孔的尺寸精度，但不能保證孔的位置精度。由此看來，若用此工序進行精加工，須提前解決好孔的垂直度。
三、鏜削加工
1.所用刀具
鏜孔所用刀具為鏜刀。鏜刀種類很多，按切削刃數量可分為單刃鏜刀和雙刃鏜刀。鏜削通孔、階梯孔和不通孔可選用單刃鏜刀。
單刃鏜刀頭結構類似車刀，用螺釘裝夾在鏜桿上。螺釘1用於調整尺寸，螺釘2起鎖緊作用。
單刃鏜刀剛性差，切削時易引起振動，所以鏜刀的主偏角選的較大，以減小徑向力。鏜鑄鐵或精鏜孔時，一般取κr=90°;粗鏜鋼件孔時，取κr=60°—75°，以提高刀具的壽命。
所鏜孔徑的大小要靠調整刀具的懸伸長度來保證，調整麻煩，效率低，只能用於單件小批量生產。但單刃鏜刀結構簡單，適用性廣，粗、精加工都適用。
2.工藝特性
從刀具結構特點來看，鏜孔過程僅僅是一個點切削，故切削力對刀具的磨損特大，所以說加工余量一定要小，不然極易損壞刀具，切削過程也要緩慢，不然孔的表面質量不高，粗糙度值增大。儘管如此，該過程有最大的一個有點，就是他能糾正孔的垂直度和圓度，以為它是圍繞軸線旋轉的點切削，在點切削帶來優越性的同時，也帶來了不容忽視的缺陷，即退刀過程中刀尖對孔內壁質量的影響，因此說，在使用這一工藝過程時，重點考慮的是如何進刀、如何退刀的問題。常見的有鏜定後退刀、停刀、抬刀。有時用於手動方式抬刀等等。
四、銑削加工——以銑代鉸，以銑代鏜
1.所用刀具及刀具介紹
所用刀具是立銑刀。立銑刀是數控機床上用得最多的一種銑刀，其結構。立銑刀的圓柱表面和端面上都有切削刃，周刃和端刃可同時進行切削，也可單獨進行切削。
立銑刀圓柱表面的切削刃為主切削刃，斷面上的切削刃為副切削刃。主切削刃一般為螺旋齒，這樣可以增加切削平穩性，提高加工精度。由於普通立銑刀端面中心處無切削刃，所以立銑刀不能做軸向進給，端面刃主要用來加工側面相垂直的底平面。
為了改善切屑捲曲情況，增大容屑空間，防止切屑堵塞，刀齒數較少，容屑槽圓弧半徑則較大。一般粗齒立銑刀齒數為3—4齒，細齒立銑刀齒數為5—8齒，套式結構為10—20齒，容屑槽圓弧半徑r=2—5mm。當立銑刀直徑較大時，還可製成不等齒距結構，以增強抗震作用，使切削過程平穩。
2.工藝概述
前面幾種孔的加工工藝，實質上均是機床的一個點位控制，機床僅控制動作過程，並不控制精度，而精度全部體現在所用的刀具上，刀具的精度不上去，再好的數控機床亦不能加工出高精度、高質量的孔，再者，使用刀具頗多，給換刀帶來不便。這些均是上述幾種加工過程的不足之處，而用立銑刀銑孔，就能彌補上述加工的缺陷，完全可以實現以銑代鉸、以銑代鏜，用通用性好的立銑刀，完成一個高精度要求的孔的加工，充分發揮了數控系統的功能，精度用程序來控制，這正是當前數控應用的一個新課題，就是充分利用數控設備，結合數控程序，簡化工藝過程優化加工工序，發揮數控設備的優勢。
如要完成以銑代鉸、以銑代鏜，需要編螺旋線加工程序，控制立銑刀走螺旋線軌跡，實現兩軸半及三軸聯動的控制，完成一個高質量高精度要求的孔加工。
以上幾種孔加工工藝，均有優缺點，然一個高質量孔的加工完成，並沒有一個固定的過程，也非傳統意義上孤立的鑽、鉸、鏜、銑，有時可能需要將這些過程複合性地柔和在一起使用，有時可能需利用現有的條件，局部狹義地運用某一工藝，說到底，工藝也是為質量服務的。在實踐中，在提高零件質量的基礎上，應注意提高效率。我們也渴望有更好的孔加工方式和孔加工工藝，從而在數控機床裝備機械製造業的同時，在真正意義上提升加工的產品質量和效益，使其發揮更大的效能，更好地為我國的經濟發展服務。