梅花孔机加工工艺分析

王军强

(中钢集团西安重机有限公司 陕西西安710201)

1 前言

梅花孔一直以来存在着加工精度不高、质量不好的问题(如图1 所示)。其原因在于:间断切削和方轴受径向力的作用移动时不平稳造成的。要想有把握的控制梅花孔的加工质量，精加工工艺中必须包括重点要解决的三个难题:①选用的设备及工装加工的圆弧深孔能保证直线度和圆度要求;②保证选用的刀具具有长时间抗冲击耐间断切削的能力;③选择适合圆弧面抛光的抛光工具。因此，在编制精机加工工艺前必须对梅花孔的加工基理、刀具的受力、设备的选型、刀具和工艺装备的选择、加工方法等进行细致的分析研究，通过与常规工艺方法的比较确定出一种能满足要求的精机加工工艺。

图1 梅花孔示意图

2 通常机加工工艺方法

2.1 梅花孔加工的基理分析

2.1.1 刀具在切削过程中的受力

梅花孔中各孔系均是由单体独立的半圆弧孔组成。

图2 梅花孔加工过程受力分析图

单刃刀具对其进行切削过程中，根据作用力与反作用力的定律，刀具所受的作用力为:F1(切向力)，F2(径向力)，F3(轴向力)(如图2 所示)。

2.1.2 机床主轴和刀具连接体的受力

当机床主轴带动刀具每转一圈，在工件半圆弧切入处受F1的作用下，刀具就会受到撞击一次，间断切削一次。随着刀具间断切削的进行极易损坏切削刃;由于机床主轴的强度和配合间隙的存在，在切削过程中刀具受到F2的作用，刀具有沿着F2箭头指向移动的趋势。随着机床主轴的伸长，主轴联同刀具会向孔心方向移动，出现刀具退刀的情况，造成加工的圆弧直径尺寸减小，表面粗糙度和直线度不好;与此同时刀具还受F3的作用，会出现上下振动，对加工的端面产生颤动刀纹，粗糙度不好的情况。

2.2 设备的选型

对于直径较大并且长度较长的大型梅花孔。为保障加工有效性，通常选择的机床为大型卧式镗床或大型龙门铣床。

2.3 刀具和工艺装备的选择

1)通常选用抗冲击能力强的刀片和精镗刀体与镗头连接后单刀旋转加工梅花孔。由于梅花孔中各孔为不连续的圆弧，精加工过程中刀具始终处于间断切削的状态，对刀具冲击大，易打刀，加工时间短，频繁换刀对刀。圆弧面有接刀台，效率低。

2)依据梅花孔中各单孔的直径，选择适合直径和粒度的砂布抛光轮对其进行抛光。

2.4 机加工方法的选择

1)选择镗床加工时由于镗床主轴为悬臂状态，依据梅花孔中各单孔的直径和孔深，通常采取以下三种方法加工:

(1)通过亊先铣工艺基准面，采取调头加工的方法，如图3 所示。该方法的缺点:除打刀外，孔的直线度和圆度有偏差，适合孔的直线度和圆度要求不很严的孔系加工。对于梅花孔中各孔的直线度和圆度要求均很高的孔不适合。

图3 调头加工方法

(2)将镗床方轴伸出处于悬臂状态，按梅花孔后端工装板上的工艺孔分别打表定梅花孔各孔系中心，通过移动工作台对各孔系进行精加工。此方法由于方轴伸出处于悬臂下坠状态，加工出的孔为椭圆，圆度不好。

(3)用尾座串长镗杆方法加工，如图4 所示。此种方法又分两种情况:一种是工件不动，走主轴镗半圆孔。另一种是通过可移动工作台带着工件移动镗半圆孔。不论哪种情况除了打刀外，只适合加工单一深孔。该种方法的缺点:倒换长镗杆难度很大，费工费时。因此用尾座串长镗杆方法也不适合梅花孔的加工。

图4 用尾座串长镗杆方法

2)选择龙门铣床加工时，依据梅花孔系中孔的直径和孔深，通常分两种情况:

(1)采取调头加工的方法与镗床调头加工的方法存在的问题相同。

(2)采取从孔的上端镗到孔的下端的方法。由梅花孔加工的基理分析可知:除打刀外，还能造成加工的圆弧直径尺寸减小，孔的直线度和表面粗糙度不好的问题。因此该种方法也不适合梅花孔的加工。

2.5 光整加工

因为砂布抛光轮为柔性抛光工具。由梅花孔加工的基理分析可知，砂布抛光轮只能抛光孔表面使其粗糙度好一些，但不能改变孔的圆度和直线度。所以抛光没有实际意义。

2.6 小结

由上述常规机加工工艺方法分析可知，影响梅花孔质量的因素主要有三个:①刀具间断切削;②在切向力的作用下，机床主轴或方轴的平稳性不好。③由于方轴伸出处于悬臂下坠状态，加工出的孔为椭圆。如何来解决呢?笔者认为应该从刀具的选型和工装的设计、工艺基准面的设置、加工方法等方面入手，来改进完善通常机加工工艺中的某些不足。

3 设想的机加工工艺方法

1)设备的选型:大型卧式镗床或大型龙门铣床。

2)刀具及工装的选型:可选择抗冲击能力强且耐磨的刀片，并用盘状或碗状机夹铣刀盘装夹;设计专用多轴镗头(分镗床用和龙门铣床用两种类型);选适合孔径和粒度的砂布抛光轮。

3)工艺基准面的设置:在梅花孔两侧槽下端铣工艺基准面，供镗床用多轴镗头上支撑轮支撑铣头和滚动用。

4)机加工方法的选择:分龙门铣床加工和镗床加工两种方法。

(1)大型龙门铣床精加工方法:首先将龙门铣床用多轴镗头与机床方轴连接定位，再将4 个盘状或碗状机夹铣刀盘安装到多轴镗头的另一端。然后从梅花孔的上端进刀向下端一次精加工四个半圆弧。随后拆去4 个盘状或碗状机夹铣刀盘，将四个砂布抛光轮装上对四个精加工好的半圆弧进行抛光。同理另四个半圆弧用另一个多轴镗头对其进行精加工和抛光。

(2)大型卧式镗床精加工方法:将镗床用多轴镗头与机床方轴连接定位，再将4 个盘状或碗状机夹铣刀盘安装到镗床用多轴镗头的另一端。以轨道基准面为基准将多轴镗头上的支撑轮与其接触，然后从梅花孔的前端进刀向后端一次精加工四个半圆弧。随后拆去4 个盘状或碗状机夹铣刀盘，将四个砂布抛光轮装上对四个精加工好的半圆弧进行抛光。同理另四个半圆弧用另一个多轴镗头对其进行精加工和抛光。

4 对比论证

4.1 刀具方面

1)通常机加工工艺方法中所采用的刀具为单体精镗刀。刀具在切削过程中刀刃连续间断切削和工件频繁冲击后极易打刀，若刀刃损坏没有补救措施，只能停机换刀。连续加工时间短，效率低。

2)设想机加工工艺方法中所采用的刀具为可装多片刀片的盘状或碗状机夹铣刀盘。刀具在切削过程中受连续间断切削和工件频繁冲击后，若有一个刀刃损坏，下一个刀刃自然补救进入切削状态。连续加工时间长，效率高。

4.2 工装和受力方面

1)通常机加工工艺方法中所采用的工装为镗头。一个镗头一次只装一把刀，对一个孔进行精加工。随着主轴的伸长，在径向力的作用下主轴会出现摆动，造成刀具加工的圆弧尺寸减小，表面粗糙度不好。

2)设想机加工工艺方法中所采用的工装为多轴镗头。一个多轴镗头一次可以同时装四个盘状或碗状机夹铣刀盘，可同时对四个孔进行精加工。由于梅花孔中一组四孔为对称布置，在切削过程中作用在多轴镗头上的径向力相互抵削，不会出现摆动情况。平稳性好，效率高。

3)工艺基准面方面

设想机加工工艺方法中为解决镗床方轴伸长下坠的问题，在加工梅花孔前，先在梅花孔两侧槽下端铣工艺基准面，用于支撑镗床用多轴镗头，以保证加工的水平度。与通常机加工工艺方法中所采用的调头加工方法先铣工艺基准面和用尾座串长镗杆的方法的机理是完全不同的。

5 结束语

通过选用盘状或碗状机夹铣刀盘(其上装有多个刀片)代替单体精镗刀，增强了抗冲击耐间断切削的能力，连续加工时间长;通过设计专用铣头，采用四孔同时对称加工技术，保障了方轴伸长的平稳性;通过铣制轨道基准面，保障了专用铣头镗梅花孔的水平度。设想的机加工工艺方法应该是能够解决通常机加工工艺方法中难点的理想工艺方法。

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