谈盲孔内反倒角加工工艺

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关键词：盲孔；反倒角；机械加工

引言

机械加工行业经过长期发展，已经形成了许多非常完善的加工方法，如车、钳、铣、刨、磨等，这些加工方法单独应用或相互组合，可以完成许多零件特征，如孔、槽、曲面等的加工。设计人员在设计零件时所设计零件的特征也是从这些可加工特征中进行选取，以保证零件的工艺性。但在某些特殊情况下，为保证零件的功能，设计人员会设计出一些反常规的零件特征，这些零件特征用常规方法无法加工，如果采用3D打印等方式进行零件制造，由于零件所有特征中只有一个或几个特殊特征，即特殊情况占比太低，使用3D打印制造性价比不高；其次，3D打印作为一种全新的加工方法，目前制造成本偏高，而效率又很低，如果用于零件制造，尤其是批产零件的制造，成本和效率都无法承受；再之目前3D打印所能加工的材料性能不佳，不一定能够满足零件的使用要求。以上三个难点限制了新方法在零件加工中的应用，针对零件特殊特征的具体情况，需要有针对性的采取一些改进措施，以确保可以在使用传统机械加工设备和工具的条件下，或者仅对设备或工具进行一定成本可控的改进的条件下，就可以完成零件的加工。这样不但可以保证零件的使用性能，而且可以有效的大幅降低零件的加工成本，提高加工效率，保证零件的使用性能。本文介绍了一种有盲孔零件，在盲孔内有反倒角，使用普通方法无法加工。通过对零件特征进行分析，最终采取了通过改制刀具，并结合数控程序，在加工中心上完成了反倒角的加工，经检验加工后的零件特征完全符合要求。该方法不但有效解决了零件加工的难题，也为其他类似问题提供了解决思路。

1零件介绍

某零件该零件为一阀类零件，结构尺寸为90mm×200.6mm×227.5mm，材料为铝，整体质量为2.37kg，其结构示意图如图1所示。在图2主视图中A-A剖视符号位置有三个孔，为压力油油口，主视图及A-A剖视图如图2和图3所示。从主视图可以清楚的看到三个压力油孔在整个零件上所处的位置。在三个压力油孔中分别有3个直径各自为准18.5mm、准20.5mm和准16.5mm的槽用于安装密封件。原设计中槽口未设计倒角，在产品装配过程中因槽口未设计倒角，导致其内部装配的密封件被锐边剪破而失去密封性。后期为保证密封件使用时的安全，在槽口设计了C1的倒角，以保证密封件使用时的安全。在零件加工时，这三个孔内的倒角可以分成两类，其中倒角法向方向向上的3个倒角的加工比较简单；但在槽上方的三个法向方向向下的倒角，由于方向原因难以加工，最初是由钳工手工加工，但钳工加工一是效率很低，加工出的倒角外观和质量都很差，因此考虑能不能使用机床完成倒角的加工。

2结构分析

反倒角是否加工困难和零件的具体情况有关，有些情况就不难加工。例如对于回转体中心线上内部的反倒角，如轴上孔内部的类似结构，使用数控车床就很容易加工。但从零件的结构可以看出，本文的零件有个五问题限制了加工方法的应用：（1）零件整体大体呈方形；（2）零件整体尺寸和结构重量都很大；（3）孔的尺寸相较于零件整体尺寸太小；（4）孔的位置在零件的边缘；（5）零件上共有三个这样的孔，每个孔的位置都不相同，情况不一致。因此对于这种零件来说，如果在数控车床上加工孔需解决的问题极其复杂。因此排除了使用数控车床加工的可能性，从现有机床条件考虑是否可以在数控铣床上完成零件的加工。对单个孔，由于都是盲孔，因此对倒角的加工只能在孔口一侧进行。又由于该侧孔口直径小而孔内直径大，普通的反倒角刀由于尺寸太大，存在干涉现象均无法使用，因此考虑其他工艺方法对反倒角进行加工。

3加工工艺方案

经过对零件及孔的结构分析可以发现，三个孔的结构相似，三个孔可以共用同一个加工方法，但孔的位置不同，在加工时刀具在三维方向上需要改变三个不同的位置，车工加工刀具只能在两个轴上移动，但铣工加工时刀具可以自由在三个轴上自由移动，考虑到孔内部结构的复杂性，最终确定此次加工在三轴数控加工中心上完成[1]。在加工刀具的选择上，加工反倒角时最大的难度在于刀具的切削刃均在刀具的底面或侧面，所加工的面的法向方向应和刀具相对，但反倒角面的法向方向和刀具方向相同，因此刀具的切削刃无法接触到加工面。同时受孔内结构的限制，三个孔中孔口直径最小的只有11mm，倒角到槽壁的单边距离只有2mm左右，槽的宽度只有5mm，普通刀具在孔内不管如何移动均无法完成反倒角的加工，甚至会和零件发生碰撞造成事故。想要加工反倒角，只有设计制造专用刀具才能满足加工对刀具的要求。通过对标准刀具改制使刀具具备了反向切削能力，并使刀具其他部分的尺寸满足加工的需求。由于孔口的最小的孔直径只有11mm，因此改制刀具的直径最大也只能取11mm。因刀具尺寸过小，无法改制成太复杂的形状，这决定了必须精确控制刀具在孔内的运动轨迹使用插补加工的方式。因此加工方案中须涉及控制刀具在孔内运动轨迹的数控程序。

4刀具改制

由于孔内的空间比较狭小，要防止刀具在加工中发生碰撞造成事故，刀具的尺寸必须严格限制，尺寸方面主要有以下四点要求：（1）刀具的最大直径不能超过11mm，以方便进入孔中；（2）刀具要头大脖子细，防止加工反倒角时刀柄和孔口发生碰撞；（3）刀具切削刃长度不能超过5mm，防止和零件发生碰撞；（4）刀具的直径要尽可能大，提高刀具刚性，同时也为改制提供足够的空间。由于普通铣刀外形为圆柱型，刀具直径从上到下均一致，改制方便，同时铣刀的侧齿有切削能力，因此选择铣刀作为改制刀具的原料，图4即为改制刀具的设计图纸。将刀具后段的切削刃磨掉一部分，可以在刀具的上部加工出用于反向切削的切削刃，这样刀具就可以对孔内的反倒角进行加工。同时，磨掉切削刃的部分直径小于切削刃，可以避开孔口，在切削刃部分对反倒角进行加工时，刀杆部分不会发生干涉；同时切削刃部分要用线切割切短，只保留4mm长度，以保证不会与零件发生碰撞。刀具的选择和改制，除了要注意刀具的尺寸防止发生碰撞外，还需注意以下五点：（1）刀具材料的硬度要好，防止刃部被加工后刀具整体的刚性发生较大变化，从而对加工过程造成不利的影响；（2）刀具磨细的部分在满足反倒角加工需要的前提下，尺寸要尽可能的大一些，以保证刀具刚性；（3）磨细部分的根部要尽可能的保留圆角过渡，以避免应力集中；（4）刀尖部位磨出不大于R0.5mm的圆角，这样加工出的反倒角粗糙度更好；（5）刀具的侧齿要修磨锋利或条件允许的情况下最好选用新刀进行改制，由于在加工过程中侧齿也要参与到铣削过程，而且这样改制的刀具是无法加工底齿的，所以锋利的侧齿可以尽可能保证加工质量，提高加工效率。这五点事项结合尺寸方面的四点要求，最终汇成改制刀具的九点要求，根据这九点要求，最终选定使用直径为10mm的铣刀进行改制。

5数控程序编制

由于此次加工是在盲孔内进行，在程序运行过程中操作者无法对程序的运行进行直观监控，因此在数控程序编制上，要尽可能的做到程序易读、易调试、易修改。考虑到使用为非标刀具，一些尺寸参数还需要调试，因此在编制程序时，将这些因素作为可变量写入数控程序中，方便操作者根据不同的情况进行快速的调整。得到的数控程序如下[2]：在程序中，所有描述特征以及加工中需要调整的参数都以变量的形式进行了定义，变量#1定义为反倒角上端到零件上表面的距离，#2定义为孔口直径，#3定义为切削刃的长度，#4定义为刀具半径，#5定义为倒角的角度，这样操作者的在使用和调试程序时可以大大简化工作量，具体的操作流程是如下：在对刀过程中，操作者只需要将对刀点对到刀具底部，再根据刀具的实际切削刃长度修正#3值，即可保证刀具的加工点在轴向方向上对到了切削刃的上表面。最后根据程序说明调整其他变量，即可进行加工；文中程序的参数是对准11mm孔中的反倒角进行加工时的参数设置，只需对相应的变量进行调整，即可快速转换成加工另两个孔内反倒角的程序。程序操作简单快捷，而且易于修改调试。另外，由于程序中对特征的描述都是参数化的，因此在加工其他参数不同的相似特征时，如角度或尺寸发生变化，只要刀具尺寸满足加工要求，只需对相应参数进行修改即可快速应用于其他类似结构的加工。

6方法分析

该方法可以高效快捷的完成零件反倒角的加工，并且改制成本较低。经实际加工并对实验零件剖切检查验证，所加工C1倒角实际加工结果在C1.03~C1.1之间，粗糙度经对比接近Ra3.2，经验判断可以达到Ra4左右，由于粗糙度和程序步进的参数有关，Ra4已满足设计要求，因此无必要继续缩小程序步进的参数，否则会降低加工效率；如果粗糙度值不满足要求，只需进一步缩小步进参数即可。该方法是零件反倒角加工的一种低成本解决方案，可推广到其他类型结构的加工。但存在一定限制，主要有以下三点：（1）加工能力受反倒角和孔的尺寸比例限制，由于刀具要避开孔口，所以刀具的上部分要被磨细，如果反倒角尺寸过大，则刀具无法避开干涉，因此反倒角的尺寸一般不能大于入口最小尺寸的四分之一，否则无法按此工艺方案改制刀具；（2）槽的宽度有限制，如果槽的宽度太窄，则刀具需做的很薄，改制后的刀具无法保证足够的刚性以保证加工顺利；（3）反倒角的位置有限制，反倒角距离孔口越近，则刀具刚度越好，越利于加工；反之如果反倒角距离孔口越远，则刀具悬出长度越长，刚性降低不利于加工；反倒角距离孔口的距离超过铣刀切削刃长度时，刀具无法按此工艺方案进行改制，也无法完成反倒角的加工。因此如果碰到以上三种情况，则该方法无效，还需对具体结构进行具体分析，尝试新的工艺方法完成零件的加工。

参考文献：

[1]黄冰，李胜.铣工工艺学[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]杜军.FANUC数控编程手册[M].北京：化学工业出版社，2017.

作者：翟建伟 单位：中国空空导弹研究院