分体式复合扩刀加工工艺优化研究*

王文堂 张春梅

(河南机电高等专科学校，河南 新乡 453003)

汽车发动机、柴油机生产中经常遇到一些阶梯孔。此类孔加工过程中需要用到复合类刀具。孔的加工质量主要取决刀具的制造精度及位置精度［1］。本文结合实际生产经验，简略介绍分体式复合刀具在加工过程中应注意的一些问题，以保证此类孔加工的尺寸精度和刀具的寿命。

1 分体式复合扩刀传统加工工艺分析

阶梯孔可以采用多种复合刀具进行加工，本文以复合扩刀为例阐述这类刀具生产中需要注意的问题。图1所示为分体式复合扩刀的结构形式，其主要功能为扩φ12mm孔，倒90°角，扩φ20mm底孔。此类刀具为了节约材料、降低成本做成了分体式［2］。一般情况下此类刀具的生产工艺如表1所示。

分析传统的工艺路线，对精度控制还是比较全面的。首先考虑了大、小刃直径(φ20mm、φ12mm)的尺寸精度对孔径的影响，工艺中可经过粗磨、精磨或镜面磨削，保证磨削出的钻头直径在中差左右，且表面粗糙度值较小。其次考虑了大小刃工作部分对基准轴线的同轴度。再次考虑了大小刃顶角对基准轴线的斜向跳动。为克服钻头两主切削刃与基准轴线间的夹角不等或两主切削刃沿基准轴线方向高度不等，进而产生大小刃的切削深度不等问题，工序10中工具磨装配好后再进行磨削，保证了大小刃的同轴度，减小了钻孔后的扩张。从关键尺寸的控制上似乎没太大的问题，成品检测结果如表2所示。

利用此类刀具(参数如表3所示)对硬度为60～65 HRC、材料为16CrMo5的产品进行批量钻孔后发现有孔径超差、粗糙度差、大小孔径同轴度不符合要求、小刃不规则磨损等现象。批量质量不稳定，对需方厂家产品质量及正常生产带来不好的影响。

表1 分体式复合扩刀传统工艺路线

表2 分体式复合扩刀检测报告(2件)

表3 刀具参数

2 分体式复合扩刀加工工艺缺陷分析

分析表1工艺路线，初步认为工艺路线理论上没有问题，但仔细分析后发现工序8与工序10基准不统一。工序8以一端中心孔、一端孔口倒角为测量基准，而工序10以柄轴线为测量基准。进行检验后数据如表4、5所示。表4、5分别为工序8、工序10完成后取6支产品对其同轴度进行测量的结果。

表4 工序8完成后测量的同轴度mm

表5 工序10完成后测量的同轴度mm

从表4、5中的数值可见，同样一组产品，以柄轴线为测量基准时(工序10)测得的误差较以中心孔为测量基准时(工序8)测得的误差大。这是由于以中心孔为测量基准时增加了基准的稳定性，克服了悬臂挠度，测得的误差较小。这样会产生两种质量问题:

(1)钻头两主切削刃沿刀具轴线不等高现象(如图2所示)会产生孔径的扩张，扩张量经验公式为

式中:ΔD为扩张量;H为两主切削刃沿轴线方向高度之差;φ 为刀具半顶角［3］。

例如以不等高H=0.015mm，φ=59°为例，则孔径的扩张量 ΔD=0.015×tan59°，计算结果为0.025mm，导致孔径超差。

(2)被加工工件大小孔径的同轴度出现问题，从而使大小孔径同轴度不合格。

3 分体式复合扩刀工艺的优化及注意事项

(1)如果保持原来的工艺规程不变，为了保证产品质量，在由以两端中心孔为测量基准转换成以柄轴线为测量基准时，工艺规程中应规定适当缩小的公差值。比如在工序8时可以规定大小刃圆跳动为0.020mm，那么到工序10时，可以规定大小刃圆跳动为0.015mm，这样克服了以柄部为基准时悬臂挠度及柄部自身的精度对大小刃同轴度的影响。改进后的性能试验结果证明这种方法是可行的［4］。

(2)如果各工序的同轴度公差不改变，则可以通过改变工艺的方式。如在工序1的加工过程中φ12mm外圆增加工艺凸台，工艺凸台上边可以打中心孔。这样在工序10时，仍以两端中心孔为基准，会提高大小刃的同轴度，但要增加一道工具磨切尖工序。同样可以提高刀具的质量［5］。

(3)工序10小刃进行刃磨时，刀具的安装和刃磨操作方法要注意，如图3所示。支撑片形状应选用螺旋槽支片或斜槽支片，支承片位置的调整应使支承片圆弧对刀具前面的支撑点A比刀具中心低H。A点处的刀齿应正是砂轮进行磨削的位置。这样刃磨得到的刀具后角是符合设计要求的。具体计算公式为:

式中:H为刀具刃磨点与砂轮中心距离;D为砂轮直径;α0为刀具刃磨后角［5］。

(4)使用过程中保持切屑排除流畅，多次进刀，输入冷却液或空冷。

(5)尽量选用精度较高的机床，要求主轴的灵敏度和旋转精度高，主轴跳动在0.005mm以下，以提高扩孔精度。

4 结语

优化后的分体式复合扩刀生产工艺在河南省新乡市奥林斯特机械有限公司已得到广泛使用。实践证明，复合类扩刀虽然制造比较复杂，切削环境较差，但只要在设计、制造、使用等几个方面采取措施，就可以保证阶梯孔加工的尺寸精度和形状精度，达到理想的加工效果。

［1］贾瑞山，赵宏武.复合刀具在孔系加工中的应用［J］.机械工程师，2010(2):111－113

［2］Gong Y P，Cheng L，Kornel F E.Dynamics of initial penetrationin drilling:part1 － mechanistic model for dynamic forces［J］.Jou － rnal of Manufacturing Science and Engineering，2005，127(2):280－288.

［3］任春，陈华，杨常清.批量阶梯孔加工工艺的改进与实践［J］.工具技术，2012，46(9):112 －116.

［4］熊良山.麻花钻刃形优化与刃磨方法的研究［D］.武汉:华中科技大学，2006.

［5］特伦特 E M.金属切削［M］.北京:机械工业出版社，1980:95－145.