1 零件結（jié）構及問（wèn）題分析（xī）
某機匣類零件結構如圖1所示，該零件為薄璧環（huán）形件，材料2Cr13，材料硬度HBS=241-341，直徑530mm，加（jiā）工工藝（yì）較為複雜，經分析主要存在如下難點：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（gōng）差0.008mm，孔位置（zhì）度要求0.1。精度要求高，加工過程中刀（dāo）具磨損、主軸跳動、切屑參數的微小影響，都易導致孔徑公差0.008mm超差；孔數量（liàng）多，加大加工難度。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（yú）各種因素影響也（yě）會發生變化，如：刀具磨損、溫度影響、冷卻液影響、工（gōng）作台區域性精度影響等。加（jiā）工中可變因素的累積（jī）影（yǐng）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（zēng）加尺寸精度保證的難度。刀具設計要增（zēng）加端麵刃，加工過程刀刃切削（xuē）孔徑的同時切削孔端麵，是一個複合加工形式，徑向與（yǔ）軸向的受力不均（jun1）極易導致孔徑超差。
圖1 零件（jiàn）結（jié）構示意圖
2 研究內容
精密孔鏜鉸孔工藝技術研究：工步設計，鑽、擴、鏜、鉸等工藝的順序安排、餘（yú）量設定、加工參數試驗與選擇；整（zhěng）個加工（gōng）過（guò）程中（zhōng）鏜（táng）鉸孔工藝對於尺寸（cùn）一致性的控（kòng）製研究；鏜、鉸孔（kǒng）複合加工技術研究；加工過程中刀柄與主軸連接對孔徑尺寸精度的（de）影響研究。
3 關（guān）鍵點分析及（jí）解決方案
3.1 關鍵點分析
本項目孔徑公差0.008mm，屬於高精度精密（mì）尺寸，按常規的鏜鉸孔工藝方法保證不（bú）了該公差要求。數控鏜床（chuáng）一（yī）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（shǐ）鉸刀尺（chǐ）寸非常合理準確，也無法百分百保證孔徑公差。
經過分析，關鍵在於鉸（jiǎo）孔時的孔位“對（duì）正”誤差，導致孔徑易（yì）變大。在鏜孔與鉸孔兩個工步之間，會有重複定位誤差，這由機（jī）床的自身精度所決定的。另（lìng）外（wài），主軸與刀柄的鏈接、不同刀具、不同工步之間的誤差，均會引起工步間的孔位不“對正”，結果就會出現加工完成後，孔徑部分合格部分偏離公差範圍，一致性較差（chà）。對於公差0.02～0.05mm的孔徑，這個精度可以加（jiā）工出合格零件，但對於本項目零件要求的公差0.008mm，則無法滿足要求。所以，本（běn）項目要解決的關鍵技術點是，消除鉸孔與鏜孔間的孔位（wèi）“對正”問題。
3.2 解決方案
（1）精密孔加工思路。該零件兩組孔40處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 零件結構及相關要求示圖
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，手工鉸孔（kǒng）優於機（jī）床上鉸孔。手工（gōng）鉸孔時（shí），借助鉸刀引導，操作工移（yí）動零件，可以（yǐ）保證（zhèng）鉸孔時，鉸刀與底孔同心，這樣鉸孔餘量均勻（yún），孔壁給力均衡（héng），孔的直徑尺寸易保證。缺點（diǎn）是手工鉸孔人為因素幹擾較多，當孔（kǒng）的深度（dù）不夠，不足以對鉸刀進行引導和定位時，手持鉸刀會因為（wéi）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力，造成孔徑不圓、孔口呈喇叭形狀等現象，此現象如圖3所示（shì）。本項目孔數量多，孔深4～5mm，不適宜手工鉸孔。
圖3 手動鉸孔
圖（tú）4 機（jī）床傳統鉸孔
機床上鉸孔效率（lǜ）高、穩（wěn）定性好，理論上彌補了手工鉸孔時（shí）與待加工孔的垂直保障問題，能夠更好地保證孔徑公差。缺點是如圖4所示：數控鏜床加工孔，需（xū）分工步（bù）而進行，鑽鏜（táng）底孔（kǒng）、鉸孔（kǒng），機床與刀具的連（lián）接係統定位誤差，鉸孔與原底孔存（cún）在位置偏差，易導致孔徑超差（chà）；機床主軸、鉸刀刀柄、夾（jiá）頭、卡簧、鉸刀之間連接等均有不同程度的偏差，加工狀態鉸刀與主軸中心有一定的偏心（xīn）量，加工模式形同鏜刀加工，這也（yě）是為（wéi）什麽機床鉸孔直徑（jìng）經（jīng）常大於鉸刀實際尺寸的原因所（suǒ）在，偏心量越大，加工出來的尺寸（cùn）相對越大。
（2）采用浮動夾頭夾持鉸刀方案。鉸孔時，采用浮動式夾頭（tóu）夾持鉸刀，代替傳統的剛性夾持刀柄，將手工鉸孔與機床鉸孔的優點合而為一。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，夾持穩定，但是對於高精度孔（孔徑公差小於0.01mm），固定式夾頭結構由於離心力作用影響易導致孔徑（jìng）超差。浮動式夾頭刀柄與夾頭之間有（yǒu）間（jiān）隙，鉸刀被夾緊後，刀體可以在一個微小範圍內活動。本例選擇的活（huó）動範圍是0.1mm，采用數控鏜（táng）床（chuáng）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（xī）取（qǔ）了手工鉸孔可靠（kào）度高（不會由於離心力的作用將孔加大）優點，同時又保持了數控機床的高效率。
浮動夾頭的工（gōng）作原理如圖5所示（shì）。當調用鉸（jiǎo）孔程序鉸刀到達底孔位置時，如果位置“對正”，則（zé）進行鉸孔，不會出現鉸孔缺陷；當（dāng）不“對（duì）正”時，出現了圖示的偏差δ，即（jí）鉸刀（dāo）旋轉中心與底孔中心線有了偏差δ。鉸刀與底孔不同心，此時若為剛性連接鉸（jiǎo）孔就會產生鉸孔誤差，而浮動（dòng）夾頭則可以解決該問（wèn）題。圖示中夾頭間隙λ的存在，可以（yǐ）使鉸刀與底孔自動（dòng）“對正”。鉸刀刀（dāo）刃前端有倒角，可以引導鉸刀“找著”底孔中心，達到“對（duì）正”效果，從而（ér）改善鉸孔環境，使鉸刀旋轉（zhuǎn）穩定、受力均勻、餘量均勻（yún），鉸孔尺寸精確。浮動夾頭內（nèi）部結構簡如圖6所示。
圖5 浮動夾頭消除（chú）主軸定位誤差（chà）原理圖
圖6 浮動夾頭（tóu）內（nèi）部剖麵圖
（3）采用攻絲夾頭夾持（chí）鉸刀鉸孔（kǒng）方案。此方案的工作原理，與浮動夾頭形同（tóng），兩者的不同在於夾頭形狀大小不同，一般情況下，浮（fú）動夾頭的（de）形狀體積大。該方案為備選方案。存在的風險為（wéi）：攻絲夾頭形狀較（jiào）大，當（dāng）旋（xuán）轉起來後，主軸的跳動（dòng）誤差，可能會（huì）大於浮動夾頭。這兩種方案（àn），通過試驗選擇其中鉸孔效果較佳方案（àn）。
攻絲夾頭與機床（chuáng）主軸的連接處設計的是（shì）小間隙配合（hé），當夾上絲錐攻絲時，絲錐會隨著端頭引導與零件底孔對正是由於夾頭間（jiān）隙的緣故，不會出現絲錐與鑽孔（kǒng）位置（zhì）“不對（duì）正”的情況。分析本項目鉸孔的需要，關鍵點就在鉸刀（dāo）與底孔“對正”問題，若兩者之間有差異，將會影響孔徑精度，所以攻絲（sī）夾頭用於鉸孔第二方案。
（4）采用鏜（táng）刀鏜孔方案。鏜孔方案排列在方法三，鏜孔方法保（bǎo）證嚴公差，也是一種較常見的相對穩妥的孔加工方法，但該方法需配置精密鏜（táng）頭（調整精度不大於（yú）0.002mm），適（shì）用於少量孔的加工。因為鏜刀是利用（yòng）刀（dāo）尖進行加工，加工的過（guò）程中刀尖易產生磨損，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（xū）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（de）技能水平要求極高（手工調整存在目（mù）測、手感、排除間隙等誤差），對過（guò）程操（cāo）作要求精（jīng）細，工人需頻繁測量，微調鏜刀尺寸，質量穩定性差，風（fēng）險（xiǎn）性較高，加工（gōng）效率低下。本項目孔數量多，若全程依賴操作者的精確操作，勞（láo）動強度很重，難度很大，加工風險性較大，可操作性較低。
4 驗（yàn）證對比及方案確定
4.1 鏜孔試驗
（1）試驗工步：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。前三工步按步驟進展順利，孔尺寸合格。精鏜孔工步進行情況，每鏜（táng）1個（gè）孔，均進行測量。按順序（xù）各孔檢測結果如下：1孔（kǒng）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，直徑加大0.006，繼續鏜孔，如此反複，直到鏜完40個孔。
（2）鏜孔試驗（yàn）結論（lùn）。鏜孔加（jiā）工優點（diǎn）：不必配備專用鉸刀，隻（zhī）需具（jù）備接近孔徑的鏜刀即可，生產準備周期短；鏜孔加（jiā）工缺點：鏜（táng）刀（dāo）易磨（mó）損，加工4個孔鏜刀（dāo）磨（mó）損0.005mm左右，已接近孔公差0.008mm，1把（bǎ）鏜刀最多加工5個合格孔，鏜刀磨損已不（bú）能保證孔徑，需（xū）要（yào）手動頻繁調節鏜刀（dāo）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（shén）狀態影響較高，易造成操作者疲勞操作。該方案加工效（xiào）率低，零件尺寸（cùn）一致性（xìng）差，可操作性低，加工效果較差。
4.2 攻絲夾頭夾持鉸刀（dāo）鉸孔試驗
（1）試驗工步：安裝（zhuāng）找正試驗件打中心孔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（整體硬質合金鉸刀，鉸刀直徑ф5.381-0.003，配攻絲夾頭）。共計五道（dào）工步，前四工步按步驟進展順利，孔尺寸合格（gé）。（備（bèi）專用鉸（jiǎo）刀，尾柄形狀必須是方頭，與攻絲夾頭尺寸一樣）。配攻絲夾頭鉸孔時工步的情況如下：一把鉸刀可以一次性加工（gōng）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ф5.379、38孔ф5.378、39孔ф5.376、40孔ф5.378。孔徑（jìng）最大ф5.382，最小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（gè）合格孔，孔徑差值（zhí）0.006mm，加工過程（chéng）較穩定；缺點：孔徑差值0.006mm，比較接（jiē）近孔徑公（gōng）差0.008mm，尺寸精確度差，有超（chāo）出公差的（de）危險。攻絲夾頭外形尺寸較大（dà），在試驗件上可以（yǐ）正常使用（yòng），但在（zài）正式零件上（shàng）由於結構（gòu）限（xiàn）製存在幹涉，無法使用。因為零件（jiàn）所上孔中（zhōng）心距離台階5mm，而攻（gōng）絲夾頭（tóu）直（zhí）徑ф40，無（wú）法下落。因（yīn）此，必須設計專用鉸刀，使鉸刀伸出部分更長（需要30mm），才能使用攻絲夾（jiá）頭，而鉸刀（dāo）伸出（chū）部分太長不利於孔精度，攻絲夾頭的幹涉情況如圖7所示（shì）。
圖7 攻絲夾頭外（wài）形尺寸與（yǔ）加工部位對比示意圖（tú）
4.3 浮動夾頭夾持鉸刀鉸孔試驗
（1）試驗工步：安裝找正試驗件打中心孔40-ф2、鑽底孔40-ф4、擴孔40-ф5、粗鏜孔40-ф5.2精鏜孔40-ф5.3、鉸（jiǎo）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（dòng）夾頭）。共計五道工步（bù），前四工步按步驟進展順利，孔尺寸（cùn）合格。（配備專用鉸刀，直徑尺寸（cùn），及刀具材料適合）。配浮動夾頭鉸孔工步情況如下：一把鉸刀一次性加工40個（gè）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（kǒng）ф5.379、38孔ф5.38、39孔ф5.38、40孔（kǒng）ф5.379。孔徑最大ф5.382，最小ф5.379，差值0.003，孔徑值基本接近鉸刀直徑。
（2）浮動夾（jiá）頭鉸孔試（shì）驗結論。優點：一把鉸刀可以一次性加工（gōng）40個合格孔，孔徑差值0.003，加（jiā）工（gōng）結果精密度、精確度（dù）高，加工效率高，可以高效精確保（bǎo）證零件加工需求。缺點：暫無。
4.4 試驗加工後方案確定
通過以上三種加工方案試驗，加工優缺點對（duì）比得出：鏜孔方案鏜刀磨損快（kuài），隻適用於數量小的孔加工；攻絲夾頭方案，孔徑公差可以保證，但由於受零件加工部位（wèi）的空間限製，適用範圍存在（zài）一定限製；浮動夾（jiá）頭方案，孔尺寸精度高，穩（wěn）定性高，相比其它兩種方案具有明顯優勢（shì）。所以，最終確定選擇浮動夾頭夾持鉸刀加工方案。
4.5 方（fāng）案實施及零件加工結果
（1）零件材料是（shì）2Cr13，材料硬度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（fú）動夾（jiá）頭夾（jiá）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（jiǎo）刀材料（liào）為（wéi）整體硬質合金，鉸刀尾柄為（wéi）ф6直柄，與浮動夾頭連接，再將浮動夾頭連接到機（jī）床主軸上（shàng）。鉸孔方法與普通鉸孔方法相同，區別是裝上了浮動（dòng）鉸刀頭。
（2）操作步驟如下（xià）：選擇合適規格的浮動鉸刀頭，此為標準件，可以購買；將鉸（jiǎo）刀與浮動鉸刀（dāo）頭連接；將裝好鉸刀（dāo）的浮動鉸刀（dāo）頭與機床主軸連（lián）接；鉸孔。
（3）按照打中心孔、鑽底孔、擴孔（kǒng）、鏜孔、鉸孔等工步完成加工。40個（gè）孔均滿足尺寸技術要求，且孔徑差值小大（dà）於0.003，一致性較好，加工效率較高。現將鉸孔（kǒng）部分加（jiā）工參數列出。加工餘量優選值：a鏜孔：單邊0.1-0.15；b鉸孔：單邊0.03-0.05；加工參數：a鑽孔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（jiá）頭：鉸刀（dāo）直徑ф5.381-0.003、ф5.980-0.003，鉸刀材料為硬質合金，刃長15，鉸（jiǎo）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（yòng）浮（fú）動鉸刀頭技術，利用在數（shù）控鏜床上模擬手工鉸孔的原理，解決了高精度孔（kǒng）加工難度高、一致（zhì）性不易保（bǎo）證的難題。本技術操作方法簡（jiǎn）單，加工零（líng）件具有高質量、高穩定性、高效率的優（yōu）點，使精（jīng）密（mì）孔的（de）加工不再依賴於操作者的技術水平，極（jí）大提升了精密孔加工技術水平，在機械加工領域（yù）對於各類零（líng）件（jiàn）精密（mì）孔的加工，具有極高的推廣價值及意義。
