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（jiàn）為薄璧環形件，材料2Cr13，材料硬度HBS=241-341，直徑530mm，加工工藝較為複雜，經分（fèn）析主要存在如下難點（diǎn）：孔直徑公差嚴，共2組孔40處ф5.4-0.024/-0.016，40處ф6-0.016/-0.024，80個孔公差0.008mm，孔位置度要求0.1。精度要求高，加工過程中刀（dāo）具磨損（sǔn）、主軸跳動、切（qiē）屑參數（shù）的微（wēi）小影響，都易導致孔徑公（gōng）差0.008mm超差（chà）；孔數量多，加大（dà）加工難度。由於孔公差嚴，在第一個孔徑加工調整精（jīng）確後，後續孔徑加（jiā）工由（yóu）於各（gè）種因素影響（xiǎng）也會發生變化，如：刀（dāo）具磨損、溫度影響、冷卻液影響、工作（zuò）台區域性精度影響等。加工中可變因素的累（lèi）積影響往往超過孔徑公差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是精密台階孔，台階處有倒角，增加尺寸精度保證的難（nán）度。刀具設計要增加端麵（miàn）刃，加工過程刀刃切削（xuē）孔徑（jìng）的同時切削孔端麵，是一個複合（hé）加工形式，徑（jìng）向與軸（zhóu）向的受力不（bú）均極易導致孔徑超差。
圖1 零件結構（gòu）示意圖
2 研究內容（róng）
精密孔鏜鉸孔工藝技術研究：工步設計，鑽、擴、鏜、鉸等工藝（yì）的順序安排、餘量設定、加工參（cān）數（shù）試驗與選（xuǎn）擇；整個加工過程中鏜鉸孔工藝對於尺寸一致性的控製研究；鏜、鉸孔複合加工（gōng）技（jì）術研究（jiū）；加工過程（chéng）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（jiàn）點分析及解決方案
3.1 關鍵點分（fèn）析（xī）
本（běn）項（xiàng）目（mù）孔徑公差0.008mm，屬於高精度精密尺寸，按（àn）常規（guī）的鏜鉸孔工藝方法（fǎ）保證不了（le）該公差要求。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（dà），即使鉸刀尺寸非（fēi）常合理準確，也無法百分（fèn）百保證（zhèng）孔徑公差。
經過分析，關鍵在於鉸孔時的孔位“對正”誤差，導致孔（kǒng）徑（jìng）易變大（dà）。在鏜孔與鉸孔兩個（gè）工步之間，會有重複定位誤（wù）差，這由機（jī）床的自身精度所決（jué）定的。另外，主軸與刀柄（bǐng）的鏈接、不（bú）同（tóng）刀具（jù）、不同工步之間的誤差，均會引（yǐn）起工步間的孔位不“對（duì）正”，結果（guǒ）就會出現加工完（wán）成後，孔徑部分合格部分偏離公差範圍，一致性較差。對於公差0.02～0.05mm的孔徑，這個精度可以加工出合格零件，但（dàn）對（duì）於本項目零件要求的（de）公差0.008mm，則無法滿足要求。所以，本項目要解決的關鍵技術點是，消除鉸孔與鏜孔間的孔位“對正”問題。
3.2 解決方案
（1）精密孔（kǒng）加工（gōng）思路。該（gāi）零件兩組孔40處（chù）ф5.4-0.024/-0.016，40處ф6-0.016/-0.024，孔徑公差0.008mm，孔位置度ф0.08。如圖2所示。
圖2 零（líng）件結構及相關要求示圖（tú）
本項目的首選是孔徑精度，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（cāo）作工移動零件，可以保證鉸孔時，鉸刀與底孔同心，這樣（yàng）鉸孔餘量均勻，孔壁給力均（jun1）衡，孔的直徑尺寸易保證。缺點是手工鉸孔人為因素幹擾較多，當孔的深度不夠，不足以對鉸刀進行（háng）引（yǐn）導和定位（wèi）時，手持（chí）鉸刀會因為與待加工孔平麵不垂直而造成受（shòu）力不均，對（duì）孔壁產生徑向擠壓力，造成（chéng）孔徑不圓、孔口呈喇叭形狀（zhuàng）等現象，此（cǐ）現象如圖3所示。本項目孔數量多（duō），孔深4～5mm，不適（shì）宜手工鉸孔。
圖3 手動鉸孔
圖4 機床傳統鉸孔
機床上（shàng）鉸孔效率高、穩定性好，理論上彌補了手工鉸孔時與待加工孔的垂直保障問題，能夠更好地保（bǎo）證孔徑公（gōng）差。缺點是如圖4所示：數控鏜床加工孔，需分工步而進行，鑽鏜底孔、鉸（jiǎo）孔，機床與刀具的連（lián）接係統定位誤差，鉸孔與原底孔存在位置偏差，易（yì）導致孔徑超差；機床（chuáng）主軸（zhóu）、鉸刀刀柄、夾頭、卡簧、鉸刀之間連接（jiē）等均有不同程度的偏差，加（jiā）工狀態鉸刀與主軸中心有一定的偏心量，加工模式形同鏜（táng）刀加（jiā）工，這也是為什麽機床鉸孔直徑經常大於鉸刀實際尺寸的原因所（suǒ）在（zài），偏心量越大，加工（gōng）出來的（de）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（chí）鉸刀，代替傳統的剛性夾持刀柄，將手工鉸孔與機床鉸（jiǎo）孔（kǒng）的優點合而為一。一般情況下機床鉸孔，鉸刀尾柄夾頭是固定式的，以便保證定位可靠，夾持（chí）穩定，但是對（duì）於（yú）高精度孔（孔（kǒng）徑公差（chà）小（xiǎo）於0.01mm），固定式夾（jiá）頭結構由於離心（xīn）力作用影響易導致孔徑超差。浮動式夾頭刀（dāo）柄（bǐng）與（yǔ）夾頭之間有間隙，鉸刀被夾緊後，刀體（tǐ）可以在一個微小範圍內（nèi）活動。本（běn）例選擇的活動範圍是0.1mm，采用數控鏜床加工零件（jiàn）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（shǒu）工鉸孔，吸取（qǔ）了手工鉸孔可靠度高（不（bú）會由於離心力的作用（yòng）將孔加大）優點，同時又保持了數控機床的高（gāo）效率。
浮動夾頭（tóu）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時，如果位置“對正（zhèng）”，則進行鉸孔，不會出現鉸孔缺陷；當不“對正”時，出現（xiàn）了圖示的偏（piān）差δ，即（jí）鉸刀旋轉中心與底孔中心線有了偏差δ。鉸刀（dāo）與（yǔ）底孔不同（tóng）心，此時若為剛性連接鉸孔就會產生鉸（jiǎo）孔誤差，而浮動夾頭則可（kě）以解決（jué）該問題。圖示中夾頭間隙λ的存在，可以使鉸刀與底（dǐ）孔自動“對正”。鉸刀刀刃前端有倒角，可以引導鉸刀“找著”底孔（kǒng）中心，達到“對正”效果，從（cóng）而改（gǎi）善鉸孔環境（jìng），使鉸刀（dāo）旋轉穩定、受力（lì）均（jun1）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（wù）差原理圖（tú）
圖6 浮動夾頭內部剖麵圖
（3）采用攻（gōng）絲夾（jiá）頭夾持鉸刀鉸孔方案。此方（fāng）案的（de）工作原理，與浮動夾（jiá）頭形同，兩者的不同在於夾頭形狀大（dà）小不同，一般情況下，浮動夾頭的形狀體積大。該方案為備（bèi）選方案。存在的風險為：攻絲夾頭形（xíng）狀較大，當旋轉起來（lái）後，主軸的跳動誤差，可（kě）能（néng）會大於浮動（dòng）夾頭。這（zhè）兩種方案，通過試驗（yàn）選擇其中鉸孔效果較佳方案。
攻絲夾頭與（yǔ）機床主軸的連接處設計的是小間隙配合，當夾上絲錐（zhuī）攻絲時，絲錐會隨著端頭引導與零件底孔對正是由於夾頭間隙的緣故，不會出現絲錐與鑽孔位置“不對正（zhèng）”的情況。分析本項目鉸孔的需要，關鍵點就在鉸刀與底孔“對正”問題，若兩者（zhě）之間有差異，將會影響孔徑精度（dù），所以攻絲夾頭用於鉸孔第二方案。
（4）采用（yòng）鏜刀鏜孔方案。鏜孔方案排（pái）列（liè）在方法三（sān），鏜孔方法保證嚴公差，也是一種較常見的相對（duì）穩妥的孔加工方法，但該方法需配置精密鏜頭（調整（zhěng）精度不大於0.002mm），適用於少量孔的加工。因為鏜刀是利用刀尖進行加（jiā）工，加（jiā）工的過程中（zhōng）刀尖易產生磨損，會影響孔徑尺寸。更換鏜刀後，刀具裝（zhuāng）夾（jiá）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加工。同時，對於操作者的技能水平要求極高（手工調整存在目測（cè）、手感、排除間隙（xì）等（děng）誤差），對過程操作要求精細，工人需頻繁測量，微調鏜刀尺寸，質量穩定性差，風險性較高，加工效率（lǜ）低下。本項目孔數量多，若全（quán）程依賴操作者的精確操作，勞動強度很重，難度很大（dà），加工風險性較大，可（kě）操作性較低。
4 驗證對比及方案確定
4.1 鏜孔試驗
（1）試驗（yàn）工步：安裝找正試驗件打中心孔40-ф2、鑽底孔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（bù）按步驟進展順利，孔尺寸合格。精鏜孔工步進行情況，每鏜1個孔，均進行測量。按順序（xù）各孔檢（jiǎn）測結果如（rú）下：1孔ф5.38、2孔ф5.38、3孔ф5.376、4孔ф5.376、5孔ф5.375；調節鏜刀尺寸，直（zhí）徑加（jiā）大0.006，繼續鏜孔；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（jiā）大0.006，繼續鏜孔，如（rú）此反（fǎn）複，直到鏜完40個孔。
（2）鏜孔（kǒng）試驗結論。鏜孔加工優點：不必配備專用鉸刀，隻需具備接近孔徑的鏜刀即可，生產準備周期短；鏜孔加工缺點：鏜（táng）刀易磨損，加工4個孔鏜刀磨損（sǔn）0.005mm左右，已接近孔公差0.008mm，1把鏜刀最多加工（gōng）5個合（hé）格孔，鏜刀（dāo）磨損已不能保證孔徑，需（xū）要手動頻繁調節鏜刀尺寸以保證鏜孔精度。鏜孔過程中鏜刀尺寸調節存在風險，受操作者測量技術水平、精神狀態影響較高，易造成（chéng）操（cāo）作者疲勞操作。該方案加工效率低，零件尺寸一致性差，可操作性低，加工效果較差。
4.2 攻絲夾頭夾持（chí）鉸刀鉸（jiǎo）孔試驗
（1）試（shì）驗工步（bù）：安裝找（zhǎo）正試（shì）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（整體硬質合金鉸刀，鉸刀直徑ф5.381-0.003，配攻絲夾頭（tóu））。共（gòng）計五道工步，前（qián）四工步按步驟進（jìn）展順利，孔尺寸合格。（備專用鉸刀（dāo），尾柄形狀必須是方頭，與攻絲夾頭尺寸一樣）。配攻絲夾頭（tóu）鉸孔時工步的情況如下：一把鉸刀可以一次性加（jiā）工40個合格孔，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ф5.379、38孔ф5.378、39孔ф5.376、40孔ф5.378。孔（kǒng）徑最大ф5.382，最小（xiǎo）ф5.376，差值範圍0.006，40孔全部合格。
（2）試驗結論。優點：一把鉸刀一次性加工40個合格孔，孔徑差值0.006mm，加工過程較穩定；缺點：孔徑差值0.006mm，比較接近孔徑公差0.008mm，尺寸精確度差，有超出公差的危險。攻絲夾（jiá）頭外形尺寸較（jiào）大，在試驗件上可以（yǐ）正常使用，但在正式零件上由於結構限製存在幹涉（shè），無法使用。因為零件所上孔中心距離台階5mm，而攻絲夾頭直徑ф40，無法下（xià）落。因（yīn）此，必須設計專用鉸刀（dāo），使鉸刀伸出部分更長（zhǎng）（需要30mm），才能（néng）使用攻絲夾頭，而鉸刀伸（shēn）出部分（fèn）太長不利於孔精度，攻（gōng）絲夾頭（tóu）的幹涉情（qíng）況如圖7所示。
圖7 攻絲夾頭外形尺寸與加工部（bù）位對比示意圖（tú）
4.3 浮動夾（jiá）頭（tóu）夾持鉸刀鉸孔試驗
（1）試驗工步：安裝找正試驗件打中心孔40-ф2、鑽底（dǐ）孔40-ф4、擴孔40-ф5、粗（cū）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（jīn）鉸刀，鉸刀直徑ф5.3810-0.003，配浮動夾頭）。共（gòng）計五道工步，前四工步按步驟進展順利，孔尺寸合格。（配備專用鉸刀，直徑尺寸，及刀具材（cái）料適合）。配浮動夾頭鉸孔工步情況如下：一把鉸刀一次性（xìng）加工40個孔（kǒng），各孔測量結果：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ф5.379、38孔ф5.38、39孔ф5.38、40孔ф5.379。孔徑最大ф5.382，最小ф5.379，差值0.003，孔徑值（zhí）基本接近鉸刀直徑（jìng）。
（2）浮動夾頭鉸孔試驗結論。優點（diǎn）：一把鉸（jiǎo）刀可以（yǐ）一次性加工（gōng）40個合格孔，孔（kǒng）徑差值0.003，加工結果精密度、精確度高，加（jiā）工效率高（gāo），可以高效精確保證零（líng）件加工需求。缺點：暫無。
4.4 試驗加工後（hòu）方（fāng）案確定
通過以上（shàng）三種加工方案（àn）試驗，加工優缺點對比得出：鏜孔方案鏜刀磨損快，隻適（shì）用於數（shù）量小的（de）孔加工；攻絲夾頭方案，孔徑公差可以保證，但由於受零件加工部位的空間限製，適用範圍存在一定限製（zhì）；浮動夾頭方案，孔尺寸精度高，穩定性高，相比其它兩種方案具有明顯優勢。所以，最終確定選擇浮動夾頭夾持鉸刀加工方案。
4.5 方案（àn）實（shí）施及零件加工結果
（1）零件材料是2Cr13，材料（liào）硬（yìng）度（dù）HBS=241-341，兩組精密孔40處ф5.4-0.024/-0.016、40處（chù）ф6-0.024/-0.016的鉸孔，采用浮動夾頭夾持鉸（jiǎo）刀技術，ф5.4選用鉸刀直徑尺寸（cùn）ф5.381-0.003，ф6選用鉸刀直徑尺寸ф5.980-0.003，鉸刀材料為（wéi）整體硬質（zhì）合金，鉸刀尾柄為ф6直（zhí）柄，與浮動夾頭連（lián）接，再將浮動夾頭連接（jiē）到機床主軸上。鉸（jiǎo）孔（kǒng）方法與普通鉸孔方法相同，區別是裝上了浮動鉸刀頭。
（2）操（cāo）作步驟如下：選擇合適規（guī）格的浮動鉸刀頭（tóu），此為標準件，可以購買；將鉸刀與浮動鉸刀頭（tóu）連接；將裝好鉸刀的浮動（dòng）鉸刀頭與機床主軸連接；鉸孔。
（3）按照打中心孔、鑽底孔、擴孔、鏜孔、鉸（jiǎo）孔等工步完成加工。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（jiào）好，加工效率較高。現將鉸孔部分加工參數列出。加工餘量優（yōu）選值：a鏜孔：單邊（biān）0.1-0.15；b鉸孔：單邊0.03-0.05；加工參數：a鑽孔（kǒng）40-ф4.9加（jiā）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（kǒng）40處ф5.4-0.016/-0.024加工參數：S=130r/min，F=7mm/min；鉸刀（dāo）及配件浮動夾頭：鉸刀直徑ф5.381-0.003、ф5.980-0.003，鉸刀材料（liào）為硬質合金，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（hòu）角12°±2°，修光刃長0.1+0.05。
5 推（tuī）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（lì）用在數控鏜床上模擬手工（gōng）鉸孔的原理，解決（jué）了高精度孔加工難度高、一致性不易保證的難題。本技術操作方法簡單，加工零件具有高質量、高穩定性、高（gāo）效率的優點，使精密（mì）孔的加工不再依賴於（yú）操作者的技術水平，極大提升了精密孔加工技術水平（píng），在機械加工領域對於各類零件精密孔的加工，具有極高的推廣價值及意義。
