王雪梅 秦 雪

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精密小直徑深長(zhǎng)孔硬態(tài)銑削技術(shù)研究

王雪梅 秦 雪

（南京晨光集團(tuán)有限責(zé)任公司，南京 210006）

針對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)孔尺寸小、精度高、表面粗糙度值低及高精度偶件（微間隙）的精密機(jī)械加工難點(diǎn)，優(yōu)化工藝流程，通過(guò)切削試驗(yàn)尋求硬態(tài)銑削最佳工藝參數(shù)組合，并研究硬態(tài)銑削零件表面完整性，建立基于加工表層、表面完整性分析的質(zhì)量評(píng)價(jià)。解決了現(xiàn)有產(chǎn)品關(guān)鍵工序能力不足、生產(chǎn)效率低下的問(wèn)題，提升了企業(yè)的核心制造能力。

精密小直徑深長(zhǎng)孔；硬銑削；切削參數(shù)；表面完整性

1 引言

當(dāng)前伺服機(jī)構(gòu)零部組件的小型化、精密性要求越來(lái)越高。斜軸式液壓泵是以?xún)?nèi)錐齒輪同步傳動(dòng)的定量柱塞泵，其轉(zhuǎn)子九孔、傳動(dòng)軸九孔的位置精度決定了柱塞的安裝位置，對(duì)柱塞的幾何排量具有直接影響，兩者位置若出現(xiàn)較大的錯(cuò)位，不同的柱塞排量不一、散差過(guò)大，排出的油液體積不同，將表現(xiàn)出較大的流量脈動(dòng)，直接影響伺服機(jī)構(gòu)能源系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此油泵典型零件轉(zhuǎn)子、傳動(dòng)軸、卡盤(pán)等精密孔系的尺寸精度、形位精度要求高。

為進(jìn)一步提高批生產(chǎn)油泵運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性和使用壽命，滿(mǎn)足大功率、長(zhǎng)時(shí)間工作需求，需不斷提高精密孔系的位置精度要求，解決現(xiàn)有產(chǎn)品精密加工工序能力不足、生產(chǎn)效率低下的問(wèn)題；不斷提高精密元件的數(shù)控化生產(chǎn)率,保障產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、縮減產(chǎn)品研制周期，提升伺服機(jī)構(gòu)關(guān)鍵零部件的核心制造能力。

2 零件工藝分析

隨著硬態(tài)切削向精密化方向研究的不斷深入，相對(duì)于磨削加工、手工研加工，硬態(tài)切削所具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)更加顯現(xiàn)。采用以銑代研、以磨代研的工藝不斷提高精密元件加工質(zhì)量和加工效率，滿(mǎn)足產(chǎn)品可靠性要求。

2.1 零件材料及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

零件材料為5CrNiMo合金工具鋼，在高溫下具有良好的強(qiáng)度、韌性及耐磨性，在高沖擊載荷作用下不易發(fā)生塑性形變[1]。其熱處理后硬度達(dá)50HRC以上，零件9-7.4H7孔深度尺寸為34mm，圓柱度為0.0025mm，表面粗糙度為a0.2μm，九孔中心理論值為28.6mm，其相對(duì)于心軸部件及配流面的位置度為0.05mm。零件安裝在夾具體上，為避免刀具干涉，其伸出長(zhǎng)度需達(dá)到41mm，即長(zhǎng)徑比近七倍。由于零件內(nèi)孔尺寸小，刀具直徑小剛性差，內(nèi)孔底部易產(chǎn)生讓刀，難以滿(mǎn)足零件高形狀精度要求。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 試驗(yàn)方案

原工藝轉(zhuǎn)子九孔的加工是熱處理前在加工中心上銑削加工，其設(shè)備精度及工藝方法能滿(mǎn)足產(chǎn)品孔系位置精度、尺寸精度要求，但熱后因熱處理變形導(dǎo)致位置精度變化，從而超出設(shè)計(jì)圖樣要求。因公司現(xiàn)有資源受限采用熱前粗研，熱后精研以提高零件表面粗糙度、圓柱度要求?，F(xiàn)有的工藝手段無(wú)法滿(mǎn)足產(chǎn)品位置精度要求，導(dǎo)致產(chǎn)品位置精度多年來(lái)一直受制于熱處理狀態(tài)，且兩次手工研磨效率低下，產(chǎn)品尺寸一致性差，嚴(yán)重影響伺服機(jī)構(gòu)產(chǎn)品性能的穩(wěn)定性。

目前伺服機(jī)構(gòu)難加工材料精加工多采用傳統(tǒng)的磨削、手工研加工方式，人工因素影響大。為解決批生產(chǎn)油泵轉(zhuǎn)子零件的加工瓶頸，探索小直徑、深長(zhǎng)孔系精密硬態(tài)銑削加工技術(shù)。

3 精密硬銑方案

3.1 硬銑工藝

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及現(xiàn)有條件，采用德國(guó)進(jìn)口高速五軸加工中心進(jìn)行試加工，其主軸轉(zhuǎn)速20～18000r/min，主軸功率13kW，主軸最大扭矩87N·m，最大進(jìn)給量60000mm/min；設(shè)備定位精度≤0.005mm、重復(fù)定位精度≤0.0024mm。

刀柄的選擇：根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇液壓刀柄裝夾刀具。液壓刀柄具有回轉(zhuǎn)精度高，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中動(dòng)平衡質(zhì)量高，精度保持期長(zhǎng)；在切削過(guò)程中有阻尼材料減振特性，可大幅消除加工過(guò)程中的振動(dòng)，從而得到理想的刀具壽命、高精度工件表面質(zhì)量。

刀具的選擇：針對(duì)5CrNiMo材料熱處理后的材質(zhì)特點(diǎn)，采購(gòu)適于加工HRC47-63的淬硬鋼，選擇FRAISA、SANDVIK、WALTER、KENNAMETAL等不同廠(chǎng)家刀具。根據(jù)零件精銑9-7.38H7孔、深34mm尺寸要求，選擇刀具規(guī)格為6mm×80mm×7mm×0.5mm硬質(zhì)合金復(fù)合涂層銑刀試切加工。通過(guò)切削試驗(yàn)選擇性?xún)r(jià)比高刀具，降低硬切削加工的使用成本，滿(mǎn)足小直徑、深長(zhǎng)孔系的硬態(tài)銑削加工要求，提升關(guān)鍵工序的制造能力。

3.1.1 工裝夾具

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)零件的定位夾緊方式。為保證轉(zhuǎn)子九孔相對(duì)月牙槽、內(nèi)花鍵的位置精度要求，設(shè)計(jì)制造熱后硬銑九孔定位夾具。同時(shí)考慮熱處理變形對(duì)零件裝夾可能產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)制造一組三套鉆銑專(zhuān)用夾具，見(jiàn)圖2，滿(mǎn)足快速定位夾緊要求。

圖2 轉(zhuǎn)子鉆銑夾具示意圖

3.1.2 硬銑方式的選擇

銑削方式通常為分層銑和螺旋銑。分層銑一般無(wú)法滿(mǎn)足孔系的加工效率及高精度要求；螺旋銑為斷續(xù)切削加工，有利于刀具的散熱，降低因切削熱造成的刀具磨損，其加工方式使切屑有足夠的空間從孔槽中排出，從而有效提高孔的表面質(zhì)量。通過(guò)銑削方式的比較最終確定螺旋銑孔方案。

3.1.3 硬銑冷卻潤(rùn)滑

分別采用冷卻液潤(rùn)滑加工、干切削加工進(jìn)行硬態(tài)銑削試驗(yàn)，并檢查刀具磨損情況。從試驗(yàn)結(jié)果看，加注冷卻液其刀具磨損較干切削加工快，主要由于零件內(nèi)孔尺寸小，刀具冷卻不充分。因此采用干切削加工方式，同時(shí)滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的環(huán)境要求。

3.2 硬銑切削試驗(yàn)

根據(jù)掌握的設(shè)備、刀具、切削參數(shù)進(jìn)行切削試驗(yàn)，尋求最佳工藝參數(shù)組合，實(shí)現(xiàn)高效硬態(tài)銑削加工技術(shù)。硬銑加工正交試驗(yàn)見(jiàn)表1[2，3]，硬銑刀具磨損、零件表面粗糙度數(shù)值見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，刀具4的磨損量最大，其次是刀具3，磨損量最小的是刀具1，刀具切削過(guò)程零件內(nèi)孔圓柱度質(zhì)量保持性較好、粗糙度數(shù)值小，因此選擇刀具1進(jìn)行切削加工。刀具硬銑試驗(yàn)刀具磨損具體數(shù)值見(jiàn)表3，零件表面粗糙度具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表1 硬銑加工正交試驗(yàn)表

表2 硬銑加工刀具磨損、零件表面粗糙度數(shù)值試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

表3 刀具硬銑刀具磨損數(shù)據(jù)表L9（34）

表4 刀具硬銑零件表面粗糙度數(shù)據(jù)表L9（34）

圖3 刀具磨損主效應(yīng)圖

圖4 零件表面粗糙度主效應(yīng)圖

采用刀具1進(jìn)行試驗(yàn)分析。如圖3所示，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)刀具磨損量影響最大，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在5000r/min時(shí)刀具磨損最??；其次是螺旋切深a，當(dāng)螺旋切深為0.2mm時(shí)刀具磨損量最大，因此在滿(mǎn)足產(chǎn)品質(zhì)量的情況下盡可能選擇較大的螺旋切深；進(jìn)給量對(duì)刀具磨損量影響不顯著，當(dāng)進(jìn)給量為150mm/min時(shí)刀具磨損值最小。

如圖4所示，影響零件表面粗糙度最大的是進(jìn)給量，隨著進(jìn)給量值的加大，表面粗糙度值就越大；其次影響零件表面粗糙度的是螺旋切深a，隨著螺旋切深的增大，表面粗糙度值越大；主軸轉(zhuǎn)速對(duì)零件表面粗糙度值影響不顯著。

3.3 硬銑工藝參數(shù)優(yōu)化

針對(duì)轉(zhuǎn)子零件加工難點(diǎn)、技術(shù)要求，采用優(yōu)選出刀具進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)并進(jìn)行切削加工，同時(shí)優(yōu)化工藝參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)高效硬態(tài)銑削加工技術(shù)上的突破。采用Fraisa刀具進(jìn)行零件切削加工，零件的圓柱度可達(dá)到0.012mm左右，為保持零件九孔尺寸的一致性、圓柱度及表面粗糙度要求，零件硬銑精加工采用六刃整長(zhǎng)Fraisa刀具，其規(guī)格為6mm×63mm×19mm×0.5mm。通過(guò)切削試驗(yàn)，對(duì)精加工刀具切削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，確定精銑九孔的最佳參數(shù)組合，解決刀具剛性差，孔底易產(chǎn)生讓刀導(dǎo)致內(nèi)孔圓柱度大的問(wèn)題，為后續(xù)手工精研加工效率提高打下了良好的基礎(chǔ)。具體硬銑切削參數(shù)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 硬銑切削參數(shù)數(shù)據(jù)表

4 表面完整性工藝研究

表面完整性機(jī)械加工是新一代抗疲勞制造的關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)精密磨削、精密硬銑削、手工研磨方式比較零件表面質(zhì)量。

4.1 微觀形貌

工件表面微觀形貌主要采用掃描電子顯微鏡觀察，借助該工具可以觀察到工件表面細(xì)微結(jié)構(gòu)，進(jìn)而分析不同加工條件對(duì)5CrNiMo鋼表面形貌的影響。

觀察不同放大倍數(shù)下的5CrNiMo鋼表面形貌。在加工表面為平面時(shí)，磨削和銑削工藝條件下，表面紋理較為清晰、均勻，比較而言，磨削加工表面紋理更為細(xì)小和致密；研磨表面在低倍數(shù)下觀察（×100）非常平整、均勻，然在高倍放大情況下觀察（×2000倍），加工表面出現(xiàn)較多微小而淺的裂紋，且裂紋中發(fā)現(xiàn)可能嵌入有研磨顆粒物。當(dāng)加工表面為外圓柱面時(shí)，銑削表面特征變化不大，磨削表面出現(xiàn)材料撕裂現(xiàn)象，研磨表面變得粗糙。當(dāng)加工表面為內(nèi)孔圓柱面時(shí)，銑削表面紋理細(xì)密，并伴隨有少量材料劃擦、重疊現(xiàn)象，研磨內(nèi)圓柱表面出現(xiàn)較明顯的硬質(zhì)顆粒劃擦痕跡。上述不同加工工藝條件下，5CrNiMo鋼表面微觀形貌表現(xiàn)有一定差異。

4.2 表面粗糙度

試驗(yàn)中工件表面粗糙度采用德國(guó)馬爾Mahr MarSurf PS1便攜式表面粗糙度儀測(cè)量，取樣長(zhǎng)度為0.8mm，在每個(gè)工件表面隨機(jī)選取5個(gè)不同位置測(cè)量，并計(jì)算平均值進(jìn)行比較，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 5CrNiMo鋼轉(zhuǎn)子內(nèi)孔表面粗糙度 μm

加工方法　第一次測(cè)量第二次測(cè)量第三次測(cè)量第四次測(cè)量第五次測(cè)量平均粗糙度 內(nèi)孔圓柱面磨削0.3080.2090.1850.2290.2440.235 內(nèi)孔圓柱面銑削0.2380.2020.2090.1930.2920.2268 內(nèi)孔圓柱面研磨0.1520.130.1120.1080.1170.1238

由表6可知，不同機(jī)加工藝方法，零件表面粗糙度值總體變化不大，其變化范圍處在0.1238～0.235μm之間?？傮w而言，表面粗糙度值較為接近。

4.3 金相組織

金屬顯微結(jié)構(gòu)組織對(duì)金屬機(jī)械性能具有重要影響。因此有必要觀察不同加工工藝條件下獲得的5CrNiMo鋼轉(zhuǎn)子金相顯微結(jié)構(gòu)，為全面評(píng)價(jià)5CrNiMo鋼轉(zhuǎn)子加工表面完整性提供參考。

觀察不同機(jī)械加工條件下5CrNiMo鋼轉(zhuǎn)子金相組織：平面加工影響層約為5～15μm；外圓柱面加工影響層約為10～20μm；內(nèi)孔圓柱面加工影響層約為5～20μm。針對(duì)不用加工方法，銑削加工影響層在5～10μm，磨削加工影響層為10～20μm，研磨加工影響層為2～10μm?？傮w而言，平行進(jìn)給方向要比垂直進(jìn)給方向影響層深度大，研磨加工較其他兩種加工方式對(duì)鋼影響層小。

4.4 顯微硬度

顯微硬度測(cè)試是將具有一定形狀的金剛石壓頭，在一定的負(fù)荷作用下壓入被測(cè)試件表面，負(fù)荷按規(guī)定保持一段時(shí)間后卸除，然后測(cè)量所得壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度，并根據(jù)對(duì)角線(xiàn)之長(zhǎng)度代入公式求得硬度值。

不同加工條件下5CrNiMo工件表層顯微硬度變化情況可以看出，5CrNiMo工件基體材料顯微硬度在600～700HV之間。在平面加工過(guò)程中，銑削和研磨工藝條件下，工件表層的顯微硬度看不出明顯變化，而磨削表面表現(xiàn)出輕微加工軟化現(xiàn)象，影響深度約為20μm；在外圓柱面加工過(guò)程中，銑削表面表現(xiàn)出輕微加工軟化現(xiàn)象，影響深度約為10μm，磨削表面表現(xiàn)出輕微加工硬化現(xiàn)象，影響深度約為10μm，研磨幾乎看不出對(duì)加工面的影響；在內(nèi)孔圓柱面加工過(guò)程中，不論銑削還是研磨，對(duì)加工表面顯微硬度影響不顯著，磨削表面表現(xiàn)出輕微加工硬化現(xiàn)象，影響深度約為10μm。

4.5 殘余應(yīng)力

試驗(yàn)中采用的殘余應(yīng)力檢測(cè)設(shè)備為派爾便攜式X射線(xiàn)殘余應(yīng)力分析儀。通過(guò)比較沒(méi)有應(yīng)力時(shí)的德拜環(huán)和有應(yīng)力狀態(tài)下的變形德拜環(huán)的差別，計(jì)算應(yīng)力下晶面間距的變化以及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。施加應(yīng)力后，分析單次入射前后德拜環(huán)的變化，即可獲得全部殘余應(yīng)力信息。具體殘余應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果 MPa

由表7可見(jiàn)，不同加工條件下5CrNiMo工件表面均可獲得殘余壓應(yīng)力，大多分布在-400～-800MPa之間?？傮w而言，按照殘余應(yīng)力大小可以分為：方向，同種加工表面下，磨削>銑削>研磨；同種加工工藝下，內(nèi)孔圓柱面>平面>外圓柱面；方向，同種加工表面下，磨削>銑削>研磨；同種加工工藝下，平面>外圓柱面>內(nèi)孔圓柱面。

4.6 表面完整性分析結(jié)論

通常情況下工件的殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值越大，疲勞強(qiáng)度越高。工件的疲勞斷裂從最弱的點(diǎn)開(kāi)始，因而疲勞斷裂不是應(yīng)力的平均值，而是應(yīng)力的極限值。表面粗糙度值大的其殘余壓應(yīng)力絕對(duì)值也較大，工件仍可擁有高的疲勞強(qiáng)度，這主要?dú)w因于殘余應(yīng)力使得金屬內(nèi)點(diǎn)陣緊縮，原子之間力場(chǎng)作用增強(qiáng)，可閉合工件表面空穴，即使對(duì)于表面粗糙度差一些的零件，仍然可提高疲勞強(qiáng)度。因此，依據(jù)殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果所示三種不同加工條件下均可提高材料疲勞壽命。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用新工藝方案完成兩個(gè)批次零件的加工，從中抽取23件檢測(cè)硬銑后表面粗糙度值為R0.198～0.23μm，內(nèi)孔圓柱度為0.008mm，九孔位置度為0.02～0.05mm，較原工藝轉(zhuǎn)子九孔位置度0.07～0.11mm有了大幅提高,能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。

硬態(tài)銑削后的轉(zhuǎn)子結(jié)合生產(chǎn)進(jìn)行裝調(diào)，經(jīng)測(cè)試，油泵出口流量較原工藝方案生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子有明顯提升。新工藝方案油泵九個(gè)柱塞吸排油相互疊加的均勻性有所提高，減少了因流量不均勻產(chǎn)生的內(nèi)部損耗，漲圈與轉(zhuǎn)子柱塞孔的密封情況得到改善，降低了漲圈部位的泄漏量，因此油泵出口流量更加接近于理論值。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)精密小直徑深長(zhǎng)孔系硬態(tài)銑削技術(shù)研究，突破了高強(qiáng)度淬硬材質(zhì)傳統(tǒng)工藝方法，解決了長(zhǎng)期以來(lái)困擾機(jī)加生產(chǎn)線(xiàn)小直徑深長(zhǎng)孔系完全依賴(lài)手工研加工方式，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了精密元件的加工質(zhì)量及加工效率。同時(shí)產(chǎn)品裝調(diào)性能顯著提高，滿(mǎn)足了產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性要求，提升了企業(yè)的核心制造能力。

1 陳宏鈞. 實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016

2 趙如海. 金屬機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2010

3 馬逢時(shí)，周暐，劉傳冰. 六西格瑪管理統(tǒng)計(jì)指南[M]. 北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2018

Resrch on Hard Milling Technology for Precision Small Diameter Deep and Long Hole

Wang Xuemei Qin Xue

(Nanjing Chenguang Group Co., Ltd., Nanjing 210006)

The inner hole has the characteristics of small size, high precision, low surface roughness value and high-precision coupling (micro-gap), which is a difficult point of precision machining. By optimizing the process flow, the cutting test is conducted to find the optimal combination of process parameters for hard milling; through the surface integrity study of hard-milled parts, the quality evaluation based on the processing surface and surface integrity analysis is established. It solves the problem of insufficient key process capability and low production efficiency of existing products, and enhances the core manufacturing capability of the enterprise.

precision small diameter deep hole；hard milling；cutting parameters；surface integrity

王雪梅（1969）工程師，機(jī)械制造專(zhuān)業(yè)；研究方向：精密機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)。

2018-11-06