深孔加工中出现的螺旋槽、多边形误差分析与对策

2013-08-02刘俊清

机械制造 2013年2期

□ 刘俊清

四川建筑职业技术学院机电工程系四川德阳 618000

深孔加工是机械加工中的难题。其中，螺旋槽状多边形孔误差是深孔加工中较常见的加工误差之一。产生这种误差的原因很复杂，各个机械加工企业对此的看法也不尽相同，甚至有些问题还有争议。笔者通过中国第二重型机械集团公司深孔加工的实例分析，着重探讨形成这种误差的原因及其解决办法。

1 镗深孔时出现的螺旋槽、多边形误差及其对零件加工质量的影响

在镗深孔时，由于镗杆、刀具、导向键、支架或者托辊等工装方面的原因，使镗刀在孔壁上挖出一个小凹槽。随着切削过程的循环往复，该小凹槽可能被进一步挖深、挖宽，从而形成一个较大的螺旋形凹槽。当数条螺旋槽发展到一定程度时，从孔的横截面上看，则呈多边形形状。常见的多边形误差可以分为两种，即：宏观多边形和微观多边形。所谓宏观多边形就是机床操作者或者质量检查员用肉眼就可以观察发现的多边形；而微观多边形则是凭肉眼不能轻易发现的多边形。但是，无论哪种多边形误差，对零件的加工质量都有很大的影响。

例如：对于发电机转子上的深孔加工，如果出现宏观多边形误差，当其在高速旋转时，强大的离心力会在转子内孔的宏观多边形处产生应力集中，严重时会导致裂纹，从而缩短转子的使用寿命。对于缸体零件，微观多边形虽然看不见，但当活塞在缸体内运动时，从接触轨迹来看，仍然可以看出微观多边形对缸体使用性能的影响。

2 螺旋槽、多边形误差的产生原因、实例分析及其解决方法

2.1 螺旋槽状多边形误差的产生原因

镗深孔时螺旋槽状多边形误差的产生原因很多，具体分析如下。

1）微观多边形的形成原因。镗深孔时出现的微观多边形，一方面与支承工件的中心架或者托辊的轴承跳动有关；另一方面也与机床主轴轴承的径向跳动、轴向窜动有关；此外，还可能与工件支架或者托辊的架口本身形状（即有无多边形）有关。

2）产生宏观多边形的原因。宏观多边形产生的主要原因是：镗杆刚性差、切削稳定性不好，加工时镗杆弹跳产生两个切削中心而形成挖刀，加工方法不正确等。具体来说，在镗深孔时，由于镗杆后部是用法兰盘与钻杆箱主轴连接的，此时镗杆相当于一个悬臂梁。因此，在镗削过程中，由于切削力的作用，镗杆会产生弹性反扭矩，使镗刀在360°范围内任意地挖掉一些金属层，即在孔内壁上挖出一个小凹槽。工件与镗杆相对每转一转，镗刀就可能挖出一个小凹槽，如此循环下去，小凹槽就变成了螺旋槽。这时，如果导向键运动到此处，刀具的切削就会受到更大的影响，有可能将小凹槽进一步挖深和挖宽，从而形成一个大的螺旋形凹槽。当数条螺旋槽发展到一定程度时，从垂直于工件轴线的剖面方向看，就能够看到3边、或5边、或7边多边形，如图1所示。

图1 深孔加工中常见的多边形误差

2.2 实例分析及其解决方法

根据生产经验统计分析，镗深孔时，以下几种情况很容易产生螺旋槽状多边形误差，现就其产生原因和解决方法加以介绍。

2.2.1 孔粗加工后，本身存在不圆或者有洼陷时，容易产生多边形误差

孔粗加工后，如果存在不圆或者有凹陷，在这种情况下，即使采用刚性和稳定性都较好的镗杆，精加工后也很容易产生螺旋槽状多边形误差。例如：在6 m深孔钻床上，用φ200 mm的镗杆镗φ300 mm的深孔，就多次产生7边形误差。针对这个问题，将导向键加宽，并且做成圆形即可解决。

2.2.2 工件架口面本身就不圆或者是多边形时，容易产生多边形误差

架口面是镗深孔时用于中心架或者托辊安装的定位基准面，如果它本身就不圆或者是多边形的，那么镗深孔时容易产生多边形。因此，在镗深孔前，首先要仔细检查架口面，如果发现它不圆或者是多边形的，应当立即修整，然后再进行镗孔。

2.2.3 导向键原因产生的螺旋槽状多边形

1）带刀研磨导向键。在研磨尼龙导向键之前，操作者先要在工件的端面用扁铲打出若干个“毛刺”来，于是依靠这些 “毛刺”将导向键高于孔径的部分研磨掉。研磨导向键时，工件是旋转的，当工件上的某一被磨钝的毛刺顺着旋转方向转到离刀具最近的某个导向键附近时，由于尼龙导向键较硬，受轴向和径向切削力作用，就迫使此块导向键往上抬，于是此块导向键前面的刀具就在孔内挖出一个很小的圆弧凹槽。当此圆弧凹槽再次转到离刀具最近的某个导向键附近时，在切削力、镗头和镗杆的自重共同作用下，此块导向键会自动地下沉到这个凹槽中，刀具又会在孔内挖出一个新的凹槽。如此循环往复，刀具便在孔内挖出数条螺旋状凹槽，当凹槽宽度大于导向键宽度时，便产生螺旋槽状多边形误差。解决方法是及时去掉磨钝的毛刺。

2）导向键在走刀过程中被磨损。在长时间走刀过程中，粗糙度较差的内孔表面会使导向键磨损，磨损后的导向键与孔壁之间的间隙会增大，这样就会在镗孔时产生多边形误差。因此，一旦发现导向键在走刀过程中被磨损，应当及时更换。

3）导向键的外径小于引导孔孔径。在走刀过程中，如果有“毛刺”进入引导孔，这些“毛刺”会象尖刀一样对导向键进行切削，从而导致导向键的外径小于引导孔孔径。因此，在切削时镗刀头会在孔内跳动，极不稳定，这就很容易形成凹槽和产生椭圆形误差。

2.2.4 主轴松动时，易产生多边形

例如：在2 m深孔钻床上，用φ39 mm的镗杆、高速钢尖刀和高速钢浮动刀，对材料为40Cr、尺寸为φ55×1 540 mm的深孔进行粗镗、半精镗。在切削用量分别为主轴转速 n=61、78、98 r/min和进给量 f=9、13、18.5 mm/min的条件下，均有7边形孔出现。经检查发现：钻床主轴防松螺母松了导致主轴松动。经维修钳工调整后，7边形的深度明显变浅。

2.2.5 工件中心架或者托辊的跳动量较大时产生的多边形

例如：在6 m深孔钻床上，精镗轧钢机上换辊装置缸体 φ300×4 500 mm、Ra0.8 μm 的内孔时，曾出现过微观7边形。经检查发现：一方面是因工件中心架的轴承磨损、间隙较大，或者轴承精度低；另一方面是因中心架上的3个滚子本身圆度超差和磨损。所有这些原因，都将导致中心架或者托辊的跳动量增大，从而使工件定位基准发生变化，最终产生微观7边形。于是采取调整、或更换轴承，修磨滚子外圆或更换滚子等措施，微观7边形就立即消失了。

2.2.6 镗杆刚性差、稳定性差产生的多边形

例如：在8 m深孔钻床上，精镗刀头镗φ200 mm、Ra0.8 μm的内孔，采用φ100 mm镗杆、镗刀头为装刀与导向键成45°夹角的φ145 mm组合镗刀头时，曾出现过7边形。经过分析发现是因为镗杆的刚性差、稳定性差，后来换成φ130 mm的镗杆，该问题就解决了。此外，在用同一镗杆进行粗镗、半精镗的情况下，粗镗时孔径小，而半精镗时孔径相对要大些，这时镗杆的稳定性就显得不足了，这就是半精镗时易产生多边形的原因。因此，粗镗、半精镗的镗杆要分别选择，即半精镗的镗杆外径比粗镗要大一些。

2.2.7 镗刀头上的压紧螺钉过长或刀尾过长时产生的多边形

显然，如果镗刀头上的压紧螺钉过长或刀尾过长时（如图2所示），会碰到待加工的孔壁上，而迫使镗刀偏离正确的装刀位置，从而导致镗刀在孔壁上挖出一个凹槽，如果继续下去，就会出现螺旋槽状多边形。因此，要控制压紧螺钉或刀尾的长度。

图2 镗刀头上的压紧螺钉过长或刀尾过长

2.2.8 热处理时工件变形产生的多边形

有些工件在钻孔以后需要进行热处理，如果热处理后有变形，例如产生弯曲变形，那么在后续镗孔时不仅不圆不直，而且极易产生多边形。因此，工件热处理后要检查是否有变形，如果有，则矫正处理后再进行后续镗孔。

2.2.9 工件的材质不均匀、有硬质点时产生的多边形

在镗深孔中，有时候会遇到工件材质不均匀、有硬质点。此时，如果用单刀切削，刀具则无法切硬质点，于是刀具会在硬质点之后位置挖出一个小凹槽。同样，如果用浮动的双刃刀切削，碰到硬质点时，两个浮动刀刃上的切削力分配得极不均匀，碰到较软材质的浮动刀也会在孔壁上挖出一个小凹槽。最终，这一个个小凹槽便变成了多边形。