CN112621128A - 一种阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工方法及刀具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工方法及加工刀具，该加工方法包括以下步骤：将待加工的圆柱形棒料固定在数控走心机床的前夹套和后夹套中，依次进行第一圆孔、第二圆孔和第二圆孔的钻孔工序，然后采用本发明的加工刀具精镗整个阶梯孔腔，加工刀具保持在前夹套最近端轴向不动，后夹套带动棒料向加工刀具一侧移动，然后加工零件外型结构，切断后完成加工。本发明同时提供了阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工刀具。本发明保证了高同轴精度孔的加工得以实现，并满足了产品高同轴度精度的技术要求。

Description

一种阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工方法及刀具
技术领域
本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工方法及刀具。
背景技术
阶梯式高精度小直径深孔类壳体(图1)的设计精度很高，难点在于如何保证最小孔径
Figure BDA0002835628430000011
加工深度18.6±0.1mm的尺寸合格。同时要求该小孔及两个阶梯孔与
Figure BDA0002835628430000012
外圆之间的同轴度保证Φ0.005mm以内。如此高的同轴度，我厂没有加工先例，在技术上很难突破。另外，由于排屑困难，冷却不到位等原因，传统的工艺策划中，里孔的加工任务多数留给二道工序。最适合的加工方法是：首道工序加工最小孔及外形尺寸，二道工序由数控车床装夹零件外圆，加工两个阶梯孔，最终完成零件的加工。但传统的加工方案并不适用于此零件的加工，因为经过二次装夹加工的孔径很难与首道工序加工的零件外圆保证高同轴度。
想要从大孔一端加工零件全部工序利用现有刀具很难实现，零件材料是不锈钢棒，加工有一定困难，如此深孔如果单纯使用钻头加工将难以保证加工要求的0.8以上的粗糙度和0.01的公差。况且如此深孔由于钻头的摆动，钻尖很难保持在中心点位置，一旦有偏移产生，随着钻孔的深入，中心会越钻越偏。所以只有钻镗结合的形式才能完成加工。而传统的镗刀的切削部位直径只能做到Ф2.4mm以下，20mm长，如此细的镗刀会因为刚性不足而产生“让刀”现象。导致直孔变成稍面孔。
因此，需要一种能够保证加工最小孔径尺寸合格并且同轴度符合要求的加工方法及加工刀具。
发明内容
本发明所解决的技术问题是针对上述问题，提出一种能够保证最小孔径
Figure BDA0002835628430000021
Figure BDA0002835628430000022
加工深度18.6±0.1mm的尺寸合格，且满足该小孔及两个阶梯孔与
Figure BDA0002835628430000023
外圆之间的同轴度保证Φ0.005mm以内的阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工方法及刀具。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工方法，该阶梯式高同轴精度小直径深孔类壳体包括壳体本体，在壳体本体内部依次同轴设有由第一圆孔和第二圆孔组成的阶梯孔，以及第三圆孔，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将待加工的圆柱形棒料固定在数控走心机床的前夹套和后夹套中，控制前夹套保持轴向不动，圆柱形棒料穿过前夹套，并与前夹套内壁贴合，后夹套夹紧圆柱形棒料并带动圆柱形棒料沿轴向移动；
(2)首先使用硬质合金麻花钻进行第一圆孔加工工步，机床转数2000转/分,进给速度0.01mm/转；
(3)然后使用硬质合金麻花钻加工第二圆孔，转数2000转/分,进给速度0.02mm/转；
(4)在已经形成的第二圆孔孔底处,使用变径硬质合金钻头继续钻第三圆孔，转数1500转/分,进给速度0.02mm/转；
(5)使用本发明的加工刀具精镗整个阶梯孔腔，加工刀具保持在前夹套最近端轴向不动，后夹套带动棒料向加工刀具一侧移动，加工刀具转数1500转/分,进给速度0.01mm/转；
(6)后夹套带动棒料向加工刀具一侧移动，实现刀具退出动作；
(7)外圆刀调至加工刀位，加工零件外型结构，转数2000转/分,进给速度0.02mm/转；
(8)机床副轴夹紧零件前端外圆辅助切断,避免切断后零件脱落与机床产生碰伤，然后竖直向下进刀，完成切断，副轴携带零件返回，并将零件至于收集盒内完成加工。
进一步地，在所述步骤(2)、(3)、(4)粗加工第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔后，单边预留0.1mm切削量。
进一步地，所述步骤(5)加工刀具刀尖处于前夹套前端约1㎜处进行镗削加工。
一种阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工刀具，该加工刀具包括同轴设置且一体成型的刀柄、刀杆和刀片，所述刀柄为由第一圆柱体和第二圆柱体组成的阶梯圆柱体型，刀杆为圆柱体型，刀杆的前端为刀片，刀杆与刀片的连接处设有过渡斜面，所述刀片包括前刀面、主切削刃、副切削刃，所述前刀面的前边沿为直线型的主切削刃，前刀面的上方设有向外侧凸出的直线型副切削刃，主切削刃的顶端与副切削刃的前端相交，所述主切削刃与垂直面之间的夹角α为5°，所述主切削刃的主偏角β为95°，前角λ和后角θ均为7°，所述副切削刃的副偏角δ为2°，
进一步地，所述第一圆柱体的直径D1大于第二圆柱体的直径D2，第二圆柱体的直径D2大于刀杆的直径D3。
进一步地，所述第一圆柱体的直径D1为4mm，第二圆柱体的直径D2为3.75±0.01mm，刀杆的直径D3为2.19mm～2.20mm。
进一步地，所述第一圆柱体的轴向长度L1为20mm±0.2mm，第二圆柱体的轴向长度L2为2.5mm～2.7mm，刀杆末端面与刀片主切削刃和副切削刃相交处所在垂直面之间的距离L3为8.5mm～8.8mm，所述前刀面的轴向长度L4为3.0～3.3mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过分析孔腔内部阶梯式结构，自主设计出阶梯式镗刀，加工刀具的刀柄为阶梯式，有效避免切削时干涉的同时最大程度上增强了镗刀的刚性。同时，刀具采用较大前角的形式，减小了切削变形及切削力，进一步保证了镗削加工的平稳性，使其可以承受更大的切削扭矩，而不产生弯曲、颤动现象，保证了高同轴精度孔的加工得以实现，并满足了产品高同轴度精度的技术要求。
(2)本发明采用一次装夹加工零件全部工序的工艺方法，保证了高尺寸精度的同时，更保证了高同轴度要求。本发明采用走心机床进行车削，车削加工是回转体加工，当机床夹紧材料旋转时，旋转的中心点随即产生，此时对材料实施的所有车削加工都是围绕同一个旋转中心点进行的。所以装夹零件后车削外圆和镗削里孔，回转中心都是不变的。所加工的零件自然会保证高同轴度。同时与普通车削设备相比，走心机床是将材料从主轴通孔穿过，弹簧夹头自动夹紧棒料。走心机不需要事先悬伸出材料，切削时刀具永远在主轴前夹套最近的位置切削。该位置是材料刚性最好的位置，始终在刚性最好的位置切削，进一步保证了零件的高同轴度要求。本发明不需要借助高、精、尖设备即可完成加工。成本较低，效果显著。本发明的加工方法和加工刀具能够保证最小孔径
Figure BDA0002835628430000041
加工深度18.6±0.1mm的尺寸合格，且满足该小孔及两个阶梯孔与
Figure BDA0002835628430000042
外圆之间的同轴度保证Φ0.005mm以内。
附图说明
图1是本发明实施例加工的阶梯式高同轴精度小直径深孔类壳体的结构示意图；
图2是本发明圆柱型棒料的加工示意图；
图3是本发明的加工刀具结构示意图；
图4是本发明的加工刀具的前角和后角的结构示意图；
图5是本发明的加工刀具使用示意图；
图中：
1-壳体本体；2-第一圆孔；3-第二圆孔；4-第三圆孔；5-前夹套；6-后夹套；7-圆柱型棒料；8-加工刀具；81-刀柄；811-第一圆柱体；812-第二圆柱体；82-刀杆；821-过渡斜面；83-刀片；831-前刀面；832-主切削刃；833-副切削刃；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参照图1，本发明预加工的阶梯式高同轴精度小直径深孔类壳体的结构如图1所示，包括壳体本体1，在壳体本体1内部依次同轴设有由第一圆孔2和第二圆孔3组成的阶梯孔，以及第三圆孔4，所述第一圆孔2的孔径为
Figure BDA0002835628430000051
第二圆孔3的孔径为
Figure BDA0002835628430000052
第三圆孔4的孔径为
Figure BDA0002835628430000053
壳体本体的轴向长度L5为18.6±0.1mm。
参照图2，本发明提供一种阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工方法，该方法包括以下步骤：
(1)将待加工的圆柱形棒料7固定在数控走心机床的前夹套5和后夹套6中，控制前夹套5保持轴向不动，圆柱形棒料7穿过前夹套5，并与前夹套5内壁贴合，后夹套6夹紧圆柱形棒料7并带动圆柱形棒料7沿轴向移动；
(2)首先使用Φ4.8mm硬质合金麻花钻进行第一圆孔2加工工步，机床转数2000转/分,进给速度0.01mm/转；
(3)然后使用Φ4.8mm硬质合金麻花钻加工第二圆孔3，转数2000转/分,进给速度0.02mm/转,加工深度10.5mm；
(4)在已经形成的第二圆孔3孔底处,使用φ2.4mm变径硬质合金钻头继续钻第三圆孔4，转数1500转/分,进给速度0.02mm/转,加工深度19.5mm；
(5)使用本发明的加工刀具8(阶梯式合金镗刀)精镗整个阶梯孔腔，加工刀具8保持在前夹套5最近端轴向不动，后夹套6带动棒料向加工刀具8一侧移动，加工刀具转数1500转/分,进给速度0.01mm/转；加工后第一圆孔2的孔径为
Figure BDA0002835628430000061
第二圆孔3的孔径为
Figure BDA0002835628430000062
第三圆孔4的孔径为
Figure BDA0002835628430000063
Figure BDA0002835628430000064
(6)后夹套6带动棒料向右移动，实现刀具退出动作；
(7)外圆刀调至加工刀位，加工零件外型结构，转数2000转/分,进给速度0.02mm/转；
(8)机床副轴夹紧零件前端外圆辅助切断,避免切断后零件脱落与机床产生碰伤，然后竖直向下进刀，完成切断，切断后壳体本体的轴向长度L5为18.6±0.1mm，副轴携带零件返回，并将零件至于收集盒内完成加工。
在所述步骤(2)、(3)、(4)粗加工第一圆孔2、第二圆孔3和第三圆孔4后，单边预留0.1mm切削量。
所述步骤(5)加工刀具刀尖处于前夹套5前端约1㎜处进行镗削加工。
一种阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工刀具，该加工刀具包括同轴设置且一体成型的刀柄81、刀杆82和刀片83，所述刀柄81为由第一圆柱体811和第二圆柱体812组成的阶梯圆柱体型，刀杆82为圆柱体型，刀杆82的前端为刀片83，刀杆82与刀片83的连接处设有过渡斜面821，所述刀片83包括前刀面831、主切削刃832、副切削刃833，所述前刀面831的前边沿为直线型的主切削刃832，前刀面831的上方设有向外侧凸出的直线型副切削刃833，主切削刃832的顶端与副切削刃833的前端相交，所述主切削刃832与垂直面之间的夹角α为5°，所述主切削刃832的主偏角β为95°，前角λ和后角θ均为7°，所述副切削刃833的副偏角δ为2°，
所述第一圆柱体811的直径D1大于第二圆柱体812的直径D2，第二圆柱体812的直径D2大于刀杆82的直径D3。
所述第一圆柱体811的直径D1为4mm，第二圆柱体812的直径D2为3.75±0.01mm，刀杆的直径D3为2.19mm～2.20mm。
所述第一圆柱体811的轴向长度L1为20mm±0.2mm，第二圆柱体812的轴向长度L2为2.5mm～2.7mm，刀杆82末端面与刀片83主切削刃832和副切削刃833相交处所在垂直面之间的距离L3为8.5mm～8.8mm，所述前刀面831的轴向长度L4为3.0～3.3mm。
加工刀具的刀柄81的阶梯式结构，与壳体本体1的阶梯式内腔结构相匹配。随着切削的深入，刀具与孔壁之间形成单边0.2㎜空隙用于排屑(如图5所示)，孔内其余部位均被刀具填满，最大程度上保证了镗刀的刚性，同时避免了刀柄81过粗造成干涉的难题。
本发明的工作原理：加工刀具的改进方面，内孔的加工我们选择先钻底孔,后精镗的方式。而由于钻头钻孔后,会有少量的中心偏移,而镗削加工属于单边切削形式的加工,对于有略微偏移的中心孔起到了修正作用。但镗小孔的销刀刚性不足,容易让刀,需要设计刚性更足的镗刀，来弥补这一缺点，本发明的加工刀具有效避免切削时干涉的同时最大程度上增强了镗刀的刚性。同时，刀具采用较大前角的形式，减小了切削变形及切削力，进一步保证了镗削加工的平稳性，使其可以承受更大的切削扭矩，而不产生弯曲、颤动现象，保证了高同轴精度孔的加工得以实现，并满足了产品高同轴度精度的技术要求。
本发明采用一次装夹加工零件全部工序的工艺方法，保证了高尺寸精度的同时，更保证了高同轴度要求。本发明采用走心机床进行车削，车削加工是回转体加工，当机床夹紧材料旋转时，旋转的中心点随即产生，此时对材料实施的所有车削加工都是围绕同一个旋转中心点进行的。所以装夹零件后车削外圆和镗削里孔，回转中心都是不变的。所加工的零件自然会保证高同轴度。同时与普通车削设备相比，走心机床是将材料从主轴通孔穿过，弹簧夹头自动夹紧棒料。走心机不需要事先悬伸出材料，切削时刀具永远在主轴前夹套最近的位置切削。该位置是材料刚性最好的位置，始终在刚性最好的位置切削，进一步保证了零件的高同轴度要求。
本发明所用的数控走心机设备采用的是韩华公司的数控纵切加工中心，型号:XP12。
本发明解决了现有技术中多工序加工零件产生定位误差而无法满足产品较高同轴度要求的缺点，通过设计加工刀具、利用精密走心式机床车削加工零件，采用一次装夹加工零件全部工序的工艺方法。保证了高尺寸精度的同时，更保证了高同轴度要求。本发明加工的壳体能够保证最小孔径
Figure BDA0002835628430000081
加工深度18.6±0.1mm的尺寸合格，且满足该小孔及两个阶梯孔与
Figure BDA0002835628430000082
外圆之间的同轴度保证Φ0.005mm以内。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工方法，该阶梯式高同轴精度小直径深孔类壳体包括壳体本体，在壳体本体内部依次同轴设有由第一圆孔和第二圆孔组成的阶梯孔，以及第三圆孔，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)将待加工的圆柱形棒料固定在数控走心机床的前夹套和后夹套中，控制前夹套保持轴向不动，圆柱形棒料穿过前夹套，并与前夹套内壁贴合，后夹套夹紧圆柱形棒料并带动圆柱形棒料沿轴向移动；
(2)首先使用硬质合金麻花钻进行第一圆孔加工工步，机床转数2000转/分,进给速度0.01mm/转；
(3)然后使用硬质合金麻花钻加工第二圆孔，转数2000转/分,进给速度0.02mm/转；
(4)在已经形成的第二圆孔孔底处,使用变径硬质合金钻头继续钻第三圆孔，转数1500转/分,进给速度0.02mm/转；
(5)使用本发明的加工刀具精镗整个阶梯孔腔，加工刀具保持在前夹套最近端轴向不动，后夹套带动棒料向加工刀具一侧移动，加工刀具转数1500转/分,进给速度0.01mm/转；
(6)后夹套带动棒料向加工刀具一侧移动，实现刀具退出动作；
(7)外圆刀调至加工刀位，加工零件外型结构，转数2000转/分,进给速度0.02mm/转；
(8)机床副轴夹紧零件前端外圆辅助切断,避免切断后零件脱落与机床产生碰伤，然后竖直向下进刀，完成切断，副轴携带零件返回，并将零件至于收集盒内完成加工。
2.如权利要求1所述的一种阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工方法，其特征在于，在所述步骤(2)、(3)、(4)粗加工第一圆孔、第二圆孔和第三圆孔后，单边预留0.1mm切削量。
3.如权利要求1所述的一种阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工方法，其特征在于，所述步骤(5)加工刀具刀尖处于前夹套前端约1㎜处进行镗削加工。
4.如权利要求1-3任意一项所述的一种阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工刀具，其特征在于，该加工刀具包括同轴设置且一体成型的刀柄、刀杆和刀片，所述刀柄为由第一圆柱体和第二圆柱体组成的阶梯圆柱体型，刀杆为圆柱体型，刀杆的前端为刀片，刀杆与刀片的连接处设有过渡斜面，所述刀片包括前刀面、主切削刃、副切削刃，所述前刀面的前边沿为直线型的主切削刃，前刀面的上方设有向外侧凸出的直线型副切削刃，主切削刃的顶端与副切削刃的前端相交，所述主切削刃与垂直面之间的夹角α为5°，所述主切削刃的主偏角β为95°，前角λ和后角θ均为7°，所述副切削刃的副偏角δ为2°。
5.如权利要求4所述的一种阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工刀具，其特征在于，所述第一圆柱体的直径D1大于第二圆柱体的直径D2，第二圆柱体的直径D2大于刀杆的直径D3。
6.如权利要求4所述的一种阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工刀具，其特征在于，所述第一圆柱体的直径D1为4mm，第二圆柱体的直径D2为3.75±0.01mm，刀杆的直径D3为2.19mm～2.20mm。
7.如权利要求4所述的一种阶梯式高精度小直径深孔类壳体的加工刀具，其特征在于，所述第一圆柱体的轴向长度L1为20mm±0.2mm，第二圆柱体的轴向长度L2为2.5mm～2.7mm，刀杆末端面与刀片主切削刃和副切削刃相交处所在垂直面之间的距离L3为8.5mm～8.8mm，所述前刀面的轴向长度L4为3.0～3.3mm。
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