胡建武

（佛山市南海中南機(jī)械有限公司，廣東佛山 528247）

0 引言

本文所描述的是石油鉆探裝備上控制鉆頭導(dǎo)向的關(guān)鍵零部件液控本體單元上關(guān)鍵加工工序，對(duì)于普通材料小臺(tái)階深孔的加工一直是機(jī)械加工行業(yè)的難題，而鎳基高溫合金Inconel 718材料的圓周臺(tái)階深孔加工的難度系數(shù)更大，在加工端面圓周臺(tái)階孔時(shí)采用傳統(tǒng)的加工工藝，在臥式數(shù)控鏜銑床用鉆鉸或鉆鏜的工藝很難保證圖紙要求，加工深孔時(shí)因排屑和刀具冷卻困難，孔的中心容易造成偏移，且孔內(nèi)的表面光潔度不容易保證，很容易出現(xiàn)扎刀的現(xiàn)象，這種加工工藝方法不僅要求操作員工有非常高的操作技能，而且形位公差也達(dá)不到零件要求。之前，國(guó)內(nèi)因多個(gè)圓周臺(tái)階深孔的加工難題無(wú)法突破，達(dá)不到零件的設(shè)計(jì)要求，各油田服務(wù)公司需從新加坡和美國(guó)進(jìn)口。本文通過(guò)不斷地摸索和驗(yàn)證，制定出最優(yōu)的加工方案，利用主軸能數(shù)控分度的深孔鉆鏜床進(jìn)行臺(tái)階深孔的粗加工，專用數(shù)控深孔電火花設(shè)備進(jìn)行臺(tái)階深孔的半精加工，主軸能數(shù)控分度深孔鉆鏜床裝上珩磨頭進(jìn)行珩磨精加工的加工方案，保證臺(tái)階深孔的同軸度、直線度等形位公差；保證孔徑高精度公差以及表面光潔度的要求，不僅質(zhì)量穩(wěn)定，還大大地縮短加工周期，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件液控本體單元的國(guó)產(chǎn)化，通過(guò)本加工工藝方案的創(chuàng)新，為難加工金屬材料多個(gè)高精度臺(tái)階深孔的加工提供了新的思路。液控本體單元如圖1 所示。

圖1 液控本體單元

1 存在的難點(diǎn)分析

材料為鎳基高溫合金Inconel 718，鎳基高溫合金的加工性能很差，如45＃材料的加工性能為100%，鎳基高溫合金Inconel 718 的加工性能只有7%～10%左右，加工難度大，對(duì)加工設(shè)備、刀具、切削參數(shù)、冷卻和排屑等方面的選擇尤為重要［1－2］。

本文以液控本體單元臺(tái)階深孔為例，圖2所示為液控本體單元臺(tái)階孔圖，該零件右端面有3 個(gè)臺(tái)階深孔，最深為579 mm，孔徑為φ36.mm 和φ28.mm，孔深（L）與孔徑（D）之比L／ D＞20，屬于深孔，兩臺(tái)階孔同軸度要求0.05 mm，兩孔表面光潔度要求Ra1.6 和Ra0.8，臺(tái)階深孔的中心與零件軸心線平行度要求為0.05 mm，孔底要求有圓角R2。由于這臺(tái)階孔內(nèi)要裝入液壓密封件，孔壁最薄處只有3 mm，需承受140 MPa的工作壓力，這3 個(gè)臺(tái)階孔要求非常高，是整個(gè)零件最難加工和精度最難保證的部位。

圖2 液控本體單元臺(tái)階孔

2 解決措施

對(duì)于鎳基高溫合金的加工要選擇主軸扭力大，機(jī)床整體剛性好的機(jī)加設(shè)備；刀具要選擇適合鎳基高溫合金材質(zhì)的刀片和硬質(zhì)合金銑刀，選用原則：粗加工選國(guó)產(chǎn)刀片和硬質(zhì)合金銑刀，精加工選進(jìn)口刀片和硬質(zhì)合金銑刀，通過(guò)不斷試用選擇出性價(jià)比高的刀具，因鎳基高溫合金材料的導(dǎo)熱性很差，加工時(shí)的加大冷卻壓力和流量。

鎳基高溫合金深孔的加工要充分考慮刀具、排屑、冷卻、設(shè)備和切削參數(shù)等多方面的因素，根據(jù)零件深孔的尺寸、形位公差、孔底的圓角和表面光潔度的要求，通過(guò)多次的試制后制定臺(tái)階深孔工藝路線如圖3 所示。

圖3 臺(tái)階深孔工藝路線

2.1 深孔鉆鏜粗加工臺(tái)階孔

加工設(shè)備選用山東普利森機(jī)床有限公司生產(chǎn)的數(shù)控復(fù)合深孔鉆鏜床，型號(hào)：ZK2106A／ W*2000。

BTA單管鉆系統(tǒng)屬于外冷內(nèi)排屑方式，鉆桿強(qiáng)度好，加工效率高，同等孔徑規(guī)格，加工效率是槍鉆的2～4 倍，噴吸鉆的1～2 倍；鉆桿內(nèi)部排屑空間大，有利于排屑；機(jī)夾式刀片更換更方便，輔助時(shí)間少；鐵屑與加工過(guò)的孔壁不接觸，內(nèi)孔粗糙度較好；因而加工性價(jià)比最好［3－5］。φ26 mm 可轉(zhuǎn)位的鉆頭上選用成都工具研究所加工鎳基高溫合金材質(zhì)的刀粒，性價(jià)比高，外刃刀粒型號(hào)C060308－L，中刃刀粒型號(hào)為I050308－ G，內(nèi)刃刀粒型號(hào)為C050308－G。

首先校正工件的基準(zhǔn)平面，定好孔的方位，粗鉆φ26 mm深578 mm的深孔，深孔鉆鏜主軸旋轉(zhuǎn)兩次120°，分別粗鉆另外兩孔。然后粗鏜φ34 mm深518 mm的臺(tái)階孔，深孔鉆鏜主軸旋轉(zhuǎn)兩次120°，分別粗鏜另外兩個(gè)孔。

根據(jù)表1 所示數(shù)據(jù)比較得知：針對(duì)鎳基高溫合金材料難加工、難斷屑的特性，深孔鉆鏜時(shí)鉆頭轉(zhuǎn)速要低，線速度控制在30 m／ min以下，進(jìn)給要慢，進(jìn)給量控制在0.02 mm／ r，加大切削油的流量和壓力，以便斷屑，防止堵屑。深孔加工時(shí)刀具在孔里面，很難監(jiān)測(cè)到刀具的使用情況，要通過(guò)看、聽、摸等手段來(lái)判定加工狀況：看冷卻油壓表值的穩(wěn)定性，看排出來(lái)鐵屑的狀況；聽刀具鉆鏜時(shí)的切削聲音；摸鉆桿的振動(dòng)，摸冷卻油的溫度。通過(guò)深孔粗加工能快速去除材料，加工過(guò)程中監(jiān)控孔的偏斜度，用超聲波測(cè)厚儀檢測(cè)壁厚［6－7］，3 個(gè)深孔的偏移量都控制在0.5 mm之內(nèi)。

表1 粗鉆φ26 mm時(shí)不同切削參數(shù)對(duì)比

深孔鉆鏜和珩磨加工如圖4 所示。

圖4 深孔鉆鏜和珩磨加工

2.2 電火花深孔半精加工

設(shè)備選用蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司生產(chǎn)的立式三軸數(shù)控深孔電火花專用機(jī)床DK7140－3Z，機(jī)床的行程X軸420 mm，Y軸320 mm，Z軸800 mm，三軸安裝分辯率為0.5 μm的精密光柵尺，工件采用浸液式加工來(lái)實(shí)施排渣和冷卻，主軸中心有冷卻油孔，與電極桿和電極中心孔相通，便于排渣和防止積碳［8］。

首先，將工件豎立用V 型工裝固定，校正工件的基準(zhǔn)平面，定好孔的方位，裝上電極桿，裝調(diào)好電極，放電加工φ28.mm（單邊留有0.1 mm 余量），孔的深度尺寸和R2位置加工到圖紙要求，表面光潔度控制在Ra3.2，移動(dòng)坐標(biāo)，半精加工另外兩個(gè)孔。然后，放電加工φ36.mm（單邊留有0.1 mm余量），孔的深度尺寸和R2 位置加工到圖紙要求，表面光潔度控制在Ra3.2，移動(dòng)坐標(biāo)，半精加工另外兩個(gè)孔。放電參數(shù)如表2 所示［9］。

表2 液控本體單元半精加工放電參數(shù)

如圖5 所示，通過(guò)深孔電火花的放電加工工能保證3 個(gè)臺(tái)階深孔的位置度要求；能保證臺(tái)階深孔的同軸度0.05 mm的要求；能保證臺(tái)階深孔與零件軸心線平行度為0.05 mm 的要求，能保證孔的深度和孔底R(shí)2 位置成形。

圖5 電火花深孔半精加工

2.3 深孔珩磨精加工

設(shè)備還是選用山東普利森機(jī)床有限公司生產(chǎn)的數(shù)控復(fù)合深孔鉆床，型號(hào)ZK2106A／ W*2000，將深孔鉆頭換成可微調(diào)的珩磨頭即可。根據(jù)鎳基高溫合金材料在珩磨時(shí)油石易磨損和粘附堵塞、磨削比較低、磨削力大、磨削產(chǎn)生的溫度較高，表面加工硬化現(xiàn)象較嚴(yán)重等特點(diǎn)，以及孔的表面光潔度的要求，對(duì)于高溫鎳基合金的深孔珩磨優(yōu)選120＃立方氮化硼油石條［10］。通過(guò)珩磨可保證臺(tái)階孔的孔徑的尺寸精度和表面光潔度，而電火花深孔加工工序保證的臺(tái)階孔同軸度和直線度等形位精度在珩磨加工時(shí)不會(huì)受到影響。

2.4 深孔檢測(cè)

由于三坐標(biāo)檢測(cè)設(shè)備一般最大的檢測(cè)深度為400 mm左右，不能對(duì)上述深孔的尺寸做出完整的檢測(cè)報(bào)告，對(duì)于孔徑和臺(tái)階孔的同軸度還需增加其他的檢測(cè)方法，孔徑的檢測(cè)選用氣動(dòng)孔徑測(cè)量?jī)x，不僅能檢測(cè)深孔的孔徑，在測(cè)量時(shí)不會(huì)影響到孔的表面光潔度，臺(tái)階孔同軸度用高精度的臺(tái)階外圓芯棒進(jìn)行檢測(cè)，模擬生產(chǎn)裝配，臺(tái)階芯軸能通過(guò)則同軸度合格。

通過(guò)深孔鉆鏜的粗加工能快速的去除深孔的余量；通過(guò)深孔電火花的半精加工保證了深孔的均布三孔的位置度、深孔的直線度、臺(tái)階孔的深度以及孔底R(shí)2 的圓角成形；通過(guò)深孔珩磨精加工保證了各孔的孔徑和表面光潔度；通過(guò)檢測(cè)的儀器和檢測(cè)工具保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)零件鎳基高溫合金材料難加工特性，以及端面多個(gè)臺(tái)階深孔的高精度要求，通過(guò)不斷地摸索和生產(chǎn)實(shí)踐，總結(jié)出鎳基高溫合金材料臺(tái)階深孔的加工使用深孔鉆鏜、深孔電火花以及深孔珩磨的創(chuàng)新工藝方法，質(zhì)量穩(wěn)定且高效。突破了石油鉆探裝備關(guān)鍵部件液控本體單元的關(guān)鍵工序，解決了鎳基高溫合金材料端面多個(gè)圓周臺(tái)階深孔加工質(zhì)量難保證的難題。本加工工藝方案不僅為同類型的難加工材料高精度多個(gè)圓周臺(tái)階深孔加工提供了優(yōu)選方案，也為傳統(tǒng)深孔加工深孔方法無(wú)法達(dá)到加工要求時(shí)提供了新的思路。