空间角度的高精度斜孔加工工艺研究

　　一、加工对象简介

　　如图1所示，某复杂回转体组件，在为基体材质的6个棱柱面上，镶嵌了6个直径为18mm，高度为14mm 的(钽钨合金) 材质圆柱体。

　　零件要求，同时穿过和两种金属，加工出具有空间角度的6个高精度斜孔，斜孔与筒体轴向夹角为20°±10′，与筒体径向夹角为54°30′±10′，与棱柱面夹角为35°30′±10′，孔径为8±0.05mm，孔深为40mm(每两个相邻孔呈63.26°V 形相贯)，孔中心位置度为0.1mm。

　　镶嵌了圆柱体的6个棱柱面需要精加工至内接圆直径66±0.023mm，棱柱面与圆柱中心平面的对称度为0.025mm，平面度为0.01mm，表面粗糙度0.8μm。

　　二、工艺难点

　　在本案例中，圆柱体与基体采用压合而非熔焊的方式结合在一起，没有常规的熔融过渡区，因此在切削加工过程中，刀具同时切过两种不同材料时，由于材料特性的差异，在两 种材料的分界处会产生加工粗糙度和尺寸的差异。根据试验，使用40mm 的硬质合金盘形铣刀加工 6 个棱柱面，圆柱的加工面将比棱柱面高出约0.05mm左右。总结起来，本案例中零件的主要工艺难点有以下几方面。

　　(1)双金属材质的加工极为困难。具有显著的高温强化特性，若采用常规的切削加工，由于加工时刀具和工件摩擦发热，工件硬度迅速升高，导致后续加工困难。而基体材质为，加工硬度没有高，但材料韧性大，在低速条件下易粘刀。两种金属的加工性能差异极大，因此，既要保证高硬度、高强度的材料加工质量，又要保证工件的加工质量，合理地配置切削参数是关键。

　　(2)空间角度的高精度斜孔加工，位置度和尺寸精度难以控制。

　　(3)钻孔的深度超过5倍长径比，因此冷却和排屑都不易，且要穿过硬度不同的两种金属界面，直线度难以保证。

　　(4)孔轴线与钻孔平面成35°30′±10′的狭小角度，在没有钻模的情况下，钻头单边受力易发生折断，难以保证 孔心位置度。

　　三、工艺方案

　　该组件属于回转体结构，斜孔在径向和轴向上都成一定角度，且孔的轴线与组件的轴线成相离的位置关系。由于是单件生产，从工件装夹和效率等因素考虑，应该选择具有五坐标控制功能的某型号车铣复合加工中心，利用其三爪卡盘和顶尖夹持工件，中心架起到辅助支承和减震作用。通过回转轴的分度功能，一次装夹即能完成对 6 个棱柱平面的加工。 同时，通过回转轴和轴的联动拟合，即可得到 6 个斜孔的轴向钻孔角度。五坐标车铣复合加工中心一次定位装夹，即可完成 6 个棱柱面和 6 个斜孔的精加工，不需要专门的工装夹具，加工精度能得到有效保证，效率高。

　　某型号车铣复合加工中心主要工艺参数如下：最大车削直径为 610mm，主轴中孔直径为112mm，轴角度范围-30°～210°可任意分度，C轴分度为0.001°，X轴行程是740mm，轴行程为410mm，Z轴行程为1 838mm。

　　根据理论分析，C轴的分度定位+B轴分度定位，能够组合出任意的空间角度，再加上Y轴的行程，就能够加工出任意空间角度的偏心斜孔。

　　四、工艺措施

　　1.双金属材质切削加工的工艺措施

　　合理地控制切削参数，充分冷却是保证和双金属正常加工的前提条件。e-410H 车铣复合加工中心能够同时提供外部冷却和中心内冷，能保证加工时刀具和工件都得到充分 冷却。

　　在试制加工过程中，通过不断调整切深，从0.01mm～2mm反复摸索，最终确定切深为1mm，切削速度为160m/s，切宽为20mm的加工条件下，能取得最理想的加工效果。

　　2.高精度、高表面粗糙度加工的工艺措施

　　产品要求加工后的平面对称度为 0.025mm，平面度为0.01mm，表面粗糙度为0.8μm。通过工艺试验，采用“平铣+精磨抛光”的工艺手段，能保证产品加工质量。

　　为了加工和双金属材料，笔者重点调研了碳化硅和金刚石砂轮，并对砂轮不同硬度和粒度的加工情况进行了对比分析，选用M和P两种型号的碳化硅砂轮进行工艺试验，最终确定P型号，200目粒度的碳化硅砂轮能取得最理想的加工效果。

　　3.深孔加工的工艺措施

　　钻孔过程中，由于刀具直径为7.8mm，刀具悬伸长度大于50mm，长径比在6倍以上，极易发生刀具断裂。因此，采用深孔钻削的工艺方法，每次进给深度不超过5mm，然后退刀至安全平面，既起到排屑的作用，又让刀具充分冷却。在加工过程中，刀具不会因高温和切屑的干扰而发生断裂和烧 死现象，确保加工成功。

　　在加工过程中还采取了以下措施：

　　①采用6mm球头铣刀，在垂直于斜面的方向上，铣出凹槽，将工艺允许范围内的多余材料去掉;

　　② 采用7.8mm 的平底锪钻在6 个平面上相对刀轴方向锪出钻孔的下刀平面;

　　③ 采用7.8mm 的麻花钻加工底孔;

　　④ 采用8H9160mm 铰刀铰孔到8±0.05mm。

　　4.X 、Y、Z、B和C五轴联动的编程措施

　　斜孔与机床坐标系的YOZ平面呈35.5°，与XOZ 平面呈 20°的空间角度。采用局部坐标系和全局坐标系变换策略，程序的位置点由全局坐标系控制，刀轴方向与局部坐标系Z轴方向重合，刀具轴向由局部坐标系的I、J和K分量进行精确控制，在进给和退刀时，X 、Y、Z、B和C轴联动，确保刀轴正确。

　　为了保证加工过程安全，还应对数据程序采用 Vericut软件进行加工模拟仿真，以检查程序和正确性，如图2所示。

　　通过以上措施，该零件一次加工成功，解决了在双金属材质上加工高精度斜孔的工艺难题。

　　五、结语

　　在进行该组件加工之前，笔者与业内人士进行了广泛讨论和交流，多数人都认为风险极大，很难成功。确定了加工方案后，特别是借助Vericut 软件进行加工虚拟仿真分析，采用了“精铣+精磨抛光”加工等手段，终于解决了在双金属材料上加工高精度斜孔的工艺难题。总结起来，最关键的有两条。

　　(1)合理地控制切削参数，充分冷却是保证工件正常加工的前提条件。针对和 的双金属材料，设定切深为 1mm，切削速度为160m/s，切宽为20mm的条件，就能取得最理想的加工效果。

　　(2)针对斜面孔加工，必须采用特殊的工艺方法，先在斜面上加工出孔轴法向的小平面，是能够成功加工出孔的关键。根据加工过程中刀具的受力分析，采用有效的加工工艺参数，才能确保加工成功。