一种小型叉形接头的精密加工技术
2017-12-26 来源：天津航天长征火箭制造 北华航天工业学院 作者：葛佳 崔鑫 谢成雨 范大伟 杨昊
摘 要：针对小型叉形接头结构尺寸较小，在加工过程中存在小直径深孔难加工、形位公差难保证、微小结构难装夹等难题，通过设计一套集定位、装夹、钻模为一体的组合钻模，改进钻头结构，既实现了产品可靠装夹，又保证了产品加工精度，加工效率大大提升。
关键词: 深孔加工 小孔加工 装夹定位 组合钻模
随着航空航天技术的发展， 越来越多的精密零件趋于小型化，零件常采用微孔、深孔等结构，微孔、深孔的精密加工是机械加工领域的难点之一。
笔者通过研究小型叉形接头的精密加工工艺，设计了一套集定位、装夹、钻模为一体的组合钻模，解决了叉形接头小直径深孔加工的难题，为同类型小型工件的加工装夹、小直径深孔加工提供了加工经验。
1 、加工现状
1.1 产品结构分析
叉形接头结构如图 1 所示。
图 1 叉形接头产品结构
可看出叉形接头属于小直径深孔零件， 孔径 2 mm， 深 21 mm， 长径比达10.5。由于外圆直径为 3.8 mm，壁厚不足 1 mm，属于薄壁零件。 此外， 要求内孔相对外圆的同轴度为 准0.1mm，2-准2.4 孔 相对外圆轴心线对称度为 0.16 mm，叉形槽相对外圆轴心线对称度为 0.1 mm。零件材料为 45号钢。
1.2 加工存在的问题
1.2.1 装夹困难
叉形接头在加工 准2.4 mm 孔和叉形槽时， 需以准3.8 mm 外圆轴心线为基准来保证对称度公差要求 。但是叉形接头结构尺寸小，无有效夹持点，小端壁厚不足 1 mm，刚性差，容易造成装夹变形，加工装夹困难。
1.2.2 孔径小
机械加工中将孔径小于 3 mm 的孔称为小孔。 叉形接头钻 准2 mm 孔时由于麻花钻钻芯厚度小，强度不够，螺旋槽窄，不易排屑，钻头易折断［1］。
为了保证有效的切削速度，钻孔时采用较高的转速，切削产生的温度很高，加剧了钻头的磨损。 另外，由于麻花钻钻芯厚度小，刚性差，容易弯曲导致钻头倾斜，产品报废。
1.2.3 深孔
机械加工中将长径比大于 5 的孔称为深孔， 叉形接头的长径比为 10.5，在钻孔过程中，由于钻头细长，刚性差，冷却困难，排屑不畅，切削热不易散出［4］。
综合上述加工问题， 为了保证叉形接头 准2.4 mm孔和叉形槽对称度精度，需以 准3.8 mm 外圆轴心线为基准装夹。 因此装夹要求定位准确，装夹可靠，同时要提高叉形接头的结构强度，避免装夹变形。
另外应提高钻孔所用细长钻头的刚性，改善排屑情况。
2 、加工方案
2.1 装夹方案
叉形接头加工装夹时主要考虑以 准3.8 mm 外为装夹基准，提高产品结构刚性，避免装夹变形。
笔者设计了一套集定位、装夹、钻模为一体的组合钻模，用于叉形接头加工装夹，便于钻孔，保证加工精度。先对工件进行粗加工、半精加工。在数控精密车铣复合机床（高精密微型轴类零件一次车铣加工成形）上车 准3.8 mm 外圆、大端外圆至设计尺寸，在同一次装夹中钻 准2 mm 孔，以保证同轴度要求。 由于在机床上钻孔过程不可控，加工过程排屑不畅，钻头刚性差，易发生钻偏或钻头折断，因此在机床上钻 准2 mm 孔时， 只钻 6～7 mm 深的底孔。
最后在同一次装夹中铣大端两侧平面， 以保证平面与轴心线的平行。 加工后的叉形接头半成品如图 2 所示。
图2 叉形接头半成品工件
笔者设计的组合钻模由底座、钻模盖板、紧固螺钉组成，结构如图 3 所示。
图 3 叉形接头组合钻模
底座设计有 准3.8 mm 孔，用于装夹找正叉形接头 准3.8 mm 外圆； 设计有圆弧平底槽，用于装夹找正叉形接头的扁头。钻模盖板也设计有圆弧平底槽， 用于装夹找正叉形接头的扁头； 设计有准2.4 mm 钻模孔及耐磨钻套， 用于加工叉形接头扁头平面的 准2.4 mm 孔［5］。将叉形接头半成品工件装夹在底座中， 以 准3.8mm 孔定位并找正叉形接头准3.8 mm 外 圆柱面 ， 以圆弧平底槽限制叉形接头扁头的旋转自由度。 将钻模盖板安装在底座上， 使钻模盖板圆弧平底槽与叉形接头扁头紧密接触，钻模盖板后板顶住叉形接头端面，如图4 所示，最后用螺钉将底座和钻模盖板连接紧固。
图 4 组合钻模装夹原理
由于叉形接头各面与底座、钻模盖板紧密接触，其装夹状态稳定可靠。
2.2 钻孔方案
用螺钉将底座和钻模盖板连接紧固后， 叉形接头工件在组合钻模内得到完全约束。 用虎钳装夹组合钻模的侧面，找正 准2.4 mm 钻模孔后，以钻套作为导向，在摇臂钻床上钻 准2.4 mm 孔。 钻孔过程中需不断退出钻头，便于切屑的排出。 退出钻头的同时及时添加切削液，降低钻头及切削区域的温度［6］。
在加工叉形接头小端 准2 mm 孔时，同样使用该组合钻模装夹。用虎钳装夹组合钻模侧面， 找正工件上已加工的 准2mm 底 孔 ，以 准2 mm 底 孔为导向 ，在摇臂钻床上钻 准2 mm 孔，如图 5 所示。
图 5 叉形接头钻孔过程
钻孔过程中为排出切屑， 需不断退出钻头排屑。退出钻头的同时及时添加切削液，降低钻头及切削区域的温度。纵向进给时要注意手劲及感觉，钻头弹跳时，应使它有一个缓范围，以防钻头折断。钻小直径孔时常采用整体式扁钻。由于扁钻无螺旋槽， 除刀头切削部分外，刀体为整体圆柱。 与麻花钻相比，整体式扁钻结构刚性好，钻孔时钻头弯曲较小，另外整体式扁钻的钻尖对称性较好。但是整体式扁钻无螺旋槽，负前角大，导致钻削时切削力大，切屑难排出，切削液难进入切削区域进行降温， 因此整体式扁钻不适于加长径比大的微小孔［7］。 麻花钻具有螺旋槽及正前角，切屑易排出，切削液易进入切削区域进行降温。
但是小直径麻花钻由于钻芯厚度小，钻头刚性差，钻孔时钻头易发生弯曲。为提高麻花钻刚性，选用钻芯厚度大、切削刃对称的钻头。 但是随着钻芯厚度的增大，钻头横刃加长，钻孔时走刀抗力增大。在使用前应修磨麻花钻，缩短横刃长度，加大后角，增大钻头顶角，使横刃产生的切屑变少且变长［8］。
另外需在麻花钻两个主切削刃的后刀面磨出分屑槽， 通过分屑减小切屑形成过程的塑性变形和切屑卷曲程度，减小切屑与钻头、孔壁的摩擦，便于切屑的顺利排出［9］。
上述加工完成后，在叉形接头 准2 mm 孔中插入芯轴，在数控精密车铣复合机床上装夹 准3.8 mm 外圆并找正，以 准3.8 mm 外圆轴心线为基准铣叉形槽。 最后铣叉形接头扁头 R6 mm 圆头，完成叉形接头成品零件加工。
2.3 加工效果
组合钻模的使用， 使叉形接头在加工中装夹稳定可靠， 各自由度完全约束。 装夹以叉形接头 准3.8 mm外圆柱面作为装夹基准，与设计基准重合，保证了加工后 准2.4 mm 孔的对称度和 准2 mm 孔的同轴度。
装夹中叉形接头与组合钻模各面紧密贴合，装配精度高，增强了叉形接头的产品刚性， 避免了其在加工过程中产生的装夹变形，使加工更加简单易行。通过改进钻头刃磨，完善钻孔工艺，使钻孔过程更加稳定，钻头刚性得到提升，排屑顺畅，钻头使用寿命得到有效延长。采用上述加工技术后，叉形接头各结构尺寸、形位公差满足使用要求，产品合格率达 100%。
3 、总结
笔者通过设计一套组合钻模，改进钻头结构，实现了小型叉形接头的可靠装夹， 解决了叉形接头小直径深孔的加工难题，改善了小直径深孔钻削的排屑效果，保证了产品的形位公差，取得了预期的加工效果，为同类型小型工件加工装夹、 小直径深孔加工提供了加工经验。
如果在小直径深孔加工中结合振动钻削技术、内排屑钻头、喷吸钻、枪钻［10］等先进技术，加工效果将得到进一步提升。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
