1 零件結構及問題分析
某機匣類零件結構如圖1所示，該零件為薄璧環形（xíng）件，材料2Cr13，材料硬度HBS=241-341，直徑530mm，加工工藝較為（wéi）複雜，經分析主要存（cún）在如下難（nán）點：孔直徑公差嚴，共2組（zǔ）孔40處ф5.4-0.024/-0.016，40處ф6-0.016/-0.024，80個孔公差0.008mm，孔位（wèi）置度要求0.1。精度要求高，加工過程中刀具磨損、主軸跳動、切屑參數的微小影（yǐng）響，都易導（dǎo）致孔徑公差0.008mm超差；孔數量多，加大加工難（nán）度。由於孔公差嚴，在第一個孔徑加工調整精確後，後續孔徑加工由於各種因素影響也會發生變化（huà），如：刀具磨損（sǔn）、溫度影響、冷卻液影響、工（gōng）作台區域性精度（dù）影（yǐng）響等。加工中可變因素的累積（jī）影響往（wǎng）往超（chāo）過孔徑公差0.008mm要求，因而需要細心研究分析，尋找最佳加工方案；40處ф5.4-0.024/-0.016是（shì）精密台階孔（kǒng），台階處有倒角，增加尺寸精度保證的難度。刀具設計（jì）要增加端麵刃，加（jiā）工過程刀刃（rèn）切削（xuē）孔徑的同時切（qiē）削孔端麵，是一（yī）個複合加工形（xíng）式，徑向（xiàng）與軸向的受（shòu）力不均極易導致孔徑超差（chà）。
圖（tú）1 零件結構示意圖
2 研究內容
精密孔鏜鉸（jiǎo）孔工藝技術研究：工步設計，鑽、擴、鏜、鉸等工藝的順序安排、餘量設（shè）定、加工參（cān）數試驗與選擇；整個加工過程中鏜鉸孔工藝對於尺寸（cùn）一致性的控製研究；鏜、鉸孔複合（hé）加工技術研究；加工過程中刀柄與主軸連（lián）接對孔徑尺寸精度的影響研（yán）究。
3 關鍵點分析及解決方案
3.1 關（guān）鍵（jiàn）點分析
本項目孔徑公（gōng）差0.008mm，屬於高精度精密尺寸，按常規的鏜（táng）鉸（jiǎo）孔工藝（yì）方法保證（zhèng）不（bú）了該公差（chà）要求。數控鏜床一般的鉸孔加工能力，可以達到0.02mm，再提升則難度非常大，即使鉸刀尺寸非常合理準確，也無法百分百保證孔徑（jìng）公差（chà）。
經過分析，關鍵在於鉸孔時的孔位“對（duì）正”誤差，導（dǎo）致孔徑易變大。在鏜孔與鉸孔兩個工步（bù）之間，會有重複定位（wèi）誤差，這由（yóu）機床的（de）自身精度所決定的。另外，主軸與刀柄的鏈接、不同刀具、不同工步之間的誤差，均會引起工步（bù）間的孔位不“對正”，結果（guǒ）就（jiù）會出現加工完成後，孔徑部分合格部分偏離公差範圍，一致性（xìng）較差。對於公差0.02～0.05mm的孔徑，這個精度可以加工出合格零件（jiàn），但對於本項目零件（jiàn）要求的公差0.008mm，則無法滿足要求。所以，本項目要解決的關（guān）鍵技術點是，消除鉸孔與鏜孔間的孔（kǒng）位“對正”問題。
3.2 解決方（fāng）案
（1）精密孔加工思路（lù）。該（gāi）零件兩組孔40處ф5.4-0.024/-0.016，40處ф6-0.016/-0.024，孔（kǒng）徑公差0.008mm，孔位置度ф0.08。如圖2所示。
圖2 零件結構及相關要求示圖
本項目的首選是孔（kǒng）徑精（jīng）度，孔徑公差0.008mm必須采用鉸孔方式，該點選擇上，手工（gōng）鉸孔優於機床上鉸孔。手工鉸孔時，借助鉸刀引導，操作（zuò）工移動（dòng）零件，可以保證（zhèng）鉸孔時，鉸刀與底孔同心，這樣（yàng）鉸孔餘量均勻，孔壁給力均衡，孔的（de）直徑（jìng）尺寸易保證。缺點是手工鉸孔人為因素（sù）幹擾較多，當孔的深度不夠，不足以對鉸刀進行引導和定（dìng）位時（shí），手持鉸刀（dāo）會因為與待加工孔平麵（miàn）不垂直而造成受力不均，對孔壁產生徑向擠壓（yā）力，造成孔徑不圓（yuán）、孔口呈喇叭形狀等現象（xiàng），此現象如圖（tú）3所示。本項目孔數量多，孔深4～5mm，不適（shì）宜手工鉸（jiǎo）孔。
圖3 手動鉸孔
圖4 機床傳統（tǒng）鉸孔
機床上鉸孔效率高、穩定性好，理論上彌補了手工鉸（jiǎo）孔時與待加工（gōng）孔的垂直保障問題，能夠更好地保證孔徑公差。缺點是如圖4所示：數控鏜床加工（gōng）孔，需分工步而進行，鑽（zuàn）鏜底孔、鉸孔，機床與（yǔ）刀具的連接係統定位誤（wù）差，鉸孔與原底孔存在位置偏差（chà），易導致孔徑超差；機床主（zhǔ）軸、鉸刀刀柄（bǐng）、夾頭、卡簧、鉸（jiǎo）刀之間連接（jiē）等（děng）均有不（bú）同（tóng）程度的偏差，加工狀態鉸刀與主軸中心有一定（dìng）的偏心量，加工（gōng）模式形同鏜刀加工，這也（yě）是為什麽機床鉸孔直徑經常（cháng）大（dà）於鉸刀實際尺（chǐ）寸的原因所在，偏心量越大，加工出來（lái）的尺寸相對越大。
（2）采用浮動夾頭夾持鉸刀方（fāng）案。鉸孔時，采用浮動式夾頭夾持鉸刀，代替傳統的剛性（xìng）夾持刀柄，將手工鉸孔與機（jī）床鉸孔的優點合而為（wéi）一。一般情況下機床鉸孔，鉸刀尾柄夾頭是固定式的，以便保證定位（wèi）可靠（kào），夾持穩定，但是對（duì）於高精度孔（孔（kǒng）徑公（gōng）差小於0.01mm），固定式夾頭結構由於離心力作用影響易導致孔徑超差。浮動式夾頭刀柄與夾頭之間有間（jiān）隙，鉸刀被夾緊後，刀體可以在（zài）一個微小範圍內（nèi）活動。本例選擇的（de）活動範圍是0.1mm，采用數控鏜床加工零件孔時有了這個活動範圍，就可以解決鉸孔時的“對正”問題。模擬手工鉸孔，吸取了（le）手工鉸孔可（kě）靠度高（不會（huì）由於離心力的作用將孔加大）優點，同（tóng）時（shí）又保持了數控機床的高效率。
浮動夾頭的工作原理如圖5所示。當調用鉸（jiǎo）孔程序鉸刀到達底孔位置（zhì）時，如果位置“對正”，則進（jìn）行鉸孔，不會出（chū）現鉸孔缺陷；當（dāng）不“對正”時，出現了圖示的偏差δ，即鉸刀旋轉中心與底（dǐ）孔中心線有了偏差δ。鉸（jiǎo）刀與底孔不同心，此時若為剛性連接鉸孔就會產生鉸孔誤差，而浮動夾頭則可以解決該問題。圖（tú）示中夾頭（tóu）間隙λ的存在，可以使鉸刀與底孔（kǒng）自動“對正”。鉸刀刀（dāo）刃前端有倒角，可以引導鉸刀“找著”底（dǐ）孔中心，達到“對正”效果（guǒ），從（cóng）而改善鉸孔環境，使鉸刀旋（xuán）轉穩（wěn）定、受力均勻、餘量均勻，鉸孔尺寸精確。浮動夾頭內部結構簡如圖6所示。
圖5 浮動（dòng）夾頭消除主軸定位誤差原理圖
圖6 浮動夾頭內（nèi）部剖麵圖
（3）采用攻絲夾頭夾持鉸刀鉸孔方案。此（cǐ）方案的工作原理，與浮動夾頭形同，兩者的不同在於夾頭形狀大小不（bú）同，一般情況下，浮動夾頭的形狀體積（jī）大。該方案（àn）為備選方案。存在的風險為：攻絲夾頭形狀（zhuàng）較大，當旋轉起來後，主軸的跳動誤（wù）差，可能（néng）會大於浮動夾頭。這兩種（zhǒng）方案，通過試驗選擇其中鉸孔效果較佳方（fāng）案。
攻絲夾（jiá）頭與機床主軸的（de）連接（jiē）處設計的是小間隙配合，當夾上絲錐攻絲時，絲（sī）錐會（huì）隨著端頭引導與零件底孔對正是由於夾頭（tóu）間（jiān）隙的緣故，不會出現絲錐與鑽（zuàn）孔位置“不對正”的情況。分析本項目鉸孔（kǒng）的需要，關鍵點就在鉸刀與底孔“對正”問（wèn）題，若兩者之（zhī）間有差異，將會影響（xiǎng）孔徑精度，所以攻絲夾頭用於鉸孔第二方案。
（4）采用鏜刀（dāo）鏜孔方案。鏜孔方案排列在方法三，鏜孔方法（fǎ）保證嚴公差，也是一種較常見的相對（duì）穩妥的孔加工方法（fǎ），但該方法需配置精（jīng）密鏜頭（調整精度（dù）不大於0.002mm），適（shì）用於少量（liàng）孔的加（jiā）工。因（yīn）為鏜刀是利用刀尖進行加工，加（jiā）工（gōng）的過程中刀尖（jiān）易產生（shēng）磨損，會影響孔徑尺寸。更換鏜刀後，刀具裝夾誤差也易造成鏜孔尺寸變化，需要重新調整對刀，因此不適宜較多孔組的（de）加工（gōng）。同（tóng）時（shí），對於操作者的技能水平要求極高（手工調（diào）整存在目測、手感、排除間（jiān）隙等誤差），對過程操作要求精細，工人需頻繁測量，微調鏜刀（dāo）尺寸，質量穩定（dìng）性差，風險（xiǎn）性較高，加工效率低下。本項目孔數（shù）量多，若全程依賴（lài）操作者的精確操作，勞動強度很（hěn）重，難度很大，加（jiā）工風險性較大，可操作性較低。
4 驗證對比及方案確（què）定
4.1 鏜孔試驗
（1）試驗工步：安裝找正（zhèng）試驗件打中心孔40-ф2、鑽底（dǐ）孔40-ф4.9、粗鏜孔40-ф5.2、精鏜孔40處ф5.4-0.024/-0.016，共計四道工步。前三工步按步（bù）驟進展順利，孔尺寸合格（gé）。精（jīng）鏜孔工步進行情況，每鏜1個（gè）孔，均進行測量。按順序各孔檢測結果如下：1孔ф5.38、2孔ф5.38、3孔ф5.376、4孔（kǒng）ф5.376、5孔ф5.375；調（diào）節鏜刀尺寸，直徑加大0.006，繼續（xù）鏜孔；6孔ф5.38、7孔ф5.379、8孔ф5.377、9孔ф5.377、10孔ф5.376、11孔ф5.374；調節鏜刀尺寸，直徑加大0.006，繼（jì）續鏜孔，如此反複，直到鏜完40個孔。
（2）鏜孔試驗結論。鏜（táng）孔加工優點（diǎn）：不必配備（bèi）專用鉸刀，隻需具備接近孔徑的鏜刀（dāo）即可（kě），生產準備周期短；鏜孔加工缺點（diǎn）：鏜刀易（yì）磨（mó）損，加工4個孔鏜刀磨（mó）損0.005mm左右，已（yǐ）接近孔（kǒng）公差（chà）0.008mm，1把鏜（táng）刀最（zuì）多加工5個合格孔，鏜刀磨（mó）損已不能保證孔徑，需要（yào）手動頻繁調節鏜刀尺寸以保證鏜孔精度。鏜孔過程（chéng）中鏜刀尺寸（cùn）調節存在（zài）風險，受操作者測量技術水（shuǐ）平、精神狀態影響較高，易造成操作者疲勞操作。該方案加工效率低，零件尺寸（cùn）一致（zhì）性差，可操作性（xìng）低，加工效果較差。
4.2 攻絲夾頭夾持鉸刀鉸孔試（shì）驗
（1）試驗工步：安（ān）裝找正試驗件（jiàn）打中心孔40-ф2、鑽底孔（kǒng）40-ф4、擴孔40-ф5、粗鏜孔40-ф5.2精鏜孔40-ф5.3、鉸孔40處ф5.4-0.024/-0.016（整體硬質合金（jīn）鉸（jiǎo）刀，鉸刀直徑ф5.381-0.003，配攻（gōng）絲夾頭）。共計五道（dào）工步，前四工步按步（bù）驟進展順利，孔尺寸合（hé）格（gé）。（備專（zhuān）用鉸刀，尾柄形狀必須是方頭，與攻絲夾頭尺寸一樣）。配攻絲夾頭（tóu）鉸孔（kǒng）時（shí）工步的情況如下：一把鉸刀可以一次性加工40個合（hé）格孔，1孔ф5.381、2孔ф5.382、3孔ф5.38、4孔ф5.38、5孔ф5.379、……、36孔ф5.377、37孔（kǒng）ф5.379、38孔（kǒng）ф5.378、39孔ф5.376、40孔ф5.378。孔徑最大ф5.382，最小ф5.376，差值範（fàn）圍0.006，40孔全部合格（gé）。
（2）試驗結論。優點：一把鉸刀一次（cì）性加工40個合格孔，孔徑差（chà）值0.006mm，加工過程較穩定；缺點：孔（kǒng）徑（jìng）差值0.006mm，比較接近（jìn）孔徑（jìng）公差0.008mm，尺寸（cùn）精確度差，有超出公差的危險。攻絲夾頭外形尺寸較大，在試驗件（jiàn）上可以正常使用（yòng），但在正式零件（jiàn）上由於（yú）結構限（xiàn）製存在幹涉，無法使用。因為零（líng）件所上孔中心距離台階（jiē）5mm，而攻絲夾頭直徑ф40，無法下落。因此，必須設計專用（yòng）鉸刀，使（shǐ）鉸刀伸出（chū）部分更長（需要30mm），才能使用攻絲夾頭，而鉸刀伸出部分太長不利於孔精度，攻（gōng）絲夾頭的幹涉情況如圖7所示。
圖7 攻絲夾頭外形尺寸（cùn）與（yǔ）加工部位對比示（shì）意圖
4.3 浮動夾頭夾持鉸刀鉸孔試驗
（1）試驗工步：安裝找（zhǎo）正試驗件打中心孔40-ф2、鑽底孔40-ф4、擴孔40-ф5、粗鏜孔40-ф5.2精鏜孔40-ф5.3、鉸孔40處ф5.4-0.024/-0.016（硬質合金鉸刀，鉸刀直徑ф5.3810-0.003，配浮動夾頭）。共（gòng）計五道工（gōng）步，前四工步按步驟進展順利，孔尺寸（cùn）合格。（配備專（zhuān）用鉸刀，直徑尺寸，及（jí）刀具材料適合（hé））。配浮動（dòng）夾頭鉸孔（kǒng）工步（bù）情況如下：一把鉸刀一次性加工40個孔（kǒng），各孔測（cè）量結果：1孔ф5.382、2孔ф5.381、3孔ф5.38、4孔ф5.38、5孔ф5.381、……、36孔ф5.379、37孔（kǒng）ф5.379、38孔ф5.38、39孔ф5.38、40孔ф5.379。孔徑（jìng）最大ф5.382，最小ф5.379，差值0.003，孔（kǒng）徑值（zhí）基本接近鉸刀（dāo）直徑。
（2）浮動夾頭鉸孔試驗結論。優點：一（yī）把鉸刀（dāo）可以一次（cì）性加工（gōng）40個（gè）合格孔，孔徑差值0.003，加工結果精密度、精確度高，加工效率（lǜ）高，可以高效精確保證零件加工（gōng）需求。缺點：暫無。
4.4 試驗加（jiā）工後方案確定
通過以上（shàng）三（sān）種加工方案試驗，加（jiā）工優缺點對比得出：鏜孔方案鏜刀（dāo）磨（mó）損快（kuài），隻適用於（yú）數量（liàng）小的（de）孔加工；攻絲夾頭方案，孔徑公差可以保證，但由（yóu）於受零件（jiàn）加（jiā）工（gōng）部（bù）位的空間限製，適用範圍存（cún）在一定限製；浮動夾頭方案，孔尺寸精度高，穩定性高，相比其（qí）它兩種方案具有明（míng）顯優勢。所以，最終確定選擇浮（fú）動夾頭夾持鉸刀加工方案。
4.5 方案實施及零件（jiàn）加（jiā）工結果
（1）零件材料是2Cr13，材料硬度HBS=241-341，兩組精（jīng）密孔40處（chù）ф5.4-0.024/-0.016、40處ф6-0.024/-0.016的（de）鉸（jiǎo）孔，采用浮動夾頭夾持鉸刀技術，ф5.4選用鉸刀直徑尺寸ф5.381-0.003，ф6選用鉸刀直徑尺寸ф5.980-0.003，鉸刀（dāo）材料為整體硬（yìng）質合金，鉸刀尾柄（bǐng）為ф6直柄，與浮動夾頭連（lián）接，再將浮動（dòng）夾頭連接到機床主軸上。鉸孔方法與普通鉸孔方法相同，區（qū）別是（shì）裝上了浮動鉸刀頭。
（2）操作步驟如下：選擇合適規格的浮動鉸刀頭，此為標準件（jiàn），可以購（gòu）買；將鉸刀與（yǔ）浮動鉸刀頭連接；將裝好鉸刀的（de）浮動鉸刀頭（tóu）與機床主（zhǔ）軸連接；鉸孔。
（3）按照打中心孔、鑽底孔、擴孔、鏜孔、鉸孔等工步完成加（jiā）工。40個孔均滿足尺寸技術要求，且孔徑差值小大於0.003，一致性較好，加工（gōng）效（xiào）率較高。現將鉸孔（kǒng）部分加工參數列出。加（jiā）工餘量優選值：a鏜孔：單邊0.1-0.15；b鉸孔（kǒng）：單邊0.03-0.05；加工參數（shù）：a鑽（zuàn）孔40-ф4.9加工參數：S=400r/min，F=20mm/min；b鏜孔40-ф5.2加工參數：S=600r/min，F=25mm/min；c鉸孔40處ф5.4-0.016/-0.024加工參數：S=130r/min，F=7mm/min；鉸刀及配件浮動夾頭：鉸刀直徑ф5.381-0.003、ф5.980-0.003，鉸刀材料為硬質合（hé）金，刃長15，鉸刀刃數量6，引導角度45°±30′，前角3°-5°，第1後角8°±2°，第2後角12°±2°，修光（guāng）刃長0.1+0.05。
5 推廣意義
通過對各種孔加工方案的試驗對比，最終采用浮動鉸刀頭技術，利用在數控鏜床上模（mó）擬手工鉸孔的（de）原（yuán）理，解決了（le）高精度孔（kǒng）加工難度高（gāo）、一致（zhì）性不易保證的難題。本技術（shù）操（cāo）作方法（fǎ）簡（jiǎn）單，加工零件具有高（gāo）質量、高穩定性、高效率的優點，使精密孔的加工不再依賴於操作者的技術水平，極大提升了精密孔加工技術水平，在機械加工領（lǐng）域對（duì）於各（gè）類零件精密孔的加工，具有極高的推廣價值（zhí）及意義。
