高强度合金钢深孔薄壁件加工工艺方法

2022-07-13张博林姜忠平李毅何松波

工具技术 2022年5期

张博林，姜忠平，李毅，何松波

航宇救生装备有限公司

1 引言

深孔加工是专业性强、加工难度大的一种机械加工方法，被广泛应用在航空、航天和军工等行业。其加工精度直接影响产品的性能，随着新型高强度、高硬度材料(如高强度合金钢等难加工材料)应用越来越多，对深孔加工提出了更高的要求。由于深孔加工是在封闭或半封闭的状况下进行，不能直接观察刀具的切削情况，在加工过程中，存在切削热不易传散、工艺系统刚性较差、排屑困难及切削效果不理想的情况，在难加工材料上加工薄壁深孔时十分困难，因此，提高难加工材料深孔加工精度成为机械加工中的热点问题。

2 深孔加工及常用方法

深孔加工的孔深与孔径之比大于5，由于其长径比较大以及在封闭和半封闭的加工状态，导致其切削加工过程散热难，因为热量扩散较慢，零件和加工刀具成为了主要散热体，热量聚集较为明显，造成加工过程中切削刀具的刃口温度较高，直接影响刀具寿命。同时，由于深孔加工的长径比较大，与刀具联结的钻杆细而长，整体刚性较差，加工时容易产生振动、扭曲和折断等问题，不易保证孔内的尺寸精度、形位精度及表面粗糙度。此外，在加工过程中，排屑空间狭窄，排屑较为困难，容易发生切屑阻塞，导致零件尺寸超差，产生报废。

目前，常用的深孔加工方法分为深孔钻削、枪钻、推镗推铰和拉镗拉铰四种。对于深孔钻削和枪钻加工，刀杆与钻头联接，孔的尺寸精度主要取决于钻头的尺寸精度，通常适用于精度要求不高的深孔零件钻削或在推镗、推铰和拉镗、拉铰前的预钻孔。

对于推镗、推铰深孔，刀杆在加工过程中始终处于受压状态，直接影响深孔加工的尺寸精度及直线度，通常适用于零件内孔精度要求不高的深孔零件加工。对于拉镗、拉铰深孔，刀杆始终处于受拉状态，在受到径向力切削时不易产生弯曲变形，保证了深孔加工的精度及直线度。因此，拉镗、拉铰的加工方法适用于精度要求较高的深孔零件加工。

采用拉镗、拉铰加工前，零件前端必须加工出精度较高的引导孔，另一端须加工出与机床反顶锥盘相适应的倒角，以使加工刀具在深孔加工过程中顺利进入零件的引导孔，引导刀具开始进行初始阶段的切削加工。

3 深孔珩磨

珩磨是利用镶嵌在珩磨头上的珩磨油石，在一定压力作用下，油石径向扩张，与零件被加工表面保持接触并进行切削加工的一种精整加工方法。根据机床主轴形式，珩磨分为立式珩磨和卧式珩磨。对于立式珩磨，珩磨头在自身重力作用下始终处于向下垂直状态，在加工过程中，产生的磨屑很容易被切削液带走，珩磨精度较高。对于卧式珩磨，珩磨头受自身重力的作用，始终贴在被珩磨孔的侧壁上，磨屑有时来不及排出。此外，立式珩磨主轴行程通常比卧式珩磨短，因此对于珩磨长度较短、精度要求较高的深孔，一般优先采用立式珩磨加工。

如图1所示，珩磨头主要由磨头和连接杆两部分组成。珩磨小孔时，磨头与连接杆往往做成一体；珩磨大孔时，磨头与连接杆可以分开。珩磨头主要由油石、底座和弹簧等组成，其中，珩磨油石的选择非常重要，其质量直接影响珩磨加工的精度，结构不同的零件应选择不同材料的珩磨油石。

图1 珩磨头

在珩磨加工过程中，由于工作压力和尺寸精度的要求，必须确保油石的粒度和硬度准确、均匀，并有一定的强度和耐磨性。常用的油石材料有立方氮化硼和绿色碳化硅等。立方氮化硼具有硬度高、热稳定性好的特点，适用于珩磨耐热合金钢、镍基高温合金及特种工具钢等难加工材料。绿色碳化硅耐高温、导热性好，但韧性较差，适用于珩磨铝、铸铁等材料。此外，珩磨余量的大小与被珩磨零件内孔的尺寸精度和材料特性直接相关，对于不同材料的零件，珩磨前应留出不同的珩磨加工余量，一般内孔的余量留0.02mm～0.1mm。

珩磨夹具同样起着非常重要的作用，如果夹具本身不符合要求或使零件发生变形，加工出的零件仍然不合格。根据零件的特点，珩磨夹具通常以外圆定位，通过气压夹紧或压板式压紧。

4 典型零件加工

4.1 问题提出

图2 典型零件

40CrNiMoA钢是在碳素结构钢的基础上加入适量的合金元素而形成，经热处理后(σb=1140±80MPa)材料较硬，属于典型的难加工材料，具有以下特点：①有较高的强度和韧性，良好的淬透性和抗过热稳定性，在进行热处理后，机械加工比较困难；②在深孔加工过程中容易产生硬化层等，组织不均匀，加工产生的热量主要集中在刀具切削刃的附近，切削温度较高，刀具易磨损；③化学亲合力较大，容易与刀具产生粘刀现象，造成刀具粘结磨损。

4.2 拉镗、拉铰内孔

由于40CrNiMoA的材料特性，如果直接采用深孔钻削、枪钻或推镗推铰的加工方法，刀杆将产生一定的弯曲变形，内孔的尺寸精度将不易保证。采用拉镗、拉铰的加工方法，刀杆始终处于受拉状态，在加工过程中受到径向切削力的作用，不易产生弯曲变形，保证了深孔加工的直线度及尺寸精度。

如图3所示，在拉镗、拉铰之前，工件前端必须加工出精度较高的引导孔，这样才能使刀具顺利进入零件的引导孔，并引导初始阶段的切削。拉镗、拉铰刀数可以根据加工余量而定，一般为二至四刀，根据该零件内孔的加工余量，分三刀进行加工，内孔加工后如图4所示。

图3 车削引导孔

图4 拉镗拉铰内孔

具体工序为：

①第一刀：双边加工余量约为2mm，采用较大的切削深度，去掉前道工序留下的表面硬化层，同时校正前道工序在加工过程中内孔产生的变形，以提高内孔加工的直线度。

②第二刀：双边加工余量约为1.6mm，采用较小的切削深度，主要是校正第一刀粗拉镗内孔过程中产生的加工变形。

4.3 深孔加工刀具

刀具材料应采用亲和力较小的YS8硬质合金。该硬质合金具有较高的红硬性和耐磨性，可以明显提高刀具的使用寿命和生产加工效率。刀体材料为40Cr，采用焊接方式与刀片联接。

粗加工刀具采用φ26mm和φ27.6mm两把四齿均布、切削刃两两相对中心对称的结构，这样可以使切削力均匀分布，四齿加工刀具的前角为3°，后角为5°(见图5)。精加工刀具采用φ28mm六齿两两相对齿夹角相等、切削刃两两相对中心对称的结构，六齿加工刀具的前角为3°，后角为5°(见图6)。

图5 四齿刀具

图6 六齿刀具图7 零件装夹

同时，在对40CrNiMoA材料的深孔加工过程中，采用专用深孔极压切削油进行充分冷却润滑，可以起到较好的冷却、清洗及润滑作用，有效降低切削温度。

4.4 珩磨内孔

珩磨是利用珩磨头上的油石径向扩张运动来实现，从而在被加工表面形成交叉而不重复的网纹。在珩磨加工过程中，根据进给方式的不同分为增压进给、定压进给、定速进给和定压定速进给四种。根据零件的结构特点，该零件采用定压进给的方式珩磨内孔，零件在珩磨加工过程中，通过开口衬套夹紧外圆，以外圆及端面进行定位，用压板压紧与零件配合的衬套上表面(见图7)。

在珩磨加工过程中，机床主轴旋转带动珩磨头旋转，沿轴向做上、下往复运动，同时珩磨头上的油石进行径向扩张运动。由于40CrNiMoA材料的强度和韧性较高，适合采用立方氮化硼材料的油石进行珩磨。

在珩磨初期，当珩磨头刚刚进入内孔时，以0.2MPa压力进给并与内孔壁接触，使珩磨机床、珩磨头和工装夹具相适应，防止珩磨油石被损坏；在珩磨几个往复行程后，逐步增加压力，用0.4MPa压力进行粗珩，以去除加工余量；当余量被珩磨至很小时，降低压力至0.2MPa进行精珩，以提高内孔的尺寸精度及表面粗糙度；如果零件内孔局部存在尺寸偏小的情况，可以进行局部珩磨。在珩磨加工过程中，切削热量不易扩散，影响珩磨油石与底座的结合强度，引起零件的热变形，因此必须使用切削液带走热量。在实际加工过程中，可以采用大量的极压切削油进行冷却润滑。