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淺談機(jī)加工過程中孔喇叭問題的解決方案

2010年10月09日 22:54點擊：6987作者：蘇州中航長風(fēng)數(shù)控科技有限公司來源：蘇州中航長風(fēng)數(shù)控科技有限公司>>進(jìn)入該公司展臺

淺談機(jī)加工過程中孔喇叭問題的解決方案

目前，大多數(shù)工件在電加工過程中，當(dāng)現(xiàn)行的過程控制措施滿足不了孔加工要求時，其存在的失效原因往往會造成加工孔的一些失效模式出現(xiàn)，孔在加工中出現(xiàn)喇叭口就是孔的一種失效模式。

喇叭口類別

要判斷加工孔出現(xiàn)了喇叭口其孔是否失效，首先要了解喇叭口的幾種類別，根據(jù)喇叭口的大端和小端的尺寸，孔的喇叭口有下面四種組合：喇叭口孔的大徑和小徑都在加工孔徑的允許值范圍；喇叭口孔的大徑和小徑都超出了加工孔徑的允許值范圍；喇叭口孔的大徑超出了加工孔徑的允許值范圍；喇叭口孔的小徑超出了加工孔徑的允許值范圍。
依據(jù)加工工藝要求，零件的加工孔徑允許值一旦超差，該加工件即屬于不合格件，所以我們需要分析的只是“喇叭口孔的大徑和小徑都在加工孔徑的允許值范圍”這一加工孔的失效后果，其余三種超差情況不需要考慮。

喇叭口的失效后果

    加工孔出現(xiàn)喇叭口，其錐度多大屬于不允許，這是一個比較難定的尺度。在實際生產(chǎn)中，喇叭口的前后孔徑數(shù)據(jù)差異值多少允許，多少不允許，目前也沒有一個比較的標(biāo)準(zhǔn)可循。在現(xiàn)有形位公差當(dāng)中沒有喇叭口這個形狀元素，但有一些加工孔本身有圓柱度要求，這時加工孔假如產(chǎn)生喇叭口現(xiàn)象我們就可以用圓柱度的要求來參考其是否允許：孔的喇叭口形狀直接影響到圓柱度的實際值大小，其喇叭口的數(shù)值一旦超過了圓柱度允許值，那該加工件已成廢品（圓柱度超差）。這只是一種判斷加工孔出現(xiàn)喇叭口是否允許的特例，實際加工過程中很多喇叭口的孔還是沒有參考依據(jù)來判別，但是其失效后果是肯定存在的。
    （1）配合上的失效后果
    孔與軸的不同配合特性決定了喇叭口孔的失效后果。過盈配合、間隙配合和過渡配合，三種配合過程中都會因孔的喇叭口錐度大小而出現(xiàn)一些不相同的失效后果。
    間隙配合：其失效后果一是運動之間的配合效果變差，加快運動件的疲勞損壞。如活塞環(huán)在有喇叭口的缸孔中上下運動，這樣活塞環(huán)的直徑就一直在上下變化，不斷的直徑變化導(dǎo)致活塞環(huán)過早出現(xiàn)疲勞損壞；二是造成運動件的磨損程度不一樣，如氣門導(dǎo)桿在導(dǎo)管孔中上下運動，由于導(dǎo)桿的配合孔——導(dǎo)管孔是喇叭口孔，這樣造成導(dǎo)桿的直徑在喇叭口小徑處的配合出現(xiàn)提前磨損，而大徑處的導(dǎo)桿直徑?jīng)]有明顯磨損，使整個導(dǎo)桿長度上面的直徑不均衡，zui終造成運動件的擺動幅度上升，影響到氣門的密封等失效后果出現(xiàn)。
    過盈配合：整體配合過盈量的不均衡造成應(yīng)該均衡的過盈狀態(tài)變成過盈不均衡的局部出現(xiàn)變化趨勢；影響悶蓋裝配以后的膠水粘接劑的滯留均衡等。
    過渡配合：兩者之間的一些近似失效后果的出現(xiàn)。
    （2）工藝上的潛在失效后果
    加工孔出現(xiàn)喇叭口，不僅是精加工孔的喇叭口有失效后果，同樣半精加工孔出現(xiàn)喇叭口也會影響到后道加工孔，當(dāng)zui終的精加工難以消除前道產(chǎn)生的喇叭口現(xiàn)象時，zui終加工孔仍可能出現(xiàn)喇叭口缺陷。
喇叭口形成的原因

    加工孔出現(xiàn)喇叭口可從多方面來考慮其原因，如工藝、刀具、設(shè)備、毛坯和冷卻液等。
    （1）工藝
    工藝上的原因造成加工孔出現(xiàn)喇叭口，如前道工序沒有消除孔的喇叭口，影響到zui終加工；導(dǎo)向孔/鉆套與刀具的徑向間隙偏大導(dǎo)致產(chǎn)生喇叭口；切削參數(shù)不合理，產(chǎn)生的切削熱變化大，導(dǎo)致加工孔壁的受熱程度不一樣造成喇叭口出現(xiàn)等，所以工藝上如果沒有考慮到上個工步對下一工步的影響程度，那往往會存在潛在失效的風(fēng)險。
    （2）刀具
    刀桿剛性差；刀具直徑本身存在順錐；刀具的夾持精度下降；刀具的刃口跳動大；刀具安裝中心線不重合或振動；刀具的刀桿彎曲；刀具的切削角度不合理等,這些缺陷都可能是加工孔出現(xiàn)喇叭口的原因。
    當(dāng)?shù)毒邌我淮嬖谏厦娴囊恍┦г驎r會引起加工孔出現(xiàn)喇叭口，這只是一種比較簡單的說法。“刀桿剛性差”會導(dǎo)致加工孔出現(xiàn)喇叭口，其實這也需在某些條件的組合下才能形成。當(dāng)鏜桿剛性較差時，高速旋轉(zhuǎn)中其鏜桿的頭部離心力較大，這時刀桿頭部就會出現(xiàn)擺動量。鏜桿上面有一個刀片時，因刀片在鏜桿圓周的布局位置不同，刀片在有些位置時加工可能出現(xiàn)喇叭口，而在有些位置時加工就不一定會出現(xiàn)喇叭口。
    我們以“刀桿剛性差”來分析，當(dāng)一些重要孔加工時，在有位置度、圓度和直線度等較高要求時，一種方式是采用輔助支持的加工方式，即加工整個孔時使用鉆套/引導(dǎo)孔來輔助加工；另一種加工方式是沒有鉆套，也沒有引導(dǎo)孔，刀具直接加工孔。采用上面兩種方式來加工孔，假如鏜把擺動量存在，那喇叭口可能會以不同形式出現(xiàn)。在鉆套/引導(dǎo)孔下加工孔，假如出現(xiàn)喇叭口一般是倒喇叭口；如果刀具直接加工孔，出現(xiàn)的喇叭口一般是順喇叭口。
    孔的倒喇叭口形成：當(dāng)加工孔是在鉆套/引導(dǎo)孔的輔助支持下來進(jìn)行時，刀桿因剛性差在高速旋轉(zhuǎn)中存在一定的擺動量，在進(jìn)入鉆套/引導(dǎo)孔以后其擺動量受到鉆套孔壁/引導(dǎo)孔孔壁的限制（即刀桿擺動量縮小），刀具導(dǎo)條對孔壁的間隙因擺動量的存在而出現(xiàn)單邊消除，這時刀桿頭部偏向一邊，刀具在刀柄上的安裝根部與已加工孔壁出現(xiàn)一個與主軸軸線的傾斜角度，刀具隨著這一傾斜的回轉(zhuǎn)幅度深入加工孔壁，直至加工孔的孔徑達(dá)到刀桿的zui大擺動量；假如這時加工孔還需要繼續(xù)加工下去，那加工孔徑一直在刀桿的zui大擺動量下進(jìn)行，即出現(xiàn)一部分是倒喇叭口、一部分是圓柱孔的情況。
    一刃口鏜桿在這種情況下形成喇叭口，多齒鏜桿剛性差時同樣會有這種情況出現(xiàn)。刀桿的剛性差會出現(xiàn)喇叭口，刀桿的剛性好同樣會出現(xiàn)喇叭口。如前面工藝原因造成孔壁受熱不均衡而出現(xiàn)的收縮差異形成喇叭口。
    （3）設(shè)備
    設(shè)備的一些失效也是加工孔出現(xiàn)喇叭口的原因之一，如主軸的振動加??；數(shù)控車床上刀具的進(jìn)給方向與工件的回轉(zhuǎn)軸線不平行，刀尖與回轉(zhuǎn)零件的中心不等高；另外輔助件的失效，如鉆套的嚴(yán)重磨損導(dǎo)致加工刀具的定心作用下降而出現(xiàn)擺動量上升等。
    （4）毛坯
    加工孔的孔壁上下差異大（圓臺狀），刀具一旦鈍化，加工結(jié)束孔壁的回彈量出現(xiàn)差異而形成喇叭口；孔壁的材料上下疏松程度不一樣，導(dǎo)致加工過程中孔壁的回彈量越來越大，而形成喇叭口。
    （5）冷卻液
    加工過程中孔壁受到的熱量及刀具產(chǎn)生的熱量出現(xiàn)不均衡時，其孔壁受熱的擴(kuò)張量也不一樣，如加工通孔時的冷卻液對刀具及孔壁的冷卻效果沒有加工盲孔時好，這樣一旦加工過程中刀具產(chǎn)生的熱量變化較大時，加工孔尾與加工孔口的孔壁受熱也會不一樣，易導(dǎo)致加工孔出現(xiàn)喇叭口。
喇叭口現(xiàn)象的消除方法

    對于加工孔的喇叭口，我們需根據(jù)了解到的失效模式及分析的后果、產(chǎn)生的原因來對癥下藥，消除喇叭口的出現(xiàn)，具體可從下面幾個方面來嘗試解決。
    （1）工藝
    加工孔在工藝上的前后工序/工步安排、切削參數(shù)等不合理時都有引起加工孔出現(xiàn)喇叭口的可能,如切削參數(shù)就沒有一成不變的使用規(guī)定。實際生產(chǎn)中，原先正常使用的切削參數(shù)zui近不能夠有效滿足加工要求就是一例，其變化點是毛坯供應(yīng)商的鑄造批次或是新的毛坯鑄造供應(yīng)商提供的毛坯件而導(dǎo)致加工孔出現(xiàn)了喇叭口。例如，某缸體專機(jī)線的缸體水泵套孔加工后出現(xiàn)了喇叭口及刀具壽命達(dá)不到設(shè)定要求。水泵套孔直徑為29.72+0.05mm，孔況是通孔，喇叭口嚴(yán)重時的前后直徑相差0.01～0.02mm，刀具使用壽命從1800件下降到800件。加工該孔的相關(guān)信息：刀具：硬質(zhì)合金鉸刀；轉(zhuǎn)速：225r/min；進(jìn)給速度：100mm/min；每齒進(jìn)給：0.056mm/z；刀具齒數(shù)：8。因為是專機(jī)線，主軸轉(zhuǎn)速沒法調(diào)整，所以我們嘗試通過修改進(jìn)給量來解決喇叭口現(xiàn)象。修改后的每齒進(jìn)給提高到0.10mm/z。通過調(diào)整鉸刀的每齒進(jìn)給量，zui后消除了喇叭口現(xiàn)象，恢復(fù)了以前的刀具壽命，即由800件左右恢復(fù)到1800件。
    上例的原因分析：由于鑄造毛坯的差異，材質(zhì)的硬度比以前有所上升，但符合圖紙要求。這種工況下鉸刀鋒利時加工喇叭口幾乎沒有，但是隨著加工數(shù)量的上升，喇叭口漸漸變得越來越明顯。刀具因進(jìn)給量比較小，面對較硬材料刃口的加工，實際是磨削加工替代了以前的正常切削加工。因此，刀具的磨損加快，刀具加工過程中產(chǎn)生的熱量快速上升。兩方面的原因造成加工孔出現(xiàn)喇叭口現(xiàn)象：加工孔口與加工孔尾這一過程中的磨損出現(xiàn)變化，導(dǎo)致加工時對孔壁的擠壓力出現(xiàn)變化；加工過程中的孔壁產(chǎn)生熱量變化，加工結(jié)束孔壁就出現(xiàn)不同的收縮，因加工孔口與加工孔尾所產(chǎn)生的受熱程度不一樣，故孔壁的收縮量也不一樣。而當(dāng)每齒的進(jìn)給量提高以后，刀具加工孔的實際切削長度縮短，產(chǎn)生的熱量也趨于平衡，這樣加工孔壁受到的擠壓和孔壁受熱影響的變化程度下降，zui后使加工孔的喇叭口現(xiàn)象消除和刀具壽命大大提高。
    （2）刀具
    刀具是造成喇叭口出現(xiàn)的主要原因之一，因此通過刀具來消除加工孔的喇叭口現(xiàn)象，可以根據(jù)刀具的失效原因來對癥下藥，具體可從多方面來實施。
    ①鏜桿的剛性滿足：鏜把在設(shè)計時就注意其強(qiáng)度，選擇合適的鏜桿材料滿足加工中的擺動在zui小化；
    ②正確的切削角度：如當(dāng)毛坯的孔壁厚度不均衡狀所帶來的孔壁回彈量存在差異時，選擇75～90的主偏角，降低刀具對孔壁的徑向擠壓力，可避免喇叭口的缺陷；
    ③使用合理的壽命：刀具刃口設(shè)定合理的使用壽命值，保證其切削加工中的鋒利性，消除因刀具鈍化而產(chǎn)生的孔壁擠壓與受熱不均衡缺陷；
    ④注意操作的細(xì)節(jié)：操作工在調(diào)整刀具時，注意各方面的細(xì)節(jié)，如刀具夾持精度的保障、修磨的刃口跳動以及順錐情況的控制等。
    （3）設(shè)備
    做好設(shè)備的日常維護(hù)保養(yǎng)，如定期進(jìn)行主軸的振動測試；定期檢查設(shè)備的輔助裝置；前后工序的位置度保障等。
    （4）毛坯
    毛坯的加工孔周邊上下余量差異大，對于這種缺陷可以讓毛坯供應(yīng)商在符合毛坯圖紙的前提下，盡量在孔壁薄處增加厚度，這樣可以減少加工孔壁的變形。在毛坯改變不了的前提下，可以通過改變刀具的主偏角、合理設(shè)定刀具使用壽命或選擇更鋒利的刀具來滿足加工要求。
    （5）冷卻液
    孔加工過程中出現(xiàn)較高的切削熱時，這時冷卻液的壓力盡可能選擇zui大，使加工中的散熱充分，保證刀具刃口、加工孔壁的快速冷卻。但當(dāng)加工設(shè)備的冷卻液壓力提不上去時，這時我們可以選擇減少刀齒數(shù)的方法來優(yōu)化每齒的冷卻程度，如鉸刀的8刃降為6刃，通過降低齒數(shù)，選擇保持每齒進(jìn)給量（當(dāng)工序加工節(jié)拍不影響前提下）或提高進(jìn)給量來消除因孔壁受熱過高而引起的喇叭口現(xiàn)象。

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