一种硬铝合金深孔薄壁零件加工方法研究

张博林，李毅，姜忠平

（航宇救生装备有限公司，湖北 襄阳 441003）

0 引言

某深孔零件的材料为7075-T6，属于硬铝合金，如图1所示，由于零件结构上的要求，内孔长径比大于15倍。同时，由于零件最小单边壁厚约为2.84 mm，属于典型的深孔薄壁零件，在加工过程中，存在工艺系统刚性较差、散热较难、排屑空间小，容易产生加工变形等问题，导致加工质量不稳定。根据以上情况，针对该零件在加工过程中存在的难点进行了分析，优化了加工过程，从内孔加工方法、加工刀具、切削参数、粗精加工余量以及外形加工等方面重新制定了加工方案，提出了一种采用深孔钻削和拉镗拉铰的方法加工内孔，然后以内孔为定位基准加工外形，最后珩磨内孔至最终尺寸的思路，该方法不仅保证了零件的加工质量，而且提高了加工效率，非常有利于零件的批量生产。

图1 某7075-T6深孔零件

1 加工分析

2 深孔加工

2.1 深孔加工方法

通常，将孔深超过孔径尺寸5倍以上的圆柱孔称为深孔。在加工过程中，由于深孔处于封闭或半封闭状态，也就决定了深孔加工具有切削散热困难、排屑困难、系统刚性较差等加工特点[1]。常用的深孔加工方法有枪钻、深孔钻、推镗推铰和拉镗拉铰4种。枪钻加工是在枪钻专用机床上通过枪钻来实现，枪钻由钻柄、钻杆、钻头组成，在加工过程中，切削液由枪钻尾部注入，流经钻杆中间部分，经过钻头头部小孔到达切削区，进行冷却润滑，切屑从钻头和钻杆的V形槽中排出。深孔钻在加工过程中，切削液通过钻杆外圆与零件孔壁之间的空隙，到达切削部分，进行冷却润滑，同时将切屑从刀杆内部排出至机床后部的集屑装置。推镗推铰在加工过程中，刀杆始终处于受压状态，对内孔加工精度有一定的影响，通常适用于精度要求不高的深孔加工。拉镗拉铰在加工过程中，刀杆始终处于受拉状态，不易产生弯曲变形，适用于精度要求较高的深孔加工。

2.2 7075-T6深孔加工

2.2.1 深孔钻削

根据该零件的结构特点，由于内孔的长径比大于15倍，无法直接一次装夹采用普通的麻花钻进行钻孔，可以采用能够进行内排屑的深孔钻进行钻孔，如图2所示，它由切削刃、钻尖、导向块、排屑孔等组成。在专用深孔钻镗床上进行钻削时，切削液通过授油器经过刀杆外圆与零件孔壁的空隙，到达切削加工区，起到冷却、润滑作用，同时，将切屑从刀具内孔及与之相连的刀杆中排出。

图2 深孔钻

在深孔钻削加工前，必须在零件外圆的一端车削出与机床反顶锥盘相匹配的30°±30′倒角，如图3所示，起顶紧、密封作用。在加工过程中，刀具与刀杆通过方牙螺纹进行连接。根据材料特性、零件结构特点及加工余量，可以先采用φ34深孔钻在零件中心钻φ34通孔，去除大余量，再在零件一端车两个引导孔，在零件另一端车长1 mm的30°±30′倒角，然后拉镗拉铰内孔至φ39，以校正深孔钻在钻孔过程中产生的偏斜。

图3 车倒角

2.2.2 拉镗拉铰

对于7075-T6硬铝合金深孔薄壁零件，根据结构特点及加工要求，可以采用一次装夹多次走刀的方法加工内孔。如果采用推镗推铰的加工方法，在加工过程中，刀杆一端受到向前的推力作用，另一端受到切削零件的反向作用力，容易产生一定的弯曲变形，对内孔加工精度有一定的影响。采用拉镗拉铰的加工方法，在加工过程中，刀杆一端受到向后的拉力作用，另一端受到切削零件产生的反向作用力，刀杆始终处于受拉状态，不易产生弯曲变形，非常有利于保证内孔尺寸精度及直线度。在加工内孔前，必须在零件外圆一端车削精度要求较高的引导孔，引导刀具进行初始阶段的内孔加工。同时，在零件外圆的另一端必须车削出与机床反顶锥盘相匹配的30°±30′倒角，起到顶紧、密封作用，如图4所示。

图4 倒角及引导孔

图5 六齿深孔加工刀具

由于深孔加工刀具头部有倒角，在加工出来的内孔根部也会形成与刀具角度一致的倒角，如图6所示，因此可以在内孔直径加工到尺寸后，以内孔为定位基准，采用车削的加工方法，外圆见光，然后，以外圆为定位基准，平左端面，将内孔φ39镗至φ40，接着从φ40孔进入，车掉内孔根部倒角，直径方向尺寸控制在内孔尺寸的上偏差，长度方向位置尺寸距左端面20 mm，长度为30 mm，最后平另一端面，保证内孔深度960 mm及零件总长。此外，在内孔加工完成后，刀具在进行退刀的过程中，内孔表面会产生因刀具退刀而造成的划痕，因此内孔需要进行珩磨。

图6 内孔

同时，在该零件内孔加工过程中，必须进行充分的冷却润滑，对于材料为7075-T6硬铝合金，在深孔钻削和拉镗拉铰过程中，采用专用深孔极压切削油，可以起到良好的清洗、冷却和润滑作用，有效降低切削区域的加工温度，保证零件内孔的加工质量。

3 外形加工

对于该零件，由于零件总长为980 mm，为了保证零件加工刚性，在加工过程中，必须通过中心架在零件外圆中间部分进行支撑[2]，采用硬质合金刀片分粗、精加工进行车削，在粗加工时，用70°车刀车外圆，主轴转速为380 r/min，进给量为0.2 mm/r，每刀切削深度为1.0～1.5 mm；在精加工时，用30°车刀车外圆，主轴转速为520 r/min，进给量为0.1 mm/r，切削深度为0.10～0.25 mm。在车削外螺纹M60×1.5-6g和M58×1.5-6g时，可以采用与螺纹螺距1.5 mm相对应的硬质合金螺纹刀片进行车削。

4 珩磨内孔

4.1 珩磨头

珩磨[3]是一种低速、精密加工方法，利用镶嵌在珩磨头上的珩磨油石，在一定压力作用下做径向扩张运动，使油石与零件被加工表面进行接触，从而形成交叉而不相重复的网纹，具有加工精度高、表面质量好、切削效率高等特点。在珩磨加工过程中，按运动形式可以分为两种：一种是珩磨头在机床主轴的带动下，一方面做旋转运动和轴向往复运动，另一方面做径向扩张运动，零件不旋转；另一种是零件在机床主轴的带动下做旋转运动，珩磨头不旋转，只做轴向往复运动和径向扩张运动。珩磨根据机床主轴结构的形式，又分为立式珩磨和卧式珩磨。由于立式珩磨的珩磨头处于下垂状态，在珩磨过程中，磨削下来的切屑很容易被切削液带走，所以具有珩磨精度高、占地面积小、便于操作等特点。珩磨头主要由油石、磨头体、油石座、导向条、弹簧、锥体胀芯等组成，如图7所示。除了珩磨小孔用的专用珩磨头，磨头与联接杆做成一体，对于珩磨尺寸较大的孔，磨头和联接杆都分开制造。根据珩磨头与主轴的联结形式，可以分为浮动联结、半浮动联结和刚性联结，由于浮动联结在联接杆的上下端分别使用万向接头联结，可以使珩磨头在珩磨过程中始终处于自由状态，以部分消除主轴中心对工作台垂直度以及零件内孔同轴度等影响，确保珩磨油石在孔内能够稳定地加工，因此浮动联结是常用的联接形式。

在珩磨头中，珩磨油石磨料的选择至关重要，直接影响着珩磨加工的表面质量和加工效率[4]。在选择珩磨油石时，应根据被加工材料的特性以及零件的结构、技术要求等综合考虑。此外，珩磨油石粒度的粗细直接影响着加工表面粗糙度及生产效率，在满足零件表面粗糙度的情况下，应选择粒度粗一些的珩磨油石，可以提高珩磨加工效率。目前，常用的珩磨油石有白刚玉、单晶刚玉、绿色碳化硅、人造金刚石、立方氮化硼等。

4.2 珩磨内孔

5 结语

一种硬铝合金深孔薄壁零件加工方法研究通过分析某材料为7075-T6硬铝合金的深孔薄壁零件加工难点的基础上，提出了在专用深孔钻镗床上采用深孔钻钻削内孔，再用六齿深孔加工刀具一次装夹拉镗拉铰内孔，然后以内孔作为定位基准加工外形，最后在卧式珩磨机上采用绿色碳化硅的油石珩磨内孔至最终要求的方法，该方法不仅能够保证零件的加工精度要求，还可以为类似零件的加工提供借鉴与参考。