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在機械加工中，經常需要根據(jù)產品結構特點及工藝要求來設計專用的非標刀具，這些刀具在實際生產中起著十分重要的作用[1]。對于高精度的孔類零件，由于加工精度及表面粗糙度要求過高，一般的加工方法難以達到要求。目前，國內廠家多采用電加工或者坐標磨等更高級工藝方法來加工，雖然可以加工出合格產品，但會使加工成本提升、加工效率降低，而且過于依賴設備的精度，造成很多不可控的因素，并且需要大量的輔助工藝裝備，加工成本又一次提高。

在航空發(fā)動機制造過程中，柱塞式液壓泵（簡稱柱塞泵）是靠柱塞在轉子上柱塞腔內往復運動，改變柱塞腔容積，實現(xiàn)控油的一種液壓泵。轉子與柱塞這一對偶件是柱塞泵(馬達)的核心部件。其加工質量的優(yōu)劣將直接影響泵的工作性能。由于這一對偶件加工精度高、生產周期長,往往成為工廠生產中的“細脖子”,影響生產任務的完成[2]。柱塞泵中關鍵的產品零件是“轉子”，該零件上通常會有7～9個柱塞孔。柱塞孔與柱塞之間有嚴格的間隙要求，使得柱塞孔精度要求及粗糙度要求都很高，而孔的數(shù)量較多，如何采用高效低成本的加工方法是一個難題。

1 球型鉸刀的設計需求及原理

1.1 航空柱塞泵轉子柱塞孔加工環(huán)境分析

航空發(fā)動機柱塞泵轉子一直是按照關鍵重要件進行質量管理。首先從結構上來分析，轉子上的孔由于其精度與粗糙度的要求高，成為工序最為困難的加工內容。圖1為某轉子示意圖，其中9-φ 9mm孔，就是柱塞孔。從尺寸精度要求H9公差，圓柱度0.003mm，位 置 度 φ 0.03mm，粗 糙 度 Ra0.1μm，要 求 十 分 嚴格。其次，從轉子材料上來看，多為鑄造銅合金，例如ZCuSn10Zn8Pb6Ni1，是錫青銅的一種。錫青銅具有較高的強度和伸長率，良好的耐磨性和抗腐蝕性能，廣泛應用于鑄造泵體及葉輪、螺旋槳、閥門等部件[3]。

1.2 鉸刀設計及普通鉸刀存在問題

在機械加工中，經常需要用鉸刀進行鉸孔。鉸孔是在箱體、柱塞等零件上精加工中、小型孔的主要方法，它是半精加工(擴孔或半精鏜)基礎上進行的一種精加工方法,其尺寸精度等級可達IT9～IT7,表面粗糙度Ra可達1.6～0.4μm[4]。在鉸刀設計時，鉸削余量、鉸刀直徑公差、鉸刀幾何參數(shù)，以及其齒槽形狀和材料的選用是否得當，對鉸刀的使用壽命、被加工工件的表面質量有很大影響[5]。在選擇刀具的角度時，需要考慮多種因素的影響，如工件材料、刀具材料、加工性質(粗、精加工)等，必須根據(jù)具體情況合理選擇[6]。

在航空柱塞泵加工過程中，圓柱型鉸刀比較常用，鉸刀直徑公差直接影響被加工孔的尺寸精度、鉸刀制造成本和使用壽命。由于是定尺寸精密刀具，磨損后無法繼續(xù)使用，無形中增加了制造成本[7]。用普通高速鋼鉸刀加工某些工件（尤其是難切削材料）時，容易出現(xiàn)刀具壽命減短、加工中容易崩齒、被加工表面質量差等不良現(xiàn)象[8]。分析原因，是由于普通圓柱鉸刀與被加工零件孔接觸面積較大，加工中鉸刀受到的摩擦力較大，加工表面質量存在一定的缺陷。另外，標準圓柱鉸刀鉸孔時會出現(xiàn)很多問題，如誤差度、直線度、排屑、讓刀、振動現(xiàn)象、刀具使用壽命短、退刀時產生劃痕等[9]。

圖1 航空類轉子結構示意圖Fig.1 Diagram of air rotor structure

1.3 球型鉸刀結構設計

在普通鉸刀鉸孔質量無法滿足柱塞泵柱塞孔的加工要求時，生產上只能依靠電火花機床電打孔或坐標磨床磨孔，之后進行研磨加工，才能保證加工需求。加工設備昂貴，并且需要專門的工藝裝備裝夾，工藝成本很高。因此，迫切需要進行鉸刀的改進。

為減少不良鉸削現(xiàn)象的發(fā)生，需要改善鉸刀的鉸削條件，順暢排屑，提高被加工件的產品質量[10]。經過分析，認為由于鉸刀是定尺寸刀具，故鉸孔尺寸精度與鉸刀的直徑有密切關系，但是鉸刀加工出的孔實際尺寸往往不等于鉸刀的實際尺寸，只有在認清鉸刀直徑與被加工孔尺寸之間的內在關系從而選用正確的鉸刀直徑，才能加工出精度符合要求的孔[11]。按照經驗，鉸孔時，由于刀齒徑向跳動以及鉸削用量和切削液等因素會使孔徑大于鉸刀直徑，稱為鉸孔“擴張”；而由于刀刃鈍圓半徑擠壓孔壁，則會使孔產生恢復而縮小，稱為鉸孔“收縮”。一般“擴張”和“收縮”的因素同時存在，最后結果應由試驗驗證[12]。球型刀頭，在理想環(huán)境中，只有一個直徑方向接觸零件加工面，可以視為線性加工。刀齒徑向跳動好，加工阻力小，對于保證尺寸穩(wěn)定十分有利。加工中球型的擠壓效果能夠保證被加工零件孔壁的表面粗糙度良好。

另外，刀具材料的選擇，也起到關鍵作用。硬質合金鉸刀和高速鋼鉸刀的鉸削機理不同，高速鋼鉸刀主要利用刀具刀刃的鋒利性使被加工孔表面獲得較小的表面粗糙度值，而硬質合金鉸刀在切削過程中是連切帶擠，并以刀刃的擠削為主[13]。由于被加工零件材料為鑄造銅合金，機械加工性能差，對半封閉狀態(tài)的鉸孔加工工序更為困難。如果用高速鋼鉸刀加工，由于被加工材料韌性與粘性均較大，切削刃極易粘屑并產生積屑瘤，從而使刀具刃口迅速鈍化，導致刀具校正刃與被加工孔壁產生劇烈擠壓和摩擦，而且刀具主、側切削刃均會嚴重磨損，所加工孔壁會被拉出深溝，加工質量極差。硬質合金具有高的抗拉強度和斷裂韌性，適合于硬切削時做刀具材料[14]，其耐磨性良好，可以保持穩(wěn)定的尺寸，非常適合做鉸刀的刀頭材料。

參照國外加工經驗，采用球型的刀具結構型式，刀具分為兩體結構，刀頭采用硬質合金材料，增加耐磨性；刀柄采用普通鋼，降低成本。兩者通過焊接連接。刀頭的刀齒形狀為球型，為了提高耐用度，球型前端磨出長度為h的圓柱帶。刀頭的刀齒圓柱帶長度尺寸h取值0.3～0.6mm 之間。

刀頭的刀齒圓柱帶直徑尺寸d的確定方法是：為了達到高精度的鉸孔質量，鉸刀去除零件材料的鉸削量為0.005～0.01mm，故在零件鉸削的前工序孔徑公差較大的情況下，需要將球型鉸刀直徑d進行分組。分組的原則是參照鉸削量要求，將被加工零件鉸孔前工序的孔徑尺寸從最小值到最大值，按照0.005～0.01mm分組。例如，在取間隔0.01mm一組的情況下，按照分組情況，球型鉸刀直徑d為：式中，Dgmin為被加工零件鉸孔前工序孔徑最小值，Dgmax為被加工零件鉸孔前工序孔徑最大值。

為了減少球型鉸刀分組，被加工零件應在鉸孔工序之前的工序盡量減小孔徑公差，一般應在0.02～0.04mm之間。刀齒型面球型直徑尺寸D的確定方法為：球型半徑D/2=h/2弦長時，弦高為d/2時的球半徑尺寸。利用弦長公式：

刀齒型面前角取0～3°，h中心距端面位置，按照1～1.2mm選取，后角及齒槽、圓柱刃帶按照一般圓柱鉸刀尺寸選擇即可。

2 實例與討論

2.1 球型鉸刀設計實例

設計以加工某柱塞泵柱塞孔為例，見圖2，本鉸刀為分體結構，件1為刀頭部分，也是刀具切削部分。加工錫青銅，刀具切削部分材料應選取鎢鈷類（YG）硬質合金，這樣刀刃就能得到較好的耐磨性、較高的切削效率和良好的導熱性質，同時避免刀具高速切削時的振動和對刀不準引起的崩刃，刀具切削部分以選YG6X為宜。件2為刀柄部分，材質為鋼，一般選用普通的45號鋼，有利于增加刀具的韌性，且該材料價格較為低廉，有利于刀具成本的降低。

刀頭部分的刀齒形狀不同于一般圓柱鉸刀，圖3為圖2中Ⅱ位置放大圖，刀齒為球型刀齒。此形狀的刀齒，改善刀具的切削環(huán)境，在進刀過程中，刀具與零件可近似為線性接觸，刀具所受阻力小，刀具及零件受力均勻，切削平穩(wěn)過渡，所加工孔尺寸逐步增大，這樣能夠保證孔的精度，其加工效果遠好于普通高速鋼圓柱鉸刀的齒型。

當然，若為單一的球型齒型，由于加工時，僅軸向直徑與零件接觸，為線接觸。實際使用過程中，由于屬于線性接觸，刀具參與切削實際上就是其球面上的一條環(huán)線，刀具極易磨損，一旦刀具磨損，將無法保證所加工孔的尺寸精度。因此單純的球型刀齒齒型不符合實際加工情況。若在球型齒面上，提前磨出一段圓柱，如圖3中h部分，模擬刀具已經出現(xiàn)磨損的工作狀態(tài)。試驗發(fā)現(xiàn)，刀具產生一定磨損后，就會出現(xiàn)一個較長的穩(wěn)定期，才會繼續(xù)磨損。球型鉸刀就是利用這一穩(wěn)定期，使球型刀具得到實際應用。

在刀具設計時，會把h部分加工出來，通過控制h部分直徑尺寸，來控制零件尺寸。這樣加工環(huán)境得到改善，刀具的壽命也得到提升。要保持被加工孔直徑尺寸，又要預留磨損量（h部分尺寸），就需要根據(jù)產品精度進行經驗摸索。對于航空柱塞泵產品零件，由于被加工孔的尺寸都比較小，h尺寸選在0.3～0.5mm之間，這時刀具耐用度與加工出的零件尺寸精度達到較好的效果。例如，h尺寸在按照表1所列出的一組尺寸，在刀具球型部分直徑D為9.015mm,h為0.3mm時，圓柱部分刀具直徑是按照弦長公式計算得出的，其值為9.01mm。兩者相差僅0.005mm，對于加工精度并沒有產生明顯影響，卻顯著增加了刀具的耐用度，保證了刀具切削的穩(wěn)定性。

另外，當被加工孔的尺寸精度要求較高時，還需將刀具直徑尺寸進行分組，保證適當?shù)你q量，以確保加工表面積屑過多所帶來的零件表面粗糙度不好的問題。在加工圖1所示零件φ9mm孔所用的一組刀具尺寸見表1。

圖2 球型鉸刀結構圖Fig.2 Spherical reamer structure

圖3 鉸刀頭部形狀Fig.3 Reamer head

表1 球型鉸刀尺寸分組表 mm

刀頭部分的刀齒參數(shù)確定的具體方法是：圓柱部分直徑尺寸d等于將被加工孔徑公差分為0.005mm一組后的孔徑尺寸，h尺寸取0.3mm、0.4mm各兩組。刀齒球型部分直徑D，利用弦長公式,

01組：h=0.3mm，d=9.01mm時：

刀齒型面前角取0～3°，h中心距端面位置，按照1～1.2mm選取。

至于后角及齒槽、圓柱刃帶按照一般圓柱鉸刀尺寸設計即可。同理計算得出02、03、04各組D尺寸值。

2.2 加工效果對比

通過對加工樣本的檢測，來說明不同加工方式所得表面的加工質量差異。圖4中樣本1～4分別是球型鉸刀鉸孔、坐標磨磨孔、普通高速鋼圓柱鉸刀鉸孔、電火花打孔4種加工方式所得的表面樣本，圖5、6為樣本表面粗糙度及尺寸精度的檢測報告。

圖4 不同加工方式所得表面圖樣Fig.4 Surface pattern from different processing methods

圖5 表面質量檢測報告Fig.5 Surface quality inspection report

圖6 尺寸精度檢測報告Fig.6 Dimensional accuracy test report

從檢測報告可以看出，球型鉸刀所加工表面質量明顯好于其他加工方式所得表面質量，將檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計在表2中。

從表2數(shù)據(jù)可以明顯看出，在加工時間上，球型硬質合金鉸刀用時最少，更有利于產品單件工時的降低。對于生產單位來說，降低單件工時，就是提高效益的最直接的方法。在加工效果上，球型硬質合金鉸刀所加工出來的孔，表面粗糙度、尺寸精度和圓柱度都有明顯的提高，更能滿足柱塞泵轉子等高精設備的要求。

3 結論

（1）與普通高速鋼圓柱鉸刀加工效果對比，球型硬質合金鉸刀利用球型定心好、尺寸穩(wěn)定的特點，以及硬質合金刀片韌性及抗拉強度強的優(yōu)點，解決了高精度孔類加工的問題。避免了原用普通高速鋼圓柱鉸刀鉸孔，刀具易振動、磨損嚴重、加工質量達不到要求，而造成產品報廢的問題。

表2 加工效果對比

（2）與電火花機床打孔、坐標磨床磨孔等加工方式對比，球型鉸刀制造方法簡單、成本低廉、對于加工設備沒有特殊要求、可以進行機械鉸孔和手工鉸孔加工。加工效率高、質量好，避免該類孔過于依賴電火花機床及坐標磨床等高級貴重機床的問題，從根本上降低了加工成本，確保產品精度。

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