1 零件結構及問題分析
某機（jī）匣類零件結（jié）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（zhí）徑530mm，加工工藝較為複雜，經分析（xī）主要存在如（rú）下難點：孔直徑公差嚴，共2組孔40處ф5.4-0.024/-0.016，40處ф6-0.016/-0.024，80個孔公差0.008mm，孔位置度要求0.1。精度要求高，加工過程中刀具磨損（sǔn）、主軸跳動、切屑參數的微小（xiǎo）影響，都易導致孔徑公差0.008mm超差；孔數量多，加大加（jiā）工難（nán）度。由於孔公差嚴，在第一個孔徑加工調整精確後，後續孔徑加工由於各種因素影響也會發（fā）生（shēng）變化，如：刀具磨損、溫度影響、冷卻液影響、工作台（tái）區（qū）域性精度影響等。加工中可變因素的累積影響往往超過孔徑公差0.008mm要求，因而需要（yào）細心（xīn）研究分析，尋找（zhǎo）最佳加工方案；40處ф5.4-0.024/-0.016是精密（mì）台階孔，台階處（chù）有倒角，增加尺寸精（jīng）度保證（zhèng）的難度。刀具設計要增加端麵（miàn）刃，加工過程刀刃切削孔徑的同時切削孔端麵（miàn），是一個（gè）複合加工形（xíng）式，徑向與軸向的受力不均極易導致孔徑超差。
圖1 零件結構示意（yì）圖
2 研究內容
精密孔鏜鉸孔工藝技術研究：工步設計，鑽、擴、鏜、鉸等工（gōng）藝的順序安排、餘量設定、加工參數試驗與選擇；整個加工（gōng）過程中鏜鉸孔工（gōng）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（jiā）工過程中刀柄與主軸連接對孔徑尺寸精度（dù）的影響研（yán）究。
3 關鍵點分析及解（jiě）決方案
3.1 關鍵點（diǎn）分析
本項目孔徑公差0.008mm，屬（shǔ）於高精度精密尺寸，按常規的鏜鉸孔工藝方法保證不了該（gāi）公差要（yào）求。數控鏜（táng）床一般的鉸孔加工能力，可以達到0.02mm，再提（tí）升則（zé）難度非常大，即使鉸刀尺寸非常合理準確，也無法百分百保（bǎo）證孔徑（jìng）公差。
經過分析，關鍵在於鉸孔時的孔位“對正”誤差，導（dǎo）致孔（kǒng）徑易變大。在（zài）鏜（táng）孔與鉸孔（kǒng）兩個工步之間，會有重複定位誤差，這由（yóu）機床（chuáng）的自身精度所決定的。另外，主軸與刀柄的鏈接、不同刀具、不同工步之間（jiān）的誤差，均會（huì）引起（qǐ）工步間的孔位不“對正”，結果就會出現加工完成後，孔徑部分合（hé）格部分偏離公差範圍，一致性較差。對於公差0.02～0.05mm的孔徑，這個（gè）精度可以加工出合格（gé）零件，但對於本（běn）項目零件要求的公差0.008mm，則無法滿足要（yào）求。所以，本項目要解決的關鍵（jiàn）技術點是，消除鉸孔（kǒng）與鏜孔間的孔（kǒng）位“對正”問題。
3.2 解決方案
（1）精密孔加工思路。該零件兩組孔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。如圖2所示。
圖2 零件結構及相關要求示圖
本項目的首（shǒu）選是孔徑精度，孔徑公差0.008mm必須采用（yòng）鉸孔方式，該點選擇上，手工鉸孔優於機床上鉸孔。手工鉸孔時，借助鉸刀引導，操作工（gōng）移動零件，可以保證（zhèng）鉸孔時，鉸刀與底孔同心，這樣鉸孔（kǒng）餘量均勻（yún），孔壁給力均（jun1）衡，孔的直徑尺（chǐ）寸易保（bǎo）證。缺點是手工鉸孔人為因素幹（gàn）擾較（jiào）多，當孔的深度不夠，不足（zú）以對鉸刀進行引導和定位時，手持鉸刀會因為與待加工孔平麵（miàn）不垂直而造成受（shòu）力不均，對孔（kǒng）壁產生徑向擠壓力，造成孔徑不圓、孔口呈喇叭形狀等現象，此現象如圖3所（suǒ）示。本項目（mù）孔數量多，孔深（shēn）4～5mm，不適宜手（shǒu）工鉸孔。
圖3 手動鉸孔
圖4 機（jī）床（chuáng）傳統（tǒng）鉸孔
機床上鉸孔效率高、穩定性好（hǎo），理論上彌補了手（shǒu）工鉸孔時與待加工孔的垂直保障（zhàng）問題，能夠更好地保證孔徑公差。缺點是如圖4所示：數控鏜床加工孔，需分工步而進行，鑽鏜底孔、鉸（jiǎo）孔，機床與刀具的連（lián）接係統定位誤差（chà），鉸孔與原底孔存（cún）在位置偏差，易導致孔徑超差；機床主軸、鉸刀刀柄、夾頭、卡簧、鉸刀之間連接等均有（yǒu）不同程度的偏差（chà），加工狀態鉸刀（dāo）與主軸中心有一定的（de）偏心量，加工模式形同鏜刀加工，這也是為什麽（me）機床鉸孔直徑經常大於鉸刀實際尺寸的原因所在，偏心量越大，加工出來（lái）的尺寸相對越大。
（2）采用浮動夾頭（tóu）夾持（chí）鉸刀方案。鉸孔時，采用浮動式夾（jiá）頭夾持鉸（jiǎo）刀，代替傳統的剛性夾持刀柄，將手工鉸孔與機床鉸孔的優點合（hé）而為（wéi）一。一般情況下機床鉸孔，鉸刀尾柄夾頭是固（gù）定式的，以便保證定位可靠，夾持穩定，但（dàn）是對於高（gāo）精度孔（kǒng）（孔徑（jìng）公（gōng）差小（xiǎo）於0.01mm），固定（dìng）式夾頭結（jié）構由於離心力作用（yòng）影響易（yì）導（dǎo）致孔徑超差。浮動式夾頭刀柄與夾頭之間有間（jiān）隙，鉸刀被（bèi）夾緊後（hòu），刀體可（kě）以在一個（gè）微小範圍內活動。本例選擇（zé）的活（huó）動範（fàn）圍是0.1mm，采用數控鏜床加工零件孔時有（yǒu）了這個活動範圍，就可以（yǐ）解決鉸孔（kǒng）時的“對正（zhèng）”問題。模擬手工鉸孔，吸取了手工鉸孔可靠度高（gāo）（不會由於離心（xīn）力的作用將孔加大）優點，同時又保持了數控機床的高（gāo）效率。
浮動夾頭的工作原理如圖5所示。當調用鉸孔（kǒng）程序鉸刀到達底孔位置時，如果位置“對（duì）正”，則進行鉸孔，不會出現鉸孔缺陷；當不（bú）“對正”時，出（chū）現了圖示（shì）的偏差δ，即鉸刀旋轉中心與底孔（kǒng）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（kǒng）就會產生鉸孔誤（wù）差，而浮動夾頭則可以解決該問題。圖示中夾頭間（jiān）隙λ的存在，可以使鉸刀與底（dǐ）孔自動“對正”。鉸刀刀（dāo）刃前端有倒角，可以引導（dǎo）鉸刀“找著”底孔中心，達到“對正”效（xiào）果，從而改善鉸孔環境（jìng），使鉸刀旋（xuán）轉穩定、受力均勻、餘量均勻，鉸孔尺寸精確。浮動夾頭內部結構簡如圖6所示。
圖5 浮動（dòng）夾頭消除主軸定位誤差原理圖
圖6 浮（fú）動夾頭內部剖麵圖
（3）采用攻絲夾頭夾持鉸刀（dāo）鉸孔方案。此方案的工作原理，與浮動夾頭形同，兩者的（de）不同在於夾頭（tóu）形狀大（dà）小不同（tóng），一般情況下，浮動夾（jiá）頭的形狀體（tǐ）積大。該方案為備選方案。存在的風險為（wéi）：攻絲（sī）夾頭形狀較大，當旋轉起來後，主軸的跳動（dòng）誤差，可能會大於浮動夾頭。這兩種方案，通過試驗選擇（zé）其中鉸孔效果較佳方案。
攻絲夾頭與機床主軸的連接處設計的是小間（jiān）隙配合，當夾上絲（sī）錐（zhuī）攻（gōng）絲（sī）時，絲錐（zhuī）會隨著（zhe）端頭引導與零件底孔對正是由於（yú）夾頭間隙的緣故，不會出現絲錐與鑽孔（kǒng）位（wèi）置“不對正”的情況。分析本項目鉸孔的需要，關鍵點就在（zài）鉸刀與（yǔ）底孔“對正”問題，若兩者之間有差（chà）異，將會影響（xiǎng）孔徑精度，所以攻絲夾頭用於鉸孔第二方案。
（4）采用鏜刀（dāo）鏜（táng）孔方案。鏜孔方案排（pái）列在方（fāng）法三，鏜孔方法保證嚴公差，也是一種較常見的相對穩妥的（de）孔加工方法，但該方法需配（pèi）置精密鏜頭（調整（zhěng）精度（dù）不大於0.002mm），適用於少量孔的加工。因為鏜刀是利用（yòng）刀尖進行加（jiā）工，加工（gōng）的過程中刀尖易產生磨損，會影響孔徑尺寸。更（gèng）換（huàn）鏜（táng）刀後，刀具裝夾誤差也易造成鏜孔尺寸（cùn）變（biàn）化，需要重新調整對刀，因此不適宜較多孔組的加工。同時，對於操作（zuò）者的技能水平要求極高（手工調整存在（zài）目測、手感（gǎn）、排除（chú）間隙等誤差），對過（guò）程操作要求精細，工人需（xū）頻繁測量，微（wēi）調鏜刀尺（chǐ）寸，質量穩定性差，風險性較高，加工效率低（dī）下。本項目孔數量多，若全程依賴操作者的精確操作，勞動強度（dù）很重，難度（dù）很大，加工風險性較大，可操作性較低。
4 驗證對比及方（fāng）案確定
4.1 鏜孔試（shì）驗
（1）試驗工步：安裝找正試驗件打中（zhōng）心孔40-ф2、鑽底（dǐ）孔40-ф4.9、粗鏜孔40-ф5.2、精鏜孔40處ф5.4-0.024/-0.016，共計四道工（gōng）步。前三工步（bù）按步驟進展（zhǎn）順（shùn）利，孔尺寸合格。精鏜孔工步（bù）進行（háng）情況，每鏜1個孔，均進（jìn）行測量。按順序（xù）各孔檢測結（jié）果（guǒ）如（rú）下：1孔（kǒng）ф5.38、2孔（kǒng）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ф5.374；調節（jiē）鏜刀尺寸，直徑加大0.006，繼續鏜孔，如此反複，直（zhí）到鏜完40個（gè）孔（kǒng）。
（2）鏜（táng）孔試驗結（jié）論（lùn）。鏜孔加工優點（diǎn）：不必配備專用鉸（jiǎo）刀，隻需具備（bèi）接近孔徑的鏜（táng）刀即（jí）可，生產準備周期（qī）短；鏜孔（kǒng）加工缺點：鏜（táng）刀易磨損，加工（gōng）4個（gè）孔鏜刀磨損0.005mm左右，已接（jiē）近孔公差0.008mm，1把鏜刀最多（duō）加工（gōng）5個合格孔，鏜刀磨（mó）損已不能保證孔徑，需（xū）要手動頻繁調（diào）節鏜刀尺寸以保證鏜孔精度。鏜孔過程中鏜刀尺寸調（diào）節存在風險，受操作者測量技術水平、精神狀態影響較高，易造成操作者疲勞操作。該方案加工效（xiào）率低，零件尺寸一致性差，可操作性低，加工效果較差。
4.2 攻（gōng）絲夾頭夾持鉸刀鉸孔試驗（yàn）
（1）試驗工步：安（ān）裝找正試驗件打中心孔40-ф2、鑽（zuàn）底孔40-ф4、擴孔40-ф5、粗鏜孔40-ф5.2精鏜孔40-ф5.3、鉸孔40處（chù）ф5.4-0.024/-0.016（整體硬質（zhì）合金鉸刀，鉸刀直徑ф5.381-0.003，配攻絲夾頭）。共計五道工步，前四工步按步驟進展順利，孔尺寸合格。（備專用（yòng）鉸刀，尾柄形狀必須是方頭，與攻絲夾頭尺（chǐ）寸一樣）。配攻絲夾頭鉸孔時工步的情況如下：一把鉸（jiǎo）刀可以一次性加工40個合格（gé）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孔全部合格。
（2）試驗結論。優（yōu）點：一把鉸（jiǎo）刀一次性加工（gōng）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。攻絲夾頭外形尺寸較大，在（zài）試驗件上可以正常使（shǐ）用，但在正式零件上由於結構限製存在幹涉，無法（fǎ）使用（yòng）。因為零（líng）件（jiàn）所上孔中心距離（lí）台（tái）階5mm，而攻絲夾頭直徑（jìng）ф40，無法下落。因此（cǐ），必須設計專用鉸（jiǎo）刀，使鉸刀伸出部分更長（需（xū）要30mm），才能使（shǐ）用（yòng）攻絲夾頭，而鉸刀伸出部分太長不利於孔精度，攻（gōng）絲夾頭（tóu）的幹涉情況如圖7所示。
圖7 攻絲夾頭（tóu）外形尺寸與加工部位對比示意圖
4.3 浮動夾頭夾持鉸刀鉸（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40-ф5.3、鉸孔40處ф5.4-0.024/-0.016（硬質合金鉸刀，鉸刀直徑ф5.3810-0.003，配浮動夾頭）。共計五道工步，前四工步按步驟進展（zhǎn）順利，孔尺寸合格（gé）。（配備專用鉸（jiǎo）刀，直徑尺寸，及刀具材料適合）。配浮動夾（jiá）頭鉸孔工步情況如下：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ф5.379、37孔ф5.379、38孔ф5.38、39孔ф5.38、40孔ф5.379。孔徑最（zuì）大ф5.382，最小ф5.379，差（chà）值0.003，孔徑值基本接近鉸刀直徑。
（2）浮動夾頭鉸孔試驗結論。優點：一把（bǎ）鉸刀可以一次性加工40個合格孔，孔（kǒng）徑差值0.003，加工結果精密度、精確度高，加工效率高，可以高效精確保證零件加工需（xū）求。缺點：暫無。
4.4 試驗加工後方案確定
通過（guò）以上三種加工方案（àn）試驗，加工優（yōu）缺點對比得出：鏜孔方案鏜（táng）刀磨損快，隻適用於數量（liàng）小（xiǎo）的孔加工；攻絲（sī）夾（jiá）頭方案，孔徑公差可以（yǐ）保證，但由於受零件加工部位的空間限製，適用範圍存在一定限製；浮動夾（jiá）頭方案，孔尺寸精度高，穩定（dìng）性高，相比其它兩種方案具有（yǒu）明顯優勢。所以，最終確定選擇浮動夾頭夾持（chí）鉸刀加工方案。
4.5 方（fāng）案實施（shī）及零件（jiàn）加工結果（guǒ）
（1）零件材料是2Cr13，材料硬度HBS=241-341，兩組（zǔ）精密孔40處ф5.4-0.024/-0.016、40處ф6-0.024/-0.016的鉸孔，采用浮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（jìng）尺寸ф5.980-0.003，鉸刀材料（liào）為整體硬質合金（jīn），鉸刀尾柄為ф6直柄，與浮動夾頭連接，再將浮動夾頭（tóu）連接到機床主軸上。鉸孔方法與普通鉸（jiǎo）孔方法相同，區別是裝上了浮動鉸刀頭。
（2）操作步驟如下：選擇合（hé）適規格的（de）浮動鉸刀頭（tóu），此為標準件，可以購買；將鉸（jiǎo）刀與浮動鉸刀頭連接（jiē）；將裝好鉸刀的浮動鉸刀頭與機床主軸連接；鉸孔（kǒng）。
（3）按照打中心孔、鑽底孔、擴孔、鏜孔、鉸孔等工（gōng）步完成加工。40個孔均滿足尺寸技術要求，且孔徑差值小大於0.003，一（yī）致性（xìng）較好（hǎo），加工效率較高。現將鉸孔部分加工參數列出。加工餘量優選值：a鏜孔（kǒng）：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（kǒng）40-ф5.2加工參（cān）數：S=600r/min，F=25mm/min；c鉸孔40處ф5.4-0.016/-0.024加工（gōng）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（liàng）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（yì）義
通過對各（gè）種（zhǒng）孔加工方案的試驗對比，最終采用浮動鉸刀頭技（jì）術，利用（yòng）在數控鏜床上模擬手工鉸孔的原理，解決了高精度孔加工難度高、一致（zhì）性不易保證的（de）難（nán）題。本技術操作方法（fǎ）簡單，加工零件具有高質量、高穩定性、高效率的優點，使精密孔的加工不再依賴於操作者的技術水平，極大提升了精密孔（kǒng）加工（gōng）技術水平，在機械加工領（lǐng）域對於（yú）各類零件精密孔的加工，具有極高的推廣價值及意義。
