小夹角斜面钻细长孔技术研究

郭华卫，王乐，王智，齐光辉，郑佳春

中国第一汽车集团有限公司研发总院试制部 吉林长春 130011

在发动机试制过程中，有时需要在气缸盖燃烧室外部斜向钻孔，并在该斜孔中插入温度传感器，以监测发动机在工作环境下的温度。所加工的斜孔多为细长孔，且与被加工表面夹角较小，在加工中存在刀柄干涉、孔位偏差大等问题。本文通过分析斜孔的加工方法，计算定心孔的偏移距离和切入深度，提出铣刀加工定心孔的策略，无需专用工装，仅使用常规刀具即可加工斜孔，给斜孔加工的优化，提供一种新的加工策略。

现有方案存在的问题

1.刀具干涉问题

加工斜孔比较常用的方法：先用铣刀加工平面，再使用中心钻加工定心孔，然后用钻头钻孔。但是，当所加工斜孔与被钻表面夹角较小，现有铣刀和中心钻沿孔轴线加工时，刀柄与缸盖表面干涉，不能加工定心孔，如图1所示。

图1 加工中心孔示意

2.专用夹具制作周期长、成本高

制作专用夹具也可以实现斜孔加工，工件在夹具中必须精确定位，并且在斜孔前端增加导向定位，引导钻头钻入斜面，此方法需增加工装成本，夹具精度要求较高，且夹具制作周期长。

3.孔位偏差大

斜孔的加工方法还有样冲定心法、锪浅窝过渡法以及锪平面钻孔法，其原理是在欲钻斜孔位置处，凿出或加工出一个过渡平面，使钻头容易钻入斜面。样冲定心法和锪浅窝过渡法只适用于精度不高的斜孔，如用手电钻钻孔。锪平面钻孔法，是通过铣刀垂直于钻孔轴线，利用铣刀侧刃加工平面，然后用钻头直接钻孔，此方法会增大孔口切削面积，后期需修补，并且钻头无法定心，很容易钻偏，如图2所示。为避免刀具干涉、降低加工成本、改善孔位偏差大的问题，急需开发新的斜孔加工策略。

图2 锪平面钻孔示意

定心孔加工方案的改进

1.定心孔铣刀加工法

铣刀加定心孔示意如图3所示，此方法使用的机床为4轴卧式加工中心，通过坐标旋转，使铣刀轴线与孔轴线形成45°夹角，采用螺旋插补加工，下切至外侧刀尖与传感器孔的轴线重合，铣刀底刃与侧刃形成的切削面为法向剖视相互垂直的曲面和平面，这两个切削面可有效限制钻头的径向窜动，相当于90°的定心孔，如图4所示。

图3 铣刀加定心孔示意

图4 定心孔剖面示意

2.数值计算

定心孔铣刀加工法的几何关系如图5所示。d0为定心孔轴线与工件表面的交点和待钻斜孔的轴线与工件表面的交点的距离，即线段AB的长度；d1为定心孔的外周面与工件表面的交线上距离最近的点到待钻斜孔轴线的预设距离，即线段CE的长度；h0为定心孔的切入深度，即线段BG的长度；α为待钻斜孔轴线与工件表面的夹角；θ为定心孔的轴线与待钻斜孔轴线的夹角，即45°；β为定心孔轴线与工件表面的夹角，即α与θ之和；r1为定心孔的预设半径。

图5 几何关系

通过零件图样标注，可推算出斜孔轴线与工件表面的交点A和夹角α，需计算出铣刀加工定心孔的偏移数值d0和铣刀切入深度h0。

根据图5的几何关系可得出d0=AC-BC，其计算方法为

根据图5的几何关系可得出h0=BH＋HG，其计算方法为

3.定心孔孔口处理

定心孔加工完成后，必须使用铣刀去除定心孔与待钻斜孔之间的残存余料。如图6所示，通过坐标旋转，将机床主轴垂直于待钻斜孔轴线，铣刀沿待钻斜孔圆弧面插补铣削，去除残存余料。

图6 球刀去除孔口残存余料

优选使用球头铣刀来去残存余料，可以获得与待钻斜孔相近的圆周面，对钻头的支撑效果更好，从而保证钻头钻斜孔时不会发生钻偏现象。

应用实例

汽缸盖零件斜孔加工如图7所示，待钻斜孔的半径为0.8mm，斜孔轴线与工件表面的夹角为15°。具体实施方案如下。

图7 汽缸盖斜孔加工

（1）装夹找正工件 将汽缸盖零件通过方箱垂直安装于四轴卧式加工中心的工作台上，设定工件坐标系为待钻斜孔轴线与工件表面的交点，被加工斜孔可通过旋转B轴及移动X轴和Y轴与机床主轴重合。

（2）数值计算 根据图6的几何关系，预设铣刀加工定心孔的半径r1为0.81mm；预设定心孔的加工范围到待钻斜孔轴线的距离d1为0.9mm（为保证孔口钻头平稳切入及便于计算，此值略大于r1，预设为0.9）。然后，计算出铣刀加工定心孔的偏移数值d0和铣刀切入深度h0。

铣刀加工定心孔的偏移数值：

铣刀切入深度：

（3）加工定心孔 选用直径1mm的合金铣刀，旋转B轴工作台，使机床主轴与被钻孔轴线形成45°夹角，铣刀移动至偏移量d0位置，采用螺旋插补铣削方式，加工孔径为1.62mm的定心孔，铣削深度至h0位置。此时，铣刀外侧刀尖与斜孔轴线重合，定心孔加工完成。

（4）去除残存余料 选用直径1mm球头铣刀，旋转B轴工作台，使机床主轴垂直于待钻斜孔轴线，沿待钻斜孔圆弧面插补铣削，去除残存余料，铣削的圆弧面半径为0.81mm，比待钻斜孔半径大0.01mm。

（5）钻孔 选用直径1.6mm、长径比为25的合金钻头，钻头的转速为2000r/min，啄钻加工，每次切深0.5mm，进给速度为15mm/min。

传感器孔加工成品后的效果如图8所示。其表面直槽为传感器排线导出槽，可见采用本方法加工的斜孔没有出现钻偏现象，与排线槽过渡平滑，位置精度较高。

结语

通过分析斜孔的加工方法，计算定心孔的偏移距离和切入深度，提出铣刀加工定心孔的策略，不使用专用夹具和专用刀具即可完成斜孔加工，且加工操作简单，能够节约加工成本，为斜孔加工提供参考与支持。