1 零件結構及問題分析
某機匣類零件結構如圖1所示，該零件為薄璧環形件，材料2Cr13，材料硬度HBS=241-341，直徑530mm，加工工藝較（jiào）為複雜，經分析主要存在如下（xià）難點：孔直徑公差（chà）嚴，共2組孔40處ф5.4-0.024/-0.016，40處（chù）ф6-0.016/-0.024，80個孔公差0.008mm，孔位（wèi）置度要求0.1。精度要求高，加工過程中刀具磨（mó）損、主軸跳動、切屑參數的微小影（yǐng）響，都易導致孔（kǒng）徑公差0.008mm超差；孔數量多，加大加工難度。由於孔公差嚴，在第一個孔徑（jìng）加工調整精（jīng）確後，後續孔徑（jìng）加工（gōng）由於各種因素影響也會發生變化，如：刀具磨損、溫度影響、冷卻液影響、工作台區域性精度影響等。加工中可變（biàn）因素（sù）的累（lèi）積影響往往超過孔徑公差0.008mm要求（qiú），因而需（xū）要（yào）細（xì）心研究分析，尋找最佳加工方案（àn）；40處ф5.4-0.024/-0.016是（shì）精密台（tái）階孔（kǒng），台階處有倒角，增加尺（chǐ）寸精度保證的難度。刀具設計要增加端麵刃，加工過程刀刃切（qiē）削孔徑的同時切削孔端麵，是一個複合加工形式，徑向（xiàng）與軸向的受力不均極易導致孔徑超差。
圖1 零件結（jié）構示意圖
2 研究內容
精密孔鏜鉸孔工藝技術研究：工步（bù）設計，鑽、擴、鏜（táng）、鉸等工藝的（de）順序安排、餘量設定、加工參數試驗（yàn）與選擇；整個（gè）加工過程中（zhōng）鏜鉸孔工藝對於尺寸一致性的控製研究；鏜、鉸孔複合加工技術研究；加工過程中刀柄（bǐng）與主軸連接對（duì）孔徑尺寸（cùn）精度的影（yǐng）響研究。
3 關（guān）鍵點（diǎn）分（fèn）析（xī）及解決方案
3.1 關鍵點分析
本項目孔徑公（gōng）差0.008mm，屬於高（gāo）精度精密尺寸，按常規的鏜鉸孔工藝方法保證不了該公差要求（qiú）。數控鏜床一般的鉸孔加工（gōng）能力，可以達到（dào）0.02mm，再提升則難度非常大，即使（shǐ）鉸刀尺寸非常合（hé）理準確（què），也無法百分百保證（zhèng）孔徑公差。
經過分析，關鍵（jiàn）在於鉸孔時的孔位“對正”誤（wù）差，導致孔徑易（yì）變（biàn）大。在（zài）鏜（táng）孔與鉸孔兩個工步之間，會有重複定位誤差，這由機床的自身（shēn）精度所決（jué）定的。另外（wài），主軸（zhóu）與（yǔ）刀柄的鏈接、不同刀具、不同（tóng）工（gōng）步（bù）之間的（de）誤差，均會引起工步間的孔位不“對（duì）正（zhèng）”，結果就會出（chū）現加（jiā）工完成後，孔徑部分合格部分偏（piān）離公差範圍，一致性（xìng）較差。對（duì）於公差0.02～0.05mm的孔徑，這個精度可以加工出合格零件，但對於本項目零件要求的公差0.008mm，則無法滿足要求。所以，本項目（mù）要解決的關鍵技術點是，消除鉸（jiǎo）孔與鏜孔間的孔位“對正”問（wèn）題。
3.2 解決方案
（1）精密孔加工思路。該零（líng）件兩組孔40處ф5.4-0.024/-0.016，40處（chù）ф6-0.016/-0.024，孔徑公差0.008mm，孔位置度ф0.08。如（rú）圖2所示。
圖2 零（líng）件結構及相關要求示圖
本項目的首選是孔（kǒng）徑精度，孔（kǒng）徑公差0.008mm必須采用鉸孔方式（shì），該點選擇上，手工鉸孔優（yōu）於機床上（shàng）鉸孔。手工鉸孔時，借助鉸（jiǎo）刀引導，操作工移動零件，可以保證鉸孔（kǒng）時（shí），鉸刀與底孔同心，這樣（yàng）鉸孔餘量均勻，孔壁給力（lì）均衡，孔的直徑尺寸易保證。缺點是手工鉸孔人（rén）為因素幹擾較多，當孔的深度不夠，不足以對（duì）鉸刀進（jìn）行引導和定位時，手持鉸刀會因為與待加工孔平麵不垂直而造成受力不（bú）均，對孔壁產（chǎn）生徑向擠壓力，造成孔徑不（bú）圓、孔口呈喇叭形狀等現象，此現象如圖3所示。本項目孔數量多，孔深4～5mm，不適宜手工鉸孔。
圖3 手動鉸孔
圖4 機床傳統鉸孔
機床上鉸孔效率高、穩定性好，理論上彌補了手工鉸孔時與待加工孔的垂直保（bǎo）障問題，能夠更好地保證孔徑公差。缺點是如圖4所示：數控鏜（táng）床（chuáng）加工孔（kǒng），需（xū）分工步而進行，鑽鏜底孔、鉸孔，機床（chuáng）與刀具的連接（jiē）係統定位誤差，鉸孔與原底孔存在位置偏差，易導致孔徑超差；機床主軸、鉸刀刀（dāo）柄、夾頭、卡簧、鉸刀之間連接等均有（yǒu）不同程度的偏差，加工狀態鉸（jiǎo）刀與主（zhǔ）軸中心有一（yī）定的偏心量，加工模式形同鏜刀加（jiā）工，這也是為（wéi）什麽機床鉸孔直徑經常（cháng）大於鉸刀實際尺寸的原因所在，偏（piān）心量越大，加工出來的尺寸相（xiàng）對越大。
（2）采（cǎi）用（yòng）浮動夾頭夾持鉸刀方（fāng）案。鉸孔時，采用浮（fú）動式夾頭夾（jiá）持鉸刀，代替傳統（tǒng）的剛性夾持刀柄，將手工鉸孔與機床鉸孔的優點合而為一。一般（bān）情況下機床鉸孔，鉸刀尾（wěi）柄夾頭是固定式（shì）的，以便保證定位可靠，夾（jiá）持穩定，但是對（duì）於高精度孔（孔（kǒng）徑公差小（xiǎo）於0.01mm），固定（dìng）式夾頭結構由於離心力（lì）作用影響（xiǎng）易導致孔徑超差。浮動（dòng）式夾頭刀柄與夾頭之間有間隙，鉸刀被夾緊後，刀體可以在一個（gè）微小範圍內活動。本例選（xuǎn）擇的活動範圍是0.1mm，采（cǎi）用數控鏜床加工（gōng）零件孔時有了這個活動範圍，就可以解決鉸孔時的“對（duì）正”問題。模擬手工（gōng）鉸孔，吸取了手工鉸孔可靠度高（不會由於離心力的作用將孔加大）優點，同時又（yòu）保持了數控機床的高效率。
浮動夾頭的工作原理如圖5所示。當調用（yòng）鉸孔程序鉸刀到達底孔（kǒng）位置時，如（rú）果位（wèi）置“對（duì）正（zhèng）”，則進行鉸孔，不會出現鉸孔缺陷；當不“對正”時，出現了圖示的偏差δ，即鉸刀旋轉中心與底孔中心線有了偏差δ。鉸刀與底孔不同心，此（cǐ）時若為剛性連接鉸孔就會產生鉸孔（kǒng）誤差，而浮動夾頭則（zé）可以解決該（gāi）問題。圖示中夾頭間隙λ的存（cún）在，可以使（shǐ）鉸刀（dāo）與底孔自（zì）動“對正”。鉸刀刀刃前端（duān）有（yǒu）倒角，可以引導鉸（jiǎo）刀“找著”底孔中心，達到“對正”效果，從而改善鉸（jiǎo）孔環境，使鉸刀旋轉穩定、受力均（jun1）勻、餘量均勻，鉸孔尺寸精（jīng）確。浮動（dòng）夾頭（tóu）內部（bù）結構（gòu）簡如圖6所（suǒ）示。
圖5 浮動夾頭（tóu）消除主軸（zhóu）定位（wèi）誤差原理圖
圖6 浮動夾（jiá）頭內部剖麵圖
（3）采用（yòng）攻絲夾頭（tóu）夾持鉸刀鉸孔方案。此方案的工（gōng）作原理，與浮動夾頭（tóu）形同，兩者的不同在於夾頭形狀大小不同，一般（bān）情況下，浮動夾頭（tóu）的形（xíng）狀體積大。該方案為備選方案。存在的風險為：攻絲夾頭形（xíng）狀較大，當旋轉起來後，主軸（zhóu）的跳動誤（wù）差，可能會大於浮動夾頭。這兩種方案，通（tōng）過試驗選擇其中鉸孔效果較佳方案（àn）。
攻絲夾頭與（yǔ）機床主軸的連（lián）接處設計的是小間隙配合，當夾上絲錐攻（gōng）絲時，絲錐會隨著端頭引導與零件底孔（kǒng）對正是由於夾頭間隙的緣故，不會出現絲錐（zhuī）與鑽孔位置“不對正”的情況。分析（xī）本項目鉸孔的需要，關鍵（jiàn）點就在鉸刀與底孔“對正”問題，若兩者之間有差異，將會影響孔徑（jìng）精度，所以攻絲夾頭用於鉸孔第二方（fāng）案。
（4）采用鏜刀鏜孔方案（àn）。鏜孔方案排列在方法三，鏜孔（kǒng）方法保證嚴公差，也是一種較常見的相對穩妥的孔加工方法，但該方法需配置精密鏜頭（調整精度不大（dà）於0.002mm），適用於少量孔的加工。因為（wéi）鏜刀是利用（yòng）刀（dāo）尖進行加工，加工的過程中刀尖易產生磨損，會影響孔徑（jìng）尺（chǐ）寸。更換鏜刀後，刀具裝夾誤差也易造成（chéng）鏜孔尺寸（cùn）變化（huà），需要重新（xīn）調整對刀，因此不適宜較多孔組的加工。同時，對於操作者的技能水平要求極高（gāo）（手工調整（zhěng）存在目測、手感、排除間隙等誤差），對過程操作要求精（jīng）細，工人需頻繁測量，微調鏜刀尺寸，質量穩（wěn）定性差（chà），風險性較高，加工效率低下。本項目孔數量多，若全程依賴操作（zuò）者的精確操作，勞動強度很重，難度很大，加（jiā）工風險性較大，可操作性較低。
4 驗證對比及方（fāng）案確定
4.1 鏜孔試驗
（1）試驗工步：安裝找（zhǎo）正試驗件打中心孔40-ф2、鑽底孔（kǒng）40-ф4.9、粗鏜（táng）孔40-ф5.2、精鏜孔40處ф5.4-0.024/-0.016，共（gòng）計（jì）四道工步。前三工步（bù）按步驟進展順利，孔尺（chǐ）寸合格。精鏜孔工步進行情況，每鏜1個孔（kǒng），均進行測量。按順序各（gè）孔檢測結（jié）果如（rú）下（xià）：1孔ф5.38、2孔ф5.38、3孔ф5.376、4孔ф5.376、5孔ф5.375；調節鏜刀尺寸，直徑加大0.006，繼續鏜（táng）孔；6孔ф5.38、7孔ф5.379、8孔ф5.377、9孔ф5.377、10孔ф5.376、11孔（kǒng）ф5.374；調節鏜刀（dāo）尺寸，直徑加大0.006，繼續鏜孔，如此反複，直到鏜完40個孔。
（2）鏜孔試驗（yàn）結論。鏜孔加工優點：不必配備專用鉸刀，隻需具備接近孔徑的鏜刀即可，生產準備周期短；鏜孔加（jiā）工缺點：鏜刀易磨損，加工4個孔鏜刀磨損0.005mm左右，已（yǐ）接（jiē）近（jìn）孔公差0.008mm，1把鏜刀最多加工（gōng）5個合格孔（kǒng），鏜刀（dāo）磨損已不能保證孔徑，需要手動頻繁調節鏜刀尺（chǐ）寸以保證鏜孔精度。鏜孔（kǒng）過程中（zhōng）鏜刀尺寸（cùn）調（diào）節存在風險，受操作（zuò）者測量技術水平、精神狀態影響較高，易（yì）造成操作者疲勞操作。該方案加工效率低，零件尺寸一致性差，可操作性（xìng）低，加工效果較差。
4.2 攻絲夾頭夾持鉸刀鉸（jiǎo）孔試驗
（1）試驗工步：安裝找正試驗件打中心孔40-ф2、鑽底孔（kǒng）40-ф4、擴（kuò）孔40-ф5、粗鏜孔40-ф5.2精鏜孔（kǒng）40-ф5.3、鉸孔40處ф5.4-0.024/-0.016（整（zhěng）體硬質合（hé）金鉸刀，鉸刀（dāo）直徑ф5.381-0.003，配攻絲夾頭）。共計五道工步，前四工（gōng）步（bù）按步驟進展順（shùn）利，孔尺寸（cùn）合格。（備（bèi）專用鉸刀，尾柄形（xíng）狀必須是方（fāng）頭，與（yǔ）攻絲夾頭尺寸一樣）。配攻絲夾頭鉸孔時工步的情況如下：一把鉸刀可（kě）以一次性加工40個合格孔，1孔ф5.381、2孔ф5.382、3孔ф5.38、4孔ф5.38、5孔ф5.379、……、36孔ф5.377、37孔ф5.379、38孔（kǒng）ф5.378、39孔ф5.376、40孔ф5.378。孔徑最大ф5.382，最小ф5.376，差值範圍0.006，40孔（kǒng）全部合格。
（2）試驗結論。優點：一把鉸刀一次（cì）性加工40個合格孔，孔徑差值0.006mm，加工過程較穩定；缺點：孔徑差值0.006mm，比較（jiào）接近孔徑公差0.008mm，尺寸精確度差，有超出公差的危險。攻絲夾（jiá）頭外形尺寸較（jiào）大（dà），在試驗件上可以正常使用，但在正式零件上由於結（jié）構限製存（cún）在幹涉，無法使用（yòng）。因為零（líng）件所上孔（kǒng）中心距離台階5mm，而（ér）攻絲夾頭直徑ф40，無法（fǎ）下落。因此，必須設（shè）計專用鉸刀，使鉸刀（dāo）伸出部分更長（需要（yào）30mm），才能使用攻絲夾（jiá）頭，而鉸刀伸出部分太長不利（lì）於孔精度，攻絲夾頭的幹涉情況如圖7所示。
圖7 攻（gōng）絲（sī）夾頭（tóu）外形（xíng）尺寸與加工部位（wèi）對比示意圖（tú）
4.3 浮動夾頭夾持鉸刀鉸孔試驗
（1）試驗工步：安裝找（zhǎo）正（zhèng）試驗件（jiàn）打中（zhōng）心孔40-ф2、鑽底孔40-ф4、擴孔40-ф5、粗（cū）鏜孔40-ф5.2精（jīng）鏜孔40-ф5.3、鉸孔40處ф5.4-0.024/-0.016（硬質合（hé）金鉸刀，鉸刀直徑（jìng）ф5.3810-0.003，配浮動夾頭）。共計五（wǔ）道工步，前四工步按步驟進展順利，孔尺寸合格。（配（pèi）備專用鉸刀，直徑尺寸，及刀具材料適合）。配浮動夾（jiá）頭鉸孔工步（bù）情況如下：一把鉸刀一次性加工40個孔，各孔測量結果：1孔ф5.382、2孔ф5.381、3孔ф5.38、4孔ф5.38、5孔ф5.381、……、36孔（kǒng）ф5.379、37孔ф5.379、38孔ф5.38、39孔ф5.38、40孔ф5.379。孔徑最大ф5.382，最小ф5.379，差值（zhí）0.003，孔徑值（zhí）基本（běn）接（jiē）近鉸刀直徑。
（2）浮動夾頭鉸孔試驗結論。優點：一把鉸刀可以一次性加工40個合格孔，孔徑差值0.003，加工結果精密（mì）度、精確度（dù）高，加工（gōng）效率高，可以高效精（jīng）確（què）保證零件加工需（xū）求。缺點：暫無。
4.4 試驗加工後方案確定
通過以上三（sān）種加工（gōng）方案試驗，加工優缺點對比得出：鏜孔方案鏜刀（dāo）磨損快，隻適用於數量小的孔（kǒng）加（jiā）工；攻絲夾頭方案，孔徑公差可以保證，但由於受零件加工部位的空間限製，適用範圍存（cún）在一定限製；浮動夾頭方案，孔尺寸精（jīng）度高，穩定（dìng）性高，相比其它兩種方（fāng）案具有明顯優（yōu）勢。所以，最終確定選擇浮動夾頭夾持鉸刀加工方案。
4.5 方案實施及零件加工結果
（1）零件材料是2Cr13，材（cái）料硬度HBS=241-341，兩組精密孔40處ф5.4-0.024/-0.016、40處ф6-0.024/-0.016的鉸孔，采用浮（fú）動夾頭夾持鉸刀技術，ф5.4選用鉸刀直徑尺寸ф5.381-0.003，ф6選用鉸刀直徑尺寸（cùn）ф5.980-0.003，鉸刀材料為整體硬質合金，鉸刀尾柄為ф6直柄，與浮動夾（jiá）頭連接，再將浮動夾頭連接（jiē）到機（jī）床主軸上。鉸孔方（fāng）法與（yǔ）普通鉸孔方法相同，區（qū）別是裝上了浮動鉸刀頭。
（2）操作步驟如下：選擇合適規格的浮動鉸刀頭，此為標準件，可以（yǐ）購買；將鉸刀與浮動鉸刀頭連接；將裝好鉸刀的浮動鉸刀頭與機床主軸（zhóu）連接；鉸孔。
（3）按照打中心孔、鑽底孔、擴孔、鏜孔、鉸（jiǎo）孔等工步完成加工。40個孔均滿足尺寸技術要求（qiú），且孔徑差值小大於0.003，一致性較好，加工效率較高（gāo）。現將鉸孔部分加（jiā）工參數列出。加工餘量優選值：a鏜孔：單邊0.1-0.15；b鉸孔：單邊0.03-0.05；加工參數：a鑽孔40-ф4.9加工參數：S=400r/min，F=20mm/min；b鏜孔40-ф5.2加工參數：S=600r/min，F=25mm/min；c鉸孔40處ф5.4-0.016/-0.024加（jiā）工參數：S=130r/min，F=7mm/min；鉸刀及配件浮動夾頭：鉸刀直徑ф5.381-0.003、ф5.980-0.003，鉸刀材料為硬質合金，刃長15，鉸刀刃數量6，引導（dǎo）角度45°±30′，前角3°-5°，第1後角8°±2°，第2後角12°±2°，修光刃長0.1+0.05。
5 推廣意義
通過對各種孔加工方案的試驗（yàn）對比，最終采用（yòng）浮動鉸刀（dāo）頭技術，利用在數控鏜床上模（mó）擬（nǐ）手工鉸孔的原理，解決了高精度孔加工難度高、一致性不（bú）易保證的難（nán）題（tí）。本技術操作方法簡單，加工零件具有高（gāo）質量、高穩定性、高效率的優點，使精密孔的加工（gōng）不再依（yī）賴於（yú）操作者的技（jì）術水平，極大（dà）提升了精密（mì）孔加工技術水平，在機械加工（gōng）領域對於各類零件精密孔的（de）加工，具有極高的推廣價值及意義。
