大余量毛坯孔的加工工艺与刀具设计

1 问题的提出
在我厂“前后桥壳体加工两端定位孔镗车床技术改造”项目中，要求加工两端孔至尺寸Ø60，孔口倒角4×30°，表面粗糙度Ra12.5。工件孔为铸造底孔，工件材料ZG270-500，硬度>HB143。原定单边加工余量5mm，而实际由于毛坯质量差，铸造孔偏心严重，加工余量极不均匀，单边余量最大为9mm，最小为1mm)，给定位孔的加工带来很大困难，加工废品率较高。我们通过“前后桥壳体加工两端定位孔镗车床技术改造”项目对此进行了攻关，通过不同加工方案的对比，选择钻扩孔工艺并设计了专用扩孔钻，解决了该大余量孔的加工难题。

2 镗孔工艺
根据工件的加工要求，可选择三种镗削方案。
在一根镗杆上安排粗、精切镗刀来分担余量的切除，镗孔后再倒角。为了不影响生产节拍，两把粗、精切镗刀需同时工作。由于孔径只有Ø60mm，孔深65mm，因此镗杆直径最大不超过Ø46mm，镗刀杆最大截面尺寸为14×14mm，压紧螺钉最大直径为M8。由于是在镗杆上钻孔及攻丝，进一步削弱了镗杆的刚性及强度。而镗削余量的不均匀分布使得切削力很大，两把镗刀同时工作使机床功率不足，因此不可避免地要引起切削振动，无法满足工件加工精度和表面粗糙度要求。
在同一根镗杆上安排粗、精切镗刀来分担余量的去除：用第一把镗刀先镗去5～6mm的余量，再用第二把镗刀镗去剩余余量，最后用倒角刀加工4×30°的倒角，但其中任何两把刀都不得同时工作。采用该方案虽然可降低切削力，但镗杆长度增加了两倍，造成镗杆刚性不足；同时单件加工工时也增加了一倍，保证不了生产节拍。
安排两台机床，即增加一台半精镗床来分担余量的精加工。该方案虽可解决问题，但工件加工成本太高。
此外，由于工件为铸钢件，其切屑呈连续状，因此加工过程中的排屑也是一个非常重要的问题。而采用镗孔工艺，镗杆与工件孔壁间的空间很小，在卧式镗床上加工时切屑易堵塞在镗刀切削刃附近，所以经常出现打刀现象。
3 扩孔工艺
由于扩孔钻在钻削时是四个齿同时参加切削，切削过程中其切削力可相互平衡，在相同的切削进给量下，扩孔钻每齿的切削余量是镗刀的四分之一，每齿切削负荷大大降低；扩孔钻的整体刚性远大于镗刀，刀具的耐用度也大大提高；此外，扩孔钻带有螺旋槽，有足够的容屑空间，加工过程中切屑能顺利沿螺旋槽排出，可满足工件加工精度和表面粗糙度要求。因此，在相同的加工余量下，只要机床的刚性有保证，采用扩孔工艺的效率远远高于镗孔的效率。
扩孔钻设计
扩孔钻的结构特点
扩孔钻有整体、镶齿、套装等多种形式，应根据不同使用情况进行选择。针对本工件的加工条件，我们选用套装式扩孔钻，刀具用一个M16螺钉压紧。该刀具具有以下优点：
刀具能承受较大切削载荷。套装扩孔钻采用芯轴定心，由端面承受切削载荷、键传递扭矩，因此在较大切削载荷下不会出现刀具打滑现象。
刀具长度小，重量轻，制造简便。

刀具易于调整，装卸方便。
扩孔钻的切削参数选择
考虑到铸件孔偏心严重，其单边的加工余量大于工艺要求的加工余量，因此选用刀片宽度大的车刀刀片，扩孔钻端面上开有端面刃和切削倒角刃。倒角刃起主要切削作用，切去大部分余量；端面刃起辅助切削作用，分担孔偏心造成的余量(最大达9mm)。由于主切削刃的几何参数、刀体容屑槽尺寸等都会影响被加工孔的精度和表面质量，因此应慎重选择。
主偏角。
主切削刃偏角应根据工件的切削性能来定。主切削刃偏角的大小，不但影响切削层的厚度，也影响扩孔时的切削稳定性和孔的直线度。加大主切削刃偏角，使孔的直线度变好，对预制孔的直线度有校正作用，但随着主切削刃偏角的增大，切削厚度随之增大，切削刃入孔时的导向性和稳定性将变差。所以，扩孔时一般采用较大的主切削刃偏角。
前角
由于工件材料为灰铸铁，刀具取0°前角，既便于刀具制造，又能增强切削刃刚性和切削刃的容热性能，可显著提高刀具寿命。
后角
刀具的后角主要应满足减小后刀面与已加工表面摩擦的要求。取12°后角，既能保证切削刃的锋利，又可满足切削刃的强度要求。
螺旋角和容屑槽
为了校正预制孔的不精确度以得到精确的孔径，扩孔钻的螺旋角不能太大，取10°。考虑到容屑和排屑的需要，钻头上除了开有螺旋槽外，在刀具端面上还开有倒角刃容屑槽和端面刃容屑槽，以保证足够的容屑空间，避免因切屑堵塞而打刀。
切削用量的选择
切削用量对切削加工效率、刀具耐用度、加工质量都会产生影响。经现场调试，确定转速n=200r /min；切削深度ap根据加工余量确定，要求一次走刀切除全部余量，根据最大单边余量选ap=9mm；由于工件底孔为铸造孔，有硬皮、夹砂等缺陷，同时工件加工余量大且余量不均匀，为减小冲击和热应力，选用较低切削速度，取v=37.5m/min；综合工件材料、工件直径、刀具刚性等因素，根据经验选取进给量f=0.4mm/r。
加工效果
在选择扩孔工艺加工上述工件的试验中，由于工艺方案选择正确，在工件的调试切削中，机床运行平稳，完全避免了主轴的震动，使得机床的现有刚性和强度完全满足工件的加工工艺要求。虽然铸造孔偏孔严重，但扩孔钻切削轻快，切屑排出流畅，孔的加工表面粗糙度和精度均达到要求，且使用中产品质量一直很稳定，机床调试验收一次成功，完全达到预期的效果。