高精度机床尾座体芯孔加工工艺优化试制

董万智

（通用技术集团 大连机床有限责任公司 设计研究院，辽宁 大连 116022）

0 引言

液压尾座是机床重要组成部件之一，其精度直接影响机床整机切削精度及工序稳定性，当前中高端机床市场需求占比不断上升，对高精度液压尾座需求量显著上升。尾座体是尾座总成的重要组成件，同时尾座体属于主机厂定制型产品，其加工制造高精度及合理的制造费用的优化有助于提升整机的市场竞争力，因此对高精度尾座体高质量稳定量产有了更高的要求。

尾座体芯孔精度直接影响液压尾座的精度和使用寿命，是尾座体精度的重中之重，芯孔形位公差、表面质量要求较高，是该类工件加工的最大难点，随着高精度尾座需求量的不断上升，尾座体芯孔精加工作为尾座体制造的瓶颈工序的影响愈发明显，对其进行工艺优化改良，保证高质量、高精度稳定性生产制造就显得尤为迫切。

1 当前制造方式

当前我公司采用珩磨工艺方法对尾座体芯孔进行精加工，该工艺方法在进行深长孔加工时具有较为广泛的应用，这也是当前机械加工对深长孔精加工的一种普遍方法。随着高精度尾座体的需求量不断增加，该工艺方法工序质量保障水平不足、劳动强度大、环保压力大的缺陷日渐凸显。

珩磨杆与珩磨机动力头接口处采用活动连接，保证加工时珩磨头沿预制内孔轴线运动而不破坏内孔形位公差；珩磨头在外圆上粘有砂条，通过可胀缩的珩磨头将砂条胀紧在工件内孔上产生一定的接触面积和相应的压力，珩磨头在珩磨杆带动下在工件孔内作高速旋转运动的同时做轴向往复运动，完成内孔珩磨。正是由于上述加工特点，该工艺方法存在的一些自身难以解决的影响工序质量稳定性不足之处：

1）芯孔尺寸难以精确控制。由于用砂条涨紧在内孔上加工，工件至少要进行粗珩、精珩两次装夹加工，同一批次工件受砂条磨损、磨削力变化影响、往复次数影响，孔径一致性无法保障，每件均需要配作芯轴。

2）芯孔形位公差稳定性差。由于是磨削加工，需要高线速度进行加工，不可避免地会产生大量的磨削热，同时由于工件的深长孔结构，散热性差，而且冷却油难以像平面磨削那样对加工表面进行充分冷却，易产生“掐腰”质量缺陷，甚至个别件出现烧蚀现象；由于珩磨杆与机床动力头是活动连接，在高速运动下，在珩磨头进入、离开工件时由于受力不均，容易出现“喇叭口”的质量缺陷，同时产生较为明显的磨削纹路，影响美观。

3）不符合绿色环保制造理念。由于是高速磨削加工，需要大流量冷却油液，煤油具有良好的润滑、冷却特性，在内孔加工中广泛应用，加工时在高温下蒸发和废弃油液的处理均面临较大的环保压力。

4）一线员工劳动强度较大。工件装夹时需将工件水平装夹在夹具上，然后翻转夹具，使工件内孔竖直向上，与珩磨头轴线平行，每天大量翻转，导致劳动强度大。

5）夹具更换复杂。在更换工件型号时，需更换夹具，重新调校夹具回转后工件芯孔轴线与珩磨头轴线位置关系，重新调整夹具配重。

2 技术方案选取

对粗糙度要求较高的长内孔的加工方式除了前文提及的珩磨加工外，还有研磨、滚光加工和特种加工等工艺方法。

研磨加工对操作人员技术水平要求较高、劳动强度大、生产效率极低，不适应大批量工件的生产制造。

特种加工是一种采用非接触式电化学加工的工艺方法，在车削式加工和镗削式加工中均有应用，与相应制造商进行技术沟通后，该方法采用专用设备、专用刀具对工件的外圆/内孔进行加工；在进行镗削式加工工件内孔时，在使用上述专用设备、刀具的同时，对每种不同工件需配置不同夹具，以保证对正工件与机床轴线公差在刀具与工件孔内壁的距离精度要求。该工艺方法在制造精度、生产效率方面均能达到要求，但可供借鉴的案例较少，且需新增设备、场地，投入大量专用夹具，对工件尺寸适用范围较小。

滚光加工在孔精加工领域有较长时期的成熟应用，在与尾座体芯孔使用场合相近的液压缸内孔的制造上大量应用，但主要应用于较短孔或在具有相应工艺模板的定制设备上进行长孔和特长孔的滚光加工，在通用设备上进行水平状态下悬臂加工的实例较少，是该工艺方案的主要难点。

基于当前技术和设备现状，考虑到滚光加工方式具有成熟的工艺应用先例，可在现有设备基础上进行工艺改良试验的条件，无需新增高价值设备和特种加工作业空间，具有实施周期短、成本低的特点，确定以滚光加工为工艺攻关方向，解决高精度尾座体芯孔高质量、高稳定性加工问题。

3 工艺方案制定

3.1 试件选取

本次工艺改良试验，试件选用目前我公司量产型精密尾座体中大规格尺寸的工件，芯孔结构如图1所示,通过对该件的验证，进行充分的工艺技术改良、优化验证，以确保此次工艺改良在通用设备上完成加工，同时具有可复制性、可推广性，能够扩展到其他型号尾座体芯孔的加工中，实现效益最大化。

3.2 实施方案制定

为实现既定工艺目标，根据滚光加工的主要形式，初步制定了两个具体方案。

方案一，采用通用刀具进行加工。在镗杆的刀具安装槽内安装图2所示的单刃滚光刀，直接对内孔进行镗削式滚光加工，该方案具备组织实施快、刀具成本低的特点，同时可对我公司目前生产的不同内孔直径的尾座体完成制造。

图2 单刃滚光刀

方案二，采用专用刀具进行加工。使用图3所示的圆柱滚光刀对内孔进行滚光加工，该方案刀具为专用刀具，不同芯孔直径的尾座体均需配置不同型号的圆柱滚光刀具，比刀具的成本高，实施周期较长。

图3 圆柱滚光刀

3.3 方案可行性分析

方案一为单刀头加工方式，当前用于车床车削式滚光加工外圆较多，对工件表面进行滚光加工，在提高表面粗糙度和硬度的同时对工件的形位公差有一定的修正作用，同时要求加工时有较高的线速度才能满足加工要求。通过对该实施方案的加工特点的分析，应用的尾座体芯孔加工上，重点有如下几个技术难点需要解决：

1）内孔滚光加工时对形位公差有修正作用，在车削加工时，刀具固定在刀架上，悬伸较小，工艺系统刚度可以得到充分保证，对工件表面进行微观修复，可以起到正向作用；在镗床上进行长孔加工时，为应对刀杆大悬伸时的加工振动，我公司在内孔精镗时配置减振刀杆进行精镗加工，用于保证芯孔的形位公差，而此时使用普通的刀槽式刀杆，滚光加工时对工件形位公差的修正作用反而会破坏已经形成的较好形位公差水平。

2）该实施方案对加工线速度要求较高，在内孔直径一定的前提下，势必要通过提高镗床主轴转速的方式实现，但在转速提高后精密加工的动平衡问题就显得尤为凸出，动平衡对精密加工有直接影响，在减振刀杆上安装的精密镗头配有专用配重块，以调整动平衡，而刀槽式镗杆目前不具备该功能，动平衡问题需要一个较好的解决方案。

方案二使用固定尺寸（可微调整）圆柱滚光刀加工方式，该加工方式在内孔加工中较为常见，但多为浮动式加工，即刀具/刀杆与机床动力头为浮动式连接，不主动对形位公差进行修正，加工过程中只用于提高内孔的粗糙度和表面硬度，在液压缸加工中较为常见，对工件内孔表面微观不平进行滚光加工后，对形位公差有一定程度的优化。通过对该实施方案的加工特点的分析，应用在尾座体芯孔加工上，重点有如下几个技术难点需要解决：

1）加工柔性问题，在水平加工状态下，这种大悬伸加工，刀杆与镗床主轴进行浮动式连接，刀具如何正确进入工件芯孔是主要困难，如何解决刀具的柔性加工，不破坏已经完成精镗达到的形位公差，必须有一个较好的解决方案。

2）加工散热问题，全直径加工，孔比较长，要防止热量的聚集导致工件产生热变形，对形位公差造成影响，成为工件质量缺陷的隐患。

通过技术分析，方案一在高线速度加工的情况下，需要定制镗头，用于连接到现有的减振刀杆，以解决振动问题，需要定制多种可安装动平衡块的刀板，以解决动平衡问题，解决难度较大，加工风险也相对较大，而且实施周期及成本优势由于需要新增配套件而明显降低。方案二虽然在技术上也存在一定问题，相对而言解决难度较低，重点需解决加工柔性的问题即可，加工散热可通过加工参数和冷却方案予以解决，除刀具自身费用外无需新增其他费用。

3.4 实施方案确定

综合考虑工件制造批量，工序质量稳定性当为重中之重，方案二技术优势明显，实施成本及周期与方案一（需新增镗头、不同规格镗刀板）相比并无明显劣势。通过综合研判，确定以方案二为最终实施方案。

4 方案实施

根据对实施方案存在的具体技术问题的分析，主要难点在于实现刀具的柔性加工，在滚光过程中仅对工件表面粗糙度和硬度进行提升，不能影响已完成精密镗削的内孔的形位公差，考虑到在机床主轴端进行活动连接的加工方式并不适合水平式悬臂加工，将该技术问题的解决方式确定为在刀具上解决，为此我公司与某知名刀具制造商进行合作，对该专用圆柱滚光刀进行研发。

为保证最终工件芯孔成品形位公差精度，确定加工工艺方案为：精密镗削→机床工作台后退至刀具完全退出工件→主轴头不动，直接更换滚光刀→滚光加工。整个加工过程中只是工作台在工件内孔轴向方向上移动，最大限度保证机床主轴轴线与工件芯孔轴线位置精度，为刀具设计、制造提供便利条件。

经刀具商与我司共同对刀具方案确定，该圆柱滚光刀采用均布多滚柱结构形式，通过内锥微调直径的成熟刀具技术，能充分保证滚光刀外圆精度；为解决加工柔性问题，在圆柱滚光刀刀头与刀杆之间借鉴精密铰刀的颈部形式，采用“细径”结构，该结构具有微柔性特点，在受力后会产生微挠曲变形，起到引导圆柱滚光刀按预制孔轴线进给，仅对内孔表面进行滚光而不改变形位公差；刀具直径按工件直径设计，具有一定调整量；连接形式符合我公司现有减振镗杆接口；采用微润滑方式，改善散热情况。

5 加工制造

5.1 试切

按工艺要求完成精镗，使用对表环规校正内径千分表进行孔径测量，记录相关数值，清理、擦拭芯孔，保证芯孔内无细小加工铁屑，在孔壁涂抹环保冷却液后进行滚光加工。调整圆柱滚光刀直径略小于预制芯孔直径，在滚柱部分1/3伸入内孔后，调整刀具直径至轻微触碰到孔壁后退出，按预设加工深度调整刀具直径；在低转速、工进速度情况下滚柱导向部分平稳进入内孔后，将机床加工参数提高至加工状态，滚柱部分露出工件芯孔20 mm后，按原路径退回（由于孔较深，不适合继续加大悬伸露出直径调整装置进行滚压刀直径调整），清理内孔，检测，完成加工。

经试制检测，加工参数按滚压深度0.02～0.03 mm、机床转速75 r/min、进给速度25 mm/min相对效果较好。

5.2 小批量加工

经调试，确定预制孔孔径（按0.01公差带控制）与圆柱滚光刀尺寸后（单批次制造不再调整），连续加工3件，对制造精度进行检测，形位公差在精镗孔形位公差检测精度附近有一定波动，符合设计要求；粗糙度在Ra0.4 μm与Ra0.6 μm之间，优于设计要求；使用2件在液压尾座试验台上进行尾座芯轴伸缩模拟应用，效果良好。累计加工30件后，经检测，均符合要求。综上所述，本次工艺改进达到了预期目的，但为防止圆柱滚光刀再次使用时直径出现不确定性，每批次加工均需重新调整圆柱滚光刀直径，同时由于预制孔直径在小范围内波动的影响，导致成品孔径波动达到了0.006 mm，面对严苛的芯轴与芯孔的配合要求，配套用芯轴虽具备了选配的条件，但仍不满足互换性，作为量产型机型的配套件，实现互换性是工艺改良进一步努力的方向。

6 结语

通过尾座体芯孔精加工工艺改良，与原有的珩磨工艺方法相比，滚光加工工艺方法有效解决了工序质量缺陷隐患，有力地保障了工序质量稳定性；在精密镗床上一次完成精镗、滚光加工，不仅减少了工序周转，而且有效地化解了珩磨加工装夹工件时的翻转问题，大幅降低了一线员工的劳动强度；通过微润滑冷却的方式进行加工，避免了大量冷却油的使用，不仅向绿色制造迈进了一步，同时对降低职业危害也具有积极意义。