深孔加工技术在航空长筒体类零件中的应用

深孔加工技术在航空长筒体类零件中的应用

原油长臂零件是航空产品中常见的加工零件。这种零件的内部直径比较大，因此很难加工。例如,有一种长1300mm、内孔直径准93mm的筒体零件,内孔长径比13.9,采用管料进行加工,由于很少加工如此大长径比的零件,对其加工的难度开始考虑不足,采用了一般的镗刀进行加工,发现这样的方法根本无法加工;由于镗刀杆太长,加工时出现严重的振刀和让刀现象,造成零件内孔尺寸以及粗糙度无法满足要求,加工无法进行下去,给生产带来严重的影响;在此情况下,迫切需要在现有的加工条件下找到一种解决深孔加工的方法,来保证该零件的顺利加工及交付。1内孔结构的加工难度大,一般分为3.如图1所示是一个薄壁长筒零件,内孔直径准93mm,深度1300mm,外圆上有几处台阶和环形槽等结构,从结构看,其他部位的加工难度都不很大,最难加工的部位就是长径比达13.9左右的内孔。2内孔尺寸无法保证加工对于普通孔的加工方法,需要几道加工工序,一般先钻孔,再扩孔、镗孔,精度要求高或粗糙度要求低时,还需要进行铰孔和磨孔,通过这些加工手段都可以达到需要的要求。但是,对于深孔的加工很难用这些加工手段达到要求,在镗孔时,由于镗刀杆长,刚性会很差,会出现让刀及振刀的现象,使孔的加工质量无法得到保证,甚至无法加工。筒体就是一个内孔长径比很大的零件,该零件使用的毛坯是管料,加工中只需进行镗孔,但是13.9的长径比,造成其内孔的加工难度非常大,无法用普通加工手段来完成深孔的加工。一般内孔的长径比大于5时,其加工就比较难了,加工精度及表面粗糙度不容易得到保证;该零件内孔长径比为13.9,用普通镗刀加工时,制造的镗刀杆长达1550mm左右,刀杆悬出部分很长,达1350mm,由于内孔余量以及退刀和排屑的要求,刀杆直径设计为准80mm左右,刀杆的刚性很差;在加工中,镗刀产生严重的“让刀”和振刀现象,表面粗糙度非常差,内孔尺寸无法保证;所以使用普通镗刀根本无法加工,无法满足生产的需要,必须采用行之有效的深孔加工手段来完成零件的加工。2.1深孔加工法分析一般镗削时的加工问题,主要是由于刀杆悬空、长径比过大,造成刀杆刚性很差,使加工零件时出现让刀和振刀现象,针对这个问题,就要设法加强刀杆的刚性,为此采用了一种浮动镗刀法的深孔加工方法,在该零件对尺寸精度要求不是很高的情况下,既简便易行,又能完全满足加工要求,是一种经济实用的深孔加工方法。在加工中,零件一端夹持在主轴端的卡盘上,另一端架在中心架上,零件随主轴一起旋转;镗刀杆的一端装夹在尾拖板上,尾拖板在专用电机的带动下可沿机床导轨进行移动,使镗刀进行进刀运动,镗刀杆靠近零件的一端架到中心架上,保证刀杆能够运行平稳,并保证其对中性;在加工时由镗刀头上的木导向块进行引导,这样靠木导向的支撑,可以使刀杆保持刚性,不会让刀和振刀,使镗刀沿加工过的孔进行镗孔加工,镗刀杆制造成空心,内孔用来加入高压冷却液,以冲走切屑和冷却润滑。加工示意图如图2。2.2浮动式铣削深孔使用改制的专用车床,机床尾座上加有独立的电机,可以带动尾座移动,加工时要先用75°镗刀对内孔进行粗镗,然后用专用宽刃浮动式镗刀进行精镗;浮动式镗刀安装在专用的镗刀头上,镗刀可以在镗刀头内自由滑动,不能固定住,这样在木导向块的导向下就能够顺利的将深孔加工出来;由于该加工方法比较特殊,所以加工前还必须对零件进行很多前期的加工,将各种基准加工好后,才能进行镗孔的加工。2.2.1基准加工基准加工的目的是为镗孔的装夹设立基准,保证装夹定位时准确,中心架定位可靠,只有把基准加工好,才能够保证后续工序的加工,在加工筒体零件时,就进行了如图3所示的基准加工。从图3中看出,在零件靠近两端的地方,加工出两处同轴的外圆,作为定位基准面,为后续加工时装夹找正和中心架定位用。2.2.2保证刀具的刚性及切削力为保证镗刀杆的刚性,加工时防止刀头处让刀和振刀,必须在零件镗孔前先加工出一个引导孔;引导孔的大小与要镗的孔径一样,利用木导向块使镗刀头在引导孔内定位,保证镗刀杆受到有效的支撑,从而加强了刀杆的刚性,并能保持切削力的平衡;在加工中随着镗刀的切削加工,形成的内孔会使木导向继续支撑着刀杆,保证刀杆的稳定性,以及刀杆的对中性,所以镗孔前的导向孔的加工至关重要,没有导向孔就无法进行后续工序的加工。在加工筒体零件时,引导孔的加工如图4所示。从图4中看出,引导孔的直径就是零件内孔的直径,这是由于引导孔在镗削时不加工,而只是起引导支撑作用,所以要加工到内孔尺寸,这样才能保证加工后内孔直径一致。2.2.3零件被夹头再压板加工在定位基准及导向孔加工完后,才能开始进行深孔镗削的加工,在加工时必须分粗精加工,粗镗时先要去除大量的切削余量,根据零件毛坯内孔余量的多少,来决定粗镗的次数,要分多次粗镗,就必须根据每次粗镗孔的直径来加工引导孔;在加工筒体零件时,由于内孔余量不是很大,所以粗镗时没有分多刀镗削,而是一次镗削加工出来,给精镗留0.5mm左右的加工余量。在加工时,由于木导向在引导孔内会产生较大的摩擦力,所以零件夹紧时需要较大的夹紧力,才能防止零件加工时不会松动打转;加工前,零件夹紧端要留出足够的长度段来进行夹紧;如果是管料,夹紧段在夹紧中会产生变形,加工完后要将这段做夹头的部分车掉;如果没有这段夹头将会使零件加工完后内孔变形,因此,必须留有夹头才能防止因夹紧力过大造成的零件变形。如果所用的管料壁厚太薄,可以在夹紧端孔内加入一个衬套,这样将有效地提高零件夹紧端的强度,保证夹紧可靠;在这里使用衬套而没有使用堵头,是因为用的是前排屑的加工方法,切屑要从衬套孔内排出,所以不能用堵头做内衬。粗镗内孔时采用的是75°车刀,如图5所示。采用前排屑加工;在这里要求前排屑,是因为加工时存在木导向块,如果切屑不向前排出,将会缠绕在木导向块上,使木导向块无法正常工作,造成加工时,导向块被切屑挤死,将使主轴闷车,零件无法加工。2.2.4其他车刀的切削结构设计粗镗孔为去除较大的加工余量,并提高加工效率,加工时采用较大的进给量和较高的切削速度,所以加工的内孔粗糙度及尺寸精度较差,为保证零件要求,还必须进行精加工,对内孔进行精镗。精镗孔采用的镗刀是一种特殊的镗刀,是一种可以浮动的镗刀,采用的是宽刃结构,主要是对内孔进行精整加工,这种加工效率高,加工精度好,其结构如图6所示。从结构图中看出,该镗刀两头对称,刀刃方向相反,两刀刃间的尺寸就是所镗孔的直径,在磨刀时必须很好地控制,必要时还要先进行试切来确定刀具的尺寸;刀具两侧面光滑平行,保证了镗刀可以在镗刀头内灵活滑动,由于刀刃部分较宽,在20mm左右,所以切削时会产生较大的切削力,切屑时的切削用量必须选择合适。在加工时粗加工和精加工是一次装夹进行的,粗加工的刀头和精加工的刀头可以进行更换,在粗加工后换上精加工的刀头就可以进行精加工,这样就避免了再重新装夹找正,减轻了劳动强度。3木导向块的加工在加工时要进行一些前期的工装准备,首先就是导向装置的准备,这是这种加工方法最关键的部分,加工的孔的直线度,完全靠导向装置的引导来保证;在一些深孔加工中的导向装置,采用的是耐磨垫条,这种垫条一般是用硬质合金材料制造,加工前需要进行外圆磨削,以保证与导向孔间隙合适,这种方法费工费时,造价高、准备周期长。我们在进行加工时,使用的是木导向装置,结构简单、加工难度低、成本小,易于制造。导向部分用的是一种木导向块,4等分均匀地分布在4个导向槽内,结构如粗精镗刀图所示。从图中看出,4块长条型木导向块,紧紧的压入刀体导向段的导向槽内,在木导向块压入导向槽时,要高出导向槽5~7mm,加工的时候,先让镗刀进入零件上的导向孔内,由于导向孔有一定的长度,在镗刀向前推进时,在导向孔内不会进行切削,这时候木导向块逐渐接近导向孔口,由于镗刀杆这时候是支撑在中心架上的,镗刀头与中心架的距离很近,刀杆得到很好地支撑作用,不会因为刀杆长而产生摆动,运行平稳。为使木导向块起到准确的导向,就必须使木导向块和内孔的配合间隙很小,如果采用先按内孔尺寸加工好木导向块的方法,那么配合间隙不好控制,在加工时会因为存在的间隙,造成镗刀在内孔摆动,产生不稳定的现象;所以,这里采用了一个很巧妙的加工办法,既简单又能很好地保证木导向和内孔的配合;在加工前,先在导向孔口,加工4~5个楔形刀口,如图7所示。这样镗刀向前移动时,木导向块就会靠上端面的刀口,刀口即对木导向进行切削,使木导向刚好被加工成与内孔大小相同的外径,并顺利进入导向孔起到引导作用,在导向块全部进入导向孔后,镗刀才开始进行切削,由于木导向选择的是较软的木头加工的,所以,镗刀加工出的新孔虽然比导向孔小0.5mm,木导向块在进入已经加工好的孔时,会被挤变形而进入新加工出的内孔进行导向,这样就通过镗出的内孔作为新的导向孔,不断的向前加工,从而完成整个内孔的加工;使用木导向块还有一个优点,由于其材质是较软的松木,具有一定的吸水性,这样加工时其可以因吸水产生轻微的膨胀,保证导向块始终与内孔紧密的配合。由于导向块在刀头处起着支撑作用,所以镗刀不会产生让刀和振刀现象,导向块的存在使刀杆的长度可以很长,理论上只受到机床的长度和刀杆抵抗扭矩和推力的能力的限制,所以可以任意调整刀杆长度来加工各种深孔,加工示意图如图8。在粗镗完以后,要更换精镗刀头,用上述的浮动镗刀进行精加工,这时必须更换木导向块;由于精加工用的镗刀是浮动的,所以加工时将沿着粗加工好的底孔进行加工,这就要求粗加工时的底孔必须保证直线度,如粗镗时没有将内孔镗起来,就会造成导向块跳动,造成底孔偏斜,所以粗镗时必须保证将内孔镗起来,这就要保证毛坯有足够的加工余量,从而保证精加工质量。4切屑的排出由于孔深切屑很难排出,能否顺利排屑对加工质量影响很大,由于有木导向的存在,加工时必须控制好切屑的排出方向,以及能够顺利的排出;如果切屑排向木导向块一侧,将影响到导向块的导向,切屑会将导向块挤死,而无法进行正常的加工。4.1冷却液的制备在加工中还要控制好切屑的形成,理想的切屑是卷屑,这样的切屑不会缠到刀上,有利于排出;最不希望的是直带状的切屑,这种切屑很容易缠绕到刀杆上。切屑的形成通常与零件的材料有关,对一定的材料来说,切屑还与刃具的几何形状、进给量和转速以及冷却液有关系。通常我们加工的材料分为脆性材料和韧性材料,对脆性材料,加工时产生的切屑一般是粉末、颗粒和细条状的,这些切屑在高压冷却液的冲洗下较容易排出;对于韧性材料,一般形成的是连续的切屑,在切屑长度较大时,排屑会很困难,所以对韧性材料,加工时要尽量形成短的卷屑,这样将非常有利于切屑的排出。当加工中切屑较长时,就必须通过改变切削参数和刀具几何参数的方法来控制切屑的形成样式,避免不利切屑的形成,保证切屑的排出顺利。4.2高压冷却液喷入非织造布的工艺在深孔加工中,冷却液的作用至关重要,它一方面可以在加工中对刀具进行冷却润滑;另一方面它还必须将形成的切屑及时冲走,保证内孔无积存的切屑,防止切屑影响到加工的正常进行。如果从零件孔口处喷入冷却液,由于孔太深,冷却液根本无法有效地达到刀头处,而且冲出切屑的力量也大为减低,根本起不到冷却润滑并冲走切屑的作用。为保证冷却液可以发挥其有效的作用,就必须使冷却液直达刀头处,并且有足够的压力将切屑冲走,所以加工用的刀杆是中空的,将高压冷却液从刀杆孔压入,从刀头处的孔里高速喷出,既能起冷却润滑作用,又可以将切屑及时冲出去;对于冷却液的压力,要根据刀杆的长度和刀杆内孔径的大小来