航空液压壳体深孔加工工艺研究
2017-7-17 来源：中航工业金城南京机电液压工程研究中心 作者：李富长，孙晓阳
摘 要：航空液压产品中的壳体类零件的主阀套孔具有大长径比的特点，该类零件材料主要是高强度铝合金，内孔加工属于比较典型的深孔加工，其尺寸公差、几何公差等要求严格，表面粗糙度值低，对加工刀具的结构有较多限制，这给零件的精加工带来很大的困难。通过研究壳体深孔加工的工艺路线安排、加工工艺参数及加工刀具选取等，经过镗削、研磨和珩磨等各种加工方式的多次试验，最终选择用铰削加工来保证壳体深孔加工精度要求，解决了十余种军工重点型号大尺寸液压壳体零件的加工瓶颈，对于同类壳体深孔加工具有借鉴意义。
关键词：壳体；深孔；铰刀
一般把孔 的 深 度 和 直 径 之 比 ＞５ 的 孔 称 为 深孔。在深孔切削过程中，因为刀具在工件内部切削，刀具和切削情况均无法观 察到，且刀具细长，刚 度差，冷却困难，排屑不畅，所以深孔切削加工是一种难度较大的加工技术。深孔加工的关键技术是刀具参数的选取和加工余量的控制.
航空液压产品中的壳体类零件的主阀套孔的孔径为１８～４０ｍｍ，长径比约为８～１５。该类零件材料主要是高强度铝合金，内孔加工属于比较典型的深孔加工，其尺寸公差、几何公差等要求严格，表面粗糙度要求低，对加工刀具的结构有较多限制，这给零件的精加工带来很大的困难。
１、液压壳体零件
液压壳体零件结构图如图１所示，其内部阀套孔２９＋０．０２５ ０、２７＋０．０２５ ０ｍｍ 的内孔表面粗糙度要求为Ｒａ０．４μｍ，圆柱度允差为０．００８ｍｍ。该零件材料为锻铝合金。
２、工艺路线
该零件在卧式加工中心（机床型号 ＤＩＸＩ－２００）上加工，操作系统为 ＦＡＮＵＣ１５ 系统（该方法中宏程序部分在ＦＡＮＵＣ－０ｉ系统上通用）。经过镗削、研磨和珩磨等各种加工方式的多次试验，最终选择用铰削加工来保证零件各内孔的几何公差要求。零件在本工序加工前状态为所有需加工内孔直径方向预留２ｍｍ 余量［１－２］。
以图１中２９＋０．０２５ ０ｍｍ 孔为例，加工工艺路线如下：１）两端分别铣削加工２８＋０．５ ０ｍｍ 深 ２０ ｍｍ引导孔；２）用２８ｍｍ 平底加长扩孔铣刀从两端分别加工内孔至２８ｍｍ；３）从两端分别镗削至２８．８ｍｍ；４）从两端分别镗削至２８．９２ｍｍ；５）在一端镗削加工２９ ０－０．０１ｍｍ 深５０ｍｍ 引导孔；６）从２９ ０－０．０１ｍｍ 深５０ｍｍ 引导孔处一次铰削至图样要求。其中，第５步是关键，对解决孔口喇叭状及孔的直线度有益。大长径比内孔铰削，铰刀刀杆必然较细，刚性差，应选择较低的切削速度。经多次试验，取主轴转速为６０ｒ／ｍｉｎ，进给量为 ３０ ｍｍ／ｍｉｎ（约每转每齿进给０．０５ｍｍ）
图１ 液压壳体零件图
３、铰刀几何参数的选择与修研
３．１ 铰刀几何参数的选择
铰刀一般选择６～８个切削刃（见图２），柄部为莫氏４＃ 锥带拉钉结构。当孔深与直径的长径比＞１０时，应增大铰刀倒锥参数，具体数值为直径方向约５０ｍｍ 处０．０４ｍｍ 倒锥。
图２ 铰刀示意图
以图１中２９＋０．０２５ ０ｍｍ 孔加工为例。在卧式加工中，当铰刀快出头时，冷却液已无法进入加工的内孔，铰刀排屑槽内切屑也达到了最多的状态，铰刀因冷却效果差与孔壁摩擦加剧，铰刀发热膨胀。当铰刀刀柄刚度不足时，会出现机床主轴匀速转动而铰刀刀刃间断转动的现象，反映在零件上是内孔出口端孔口呈现规则的花瓣型。铰刀与孔壁摩擦力的大小也与铰刀刃带的宽窄及锋利程度有关。刃带的宽窄应取０．１５～０．２ｍｍ，并在刀具图样上明确要求。
３．２ 铰刀直径的修研
分体式铰刀研磨器是由２个研磨块组合后放入壳体内（见图３）。修研时，将铰刀插入，当铰刀转动时从两端施加压力并沿铰刀轴线往复移动，可方便地控制铰刀直径。
铰刀直径的修研也可采用开口研磨套［３］。开口研磨套开口方向为：１）直开口适用于左旋和右旋铰刀；２）右旋开口适用于左旋和直齿铰刀；３）左旋开口适用于右旋和直齿铰刀。
铰刀直径的修研是深孔加工中关键的一步，铰刀直径按所加工零件内孔直径上偏差制作。经过修
图３ 分体式铰刀研磨器示意图
研的铰刀铰孔后，零件表面粗糙度值可达 Ｒａ０．１～Ｒａ０．２μｍ。铰刀倒锥也应进行手工修整。当铰刀出现缩孔现象（缩孔现象指的是铰孔完成后，孔的直径小于铰刀直径）时，微量的缩孔对加工表面质量是有好处的，但会增大刀具扭矩，当缩孔＞０．０１５ ｍｍ时，应更换铰刀。
４、零件工作坐标系设置与系统变量的合理使用
由于加工所用机床为卧式四轴加工中心，故图１所示加工内孔很容易在一次装夹中通过机床转台回转全部完成，而此类零件的加工往往需要３个工作坐标系。假设１个为角向基准设为 Ｇ５６，另２个分别为两端加工的坐标系 Ｇ５４ 和 Ｇ５５。这 ３ 个工作坐标系之间的关系为：Ｇ５４、Ｇ５５ 本身相差 １８０°，Ｇ５４、Ｇ５５又分别与 Ｇ５６相差±９０°，Ｇ５４、Ｇ５５的Ｙ坐标相同，而 Ｘ 坐标数值相同、正负号相反。利用宏程序系统变量更改工作坐标系。当探头校正 Ｇ５６角向基准及 Ｇ５４ Ｘ 基准后，运行如下宏程序段：
＃５２４１＝－＃５２２１ Ｇ５５坐标系的 Ｘ 值等于 Ｇ５４坐标系的－Ｘ 值
＃５２２４＝＃５２６４－９０ Ｇ５４坐标 系 的 角 度 值 等 于 Ｇ５６角度基准－９０°
＃５２４４＝＃５２６４＋９０ Ｇ５５坐 标 系 的 角 度 值 等 于 Ｇ５６角度基准＋９０°
由上述程序段可知，工件加工所需的各个工作坐标系可全部利用宏程序完成输入，不需要任何人为输入，完全避免了人为出错的可能［４－５］。
５、结语
长径比的深孔加工，一直是机械加工的一个难题，特别是本文中各个台阶孔有同轴度、圆柱度等几何公差要求时。对于加工程序编制，不能仅考虑程序正确与否，还应尽可能降低操作者难度及人为出错的概率。当深孔加工时，仅靠刀具参数或加工程序等某一项改进很难达到理想效果。合理的加工方法应综合考虑加工步骤、刀具几何参数、刀具切削参数和加工程序的优化等。
经过镗削、研磨和珩磨等各种加工方式的多次试验，最终选择用铰削加工，来保证了零件各内孔的尺寸要求，解决了十余种军工重点型号大尺寸液压壳体零件的加工瓶颈。
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