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电火花加工小孔、深孔转机械加工工艺研究 |
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作者：南方航空工业集团 赵强 徐舟 付名伟 |
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摘要：本文通过工艺转化，采用车铣复合加工中心与深孔钻取代电火花来实现小孔和深孔的加工，解决了电火花加工带来的表面质量和尺寸精度差等一系列问题。此工艺转化在很多类似零件的加工中得到了广泛应用，为科研生产的高效推进提供了有力支撑。
关键字：工艺转换 电火花 小孔 深孔 广泛应用
1 前言
目前，多数喷嘴零件的进油孔的长径比都超过 20（属于深孔范围），而出油孔孔径都比较小（一般在φ0.5-φ1.5 左右）。在一般车床或钻床上加工深孔时，往往出现钻头打飘和磨损较快的现象，导致无法保证孔径和相关技术条件要求；使用钻削方法加工小孔时，小钻头又容易折断。于是，电火花便成了一种普通的加工小孔和深孔的替代方法。但采用电火花加工（电腐蚀）孔时，在加工表面形成一层硬化层，表面粗糙度差，且电火花加工深孔时也常出现孔径带锥度现象，严重影响喷嘴流量试验结果，通常在进行喷嘴流量试验调试时，需要对电火花加工的孔进行研磨，以提高其表面质量。除此外，电火花加工效率远远低于机械加工，在很大程度上影响了科研生产研制进度。为解决电火花加工带来的问题，特进行加工工艺转换的工艺攻关。
2 几种典型零件的加工工艺转化
2.1 笔杆式长喷嘴的加工和改进介绍
2.1.1 改进前采用电火花加工喷嘴的情况
该零件（见图 1）为典型的深孔零件，长径比大于 25，材料为 GH2132。此孔一直采用电火花加工，由于加工余量大（从实体开始加工），加工效率低，一般加工一件零件需要 8小时（为减小零件中心孔的锥度，电参数控制的比较小，因孔深大，电极损耗快，需经常更换电极），严重影响生产进度。而且孔径锥度较大，出现无法在全长上保证孔径值。除此外，零件的加工表面形成腐蚀层，使其表面粗糙度差，而由于该孔为喷嘴工作时的进油孔，也是进行流量试验时的滑油进油处（见图 2），采用电火花加工后，会对后续流量试验产生一定影响。
图 1 喷嘴示意图
图 2 喷嘴示意图
2.1.2 利用长钻头在普通车床上加工喷嘴深孔（φ4X107）的情况
为解决 2.1.1 中提到的一些问题，起初我们尝试在普通车床（因普通车床上方便控制进给和转速等）上使用一般合金长钻头加工零件，钻头磨损较严重，导致零件进口与孔底尺寸不一致（带锥），而且钻头易折断。在进行了几次加工参数的调整和更换钻头后，效果都不明显，钻头寿命均很短。通过试验证明，采用长钻头加工不是一种理想的方法，对提高产品质量和加工效率未起到作用。
2.1.3 利用枪钻设备加工喷嘴深孔（φ4X107）的情况
在进行完 2.1.2 节的试验后，我们经过讨论和研究，决定采用枪钻进行加工深孔。枪钻是一种高效的加工方法，该设备上前后部有两个导套，能减少普通钻床上加工时钻头发飘的现象。又枪钻钻头呈扁三角型，且其中有冷却孔，其有效部分短，能将铁屑顺利地排出，避免了发生挤削等现象。对加工孔径公差不太严（公差在 0.2 mm 左右）的深孔有比较大的优势。为此，我们对一批零件尝试了枪钻加工，因其加工时采用直进式方式，大大缩短了加工时间，由于刀具的冷却充分和铁屑排出顺畅，刀具磨损较慢。加工该批零件只修磨一次刀具，加工完该批零件总共花了一天半时间，加工效率比电火花提高了近 10 倍。除此外，零件加工质量稳定，光洁度有了很大提高。
2.2 起动喷嘴的加工和改进介绍
2.2.1 采用电火花加工起动喷嘴喷口的情况
该零件（见图 3）属于燃油喷嘴（离心式）的核心件，材料为 Cr12,其外圆上 2-φ0.6的小孔为两处进油孔，燃油进入后在内锥面处形成旋流再经喷油口喷出，给燃烧室提供符合各项指标的油。零件在进检前需进行流量试验，应满足燃油流量、喷雾锥角及燃油分布不均匀度等指标检测。由于进油孔与出油孔孔径差别不大，因此，进油孔孔径对流量影响很大，其表面粗糙度差会影响燃油流量的分布。之前， 一直采用电火花加工，因为无专用夹具，两孔的位置度很难保证，且表面粗糙度差。由于孔径小，加工时电极很容易发生弯曲现象，导致小孔孔径超差和带锥，又因孔径小，无合适研磨棒对小孔表面进行研磨，所以无法提高表面光洁度。零件进行流量试验时，经常出现燃油分布差，甚至有油道子，而且流量值偏大，从而导致其所组合成的起动喷嘴的点火实验成功率低。
图 3 喷口
2.2.2 利用台钻加工起动喷嘴喷口的情况
为尝试小孔的钻削加工，我们购买了非标专用的钻头φ.55 和铰刀φ0.6，其柄部均为φ1（因 1mm 以上的夹头比较普遍一些）（见图 4 和图 5）。
因小孔进口在零件圆弧面上，为防止钻头打飘，特将专用钻模的引导设计成弧面与零件外圆贴合（见图 6）。在进行零件加工时，全过程都为手动进给，因设备陈旧且底座未固定（自由摆放在工作台面上），加工时，整个设备振动很大，又夹具引导长，钻头悬出部分约 20mm，在切削深度才 0.5mm 时，钻头便断裂。为减少机床振动，我们用重物压在台钻底座上，并尽可能减少钻头悬空长度，在加工第 2 个孔到刚钻穿时，钻头被折断。经分析，主要是该两孔中心未过零件中心（存在偏距），导致钻头钻穿时，钻头一部分仍在切削，而另一部分未切削，形成不均匀受力，导致钻头断裂。因考虑台钻自身精度等方面约束，且该零件孔径太小及加工所用的微型刀具悬空太长，我们决定放弃在台钻上加工，改由精度高的车铣复合加工中心将零件一次成型加工。
2.2.3 利用车铣复合加工中心加工起动喷嘴喷口的情况
在进行数控转换时，我们计算好孔深后，将钻头夹持部分增多，减少其刀刃有效长度，在钻削前，先用铣刀在弧面上铣削个小平面，再用φ0.55 的钻头进行钻削，这样防止了在钻头进入是发飘。因首次加工这种偏心小孔，我们采用低转速和低进给，在即将钻穿时，钻头断裂。我们分析，在车铣复合中心上加工，消除了台钻的不稳定因素，而且缩短了钻头悬空长度，但仍出现断钻头现象，可能加工参数不合适，经过多次提高转速和进给的尝试，最后，钻头顺利加工了两个孔，孔径合格，但在钻削第 3 个孔时，钻头断裂。为此，我们分析，很大可能是因为钻头钻穿时受力不均导致断裂。为验证此问题，我们在安排加工程序时，将两孔的加工排在钻中心孔φ3.47 之前，即加工小孔时为盲孔加工，深度不变。在使用摸索好的参数进行加工，结果显示，钻头寿命大大提高，一根钻头可连续加工 30 个孔，而且孔径稳定。通过对零件进行计量和显微镜测量，小孔孔径、表面粗糙度（剖开检查）及位置度均满足图纸要求。
3 钻削加工深孔和小孔的技术推广应用
前面我们讲到了两种典型零件深孔和小孔转钻削加工的例子，为提高生产效率，保证产品质量，我们将多种零件的深孔和小孔进行了钻削转换。进行深孔加工的零件主要有喷油管（孔的规格为φ4.5×84）、导管（孔的规格为φ3×59）、喷嘴壳体（孔的规格为φ4.5×86.5）等十多种。小孔进行钻削加工转换的有喷油嘴（见图 7、图 8）、支柱（见图 9）及螺堵（见图 10）等零件。
4 结论
在对几种零件的深孔和小孔的加工进行钻削转化中，经过工艺加工方法、数控加工参数及刀具选择等方面的摸索和验证加工，实践证明，该项工艺转换已获得成功，并且在类似零件的加工中有很好的推广和应用效果，极大地提高生产效率和产品质量。在该项工作中所累积的经验，也能给今后的新机科研生产提供很好的借鉴，使其得以广泛应用，从而降低生产成本、缩短生产周期及创造更大的价值。
5 参考文献
1 张福润，徐鸿本，刘延林. 机械制造技术基础.武汉：华中理工大学出版社，1999
2 孟少农主编.机械加工工艺手册. 北京：机械工业出版社，1992
3 陈宏钧主编.实用机械加工工艺手册. 北京：机械工业出版社，1997
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(8/17/2012) |
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