朱小伟

徐州重型机械有限公司 江苏徐州 221004

1 序言

起重机零件中有大量单向小档距孔组结构件及拉板等，这类零件的共同特点是有几个通孔，通孔档距较小而且都在径向上，方向单一，但孔距精度要求高。由于摇臂钻床无法满足该类零件的孔距尺寸要求，因此需要在加工中心（双面镗铣加工中心、钻铣加工中心）上加工，从而导致加工时间长、制造费用过高。经探索，设计了一种用于摇臂钻床镗孔的刀具组件和镗孔工艺，可以实现以上零件在摇臂钻床进行镗孔，并且可以有效地保证孔组的孔径尺寸和几何尺寸要求。

2 关键问题

图1为滑轮架、桁架臂和拉板3种典型孔组零件。可以看出该类零件一般为焊接而成，零件中存在几个通孔结构，这些孔在径向上重合或平行，孔组有较高的孔径尺寸公差和位置尺寸要求，需要进行镗孔加工。

以图1c拉板为例，两孔的孔径尺寸为φ D+0.3+0.2mm，孔距尺寸为（L±0.2）mm。若采用摇臂钻床加工，此位置尺寸无法保证，因此传统的加工方法是在数控加工中心上加工该孔组。

为降低加工成本，提高加工效率，本文采用一种新的加工工艺，根据钻床及被加工零件特点，设计一种用于摇臂钻床镗孔的刀具组件和镗孔工艺，实现以上零件在摇臂钻床上进行镗孔。

图1 孔组零件

新工艺方法需要解决的关键问题为：零件孔组定位和钻床镗孔刀具定位。

3 解决方案

图2为摇臂钻床镗孔刀具组件，主要由摇臂钻床、定位平台、刀具快换夹头、万向楔块和专用刀具等组成。

1）在定位平台上根据结构件孔距要求使用龙门加工中心加工出定位孔，为了提高平台的利用率，定位平台可以加工出数种结构件孔距定位孔，定位孔为梯形孔，方便在定位孔安装耐磨铜套[1]。

图2 摇臂钻床镗孔刀具组件

使用加工中心根据结构件孔距尺寸加工出定位孔（见图3），实现多产品共用一块平台。定位平台上的定位孔在数控加工中心上加工，可以很好地满足孔距设计要求。为防止多次使用影响定位精度，定位孔上安装耐磨套，耐磨套与镗孔定位销和刀具导向轴配合，这样定位孔磨损后，可以通过更换耐磨套的方式保证定位精度，而不必加工新的定位平台。定位孔为梯形孔，上部有3处紧固螺纹用来固定耐磨套，平台加工的定位孔与耐磨套配合间隙≤0.02mm。

2）使用万向楔块调整平台，保证加工出定位孔的轴线与钻床的主轴轴线平行。使用加工中心加工定位孔时，在平台中部加工出十字交叉面，通过水平仪测量，然后使用工具调节万向楔块来确定定位孔的轴线与钻床的主轴轴线平行。定位平台的调节如图4所示。

图3 定位孔的加工

图4 定位平台的调节

图5为改进后的万向可调楔形块，主要由楔块母体、滑行体、升降块、圆弧块和调节螺钉组成，其工作原理为：调节螺钉与滑行体螺纹联接，通过旋转调节螺钉，可以控制滑行体左右移动，从而带动升降块上下移动；圆弧块和升降块是球面接触，当定位平台倾斜时，圆弧块能旋转至与定位平台底面接触，从而增大接触面积，保证加工过程中的定位稳定。

图5 万向可调楔形块

3）工件的定位与装夹。结构件根据定位孔装夹，为了使工件能快速定位，使用设计的镗孔定位销确定工件的位置，保证被加工的结构件各组孔的轴线与平台的定位孔轴线相对重合（偏差距离不能大于结构件被加工孔的单边加工余量），然后将工件固定在定位平台上[2]。

镗孔定位销设计为前细后粗的形式，前段与定位孔耐磨套配合，后段与零件配合。镗孔定位销前段直径为20mm，后段直径比工件毛坯孔小10mm，可以很好地保证孔的定位精度。孔组定位平台如图6所示。

图6 孔组定位平台

4）工件的加工。将钻床镗孔刀具一侧安装在与钻床主轴联接的快换夹头上，另一侧导向轴与平台定位孔的耐磨套间隙配合。根据钻床镗孔参数，选择合理的转速与进给实现镗孔加工。镗孔刀具分为粗镗刀和精镗刀，粗镗刀可以实现结构件毛坯孔大余量去除，提高镗孔效率；精镗刀可以保证孔径尺寸。

图7 摇臂钻床镗孔粗镗刀

图8 摇臂钻床镗孔精镗刀

根据孔组件摇臂钻床加工工艺要求，设计制造一套专用机械加工刀具。图7、图8分别为摇臂钻床镗孔所使用的粗镗刀、精镗刀，为满足刀具的高强度、高韧性要求，制造刀具的材料选择42CrMo材质。刀具加工完成后，对其进行调质处理，使其达到一定的疲劳极限和抗冲击能力。刀具主要包括刀柄、刀片和定位销。粗镗刀刀体上安装3个刀片，可实现最大20mm范围调节；定位销通过滚动轴承与刀体联接。精镗刀刀体上安装了调节精度可达0.01mm的精镗单元，且可实现最大2mm范围调节[3]。

镗孔过程中，粗镗刀具有不均匀孔镗削功能，粗、精镗刀均可实现范围调节螺旋下排屑技术和高速定向切削功能。镗孔时，镗刀上的定位销插入定位平台的定位孔中，实现镗孔定位。由于镗孔加工转速快，刀具所受切削力较大，同时由于摩擦作用，定位销在定位孔中旋转很容易增大刀架受力，并且容易造成磨损，因此定位销与刀体通过滚动轴承支撑，从而实现定位销相对定位平台静止，减小定位销和定位孔的磨损，并且减小刀具受力。

刀具快换夹头可以实现不同类型的钻床镗孔刀具快速更换，解决了刀具与钻床使用莫式锥柄安装更换效率低的问题。该装置使用多头螺纹快速推进夹紧刀具，可以实现刀具一定二固功能。刀具安装在快换装置上，由定位机构对刀具进行固定，然后通过扳手旋转三头螺纹，利用楔块推动固定机构对镗孔刀具进行紧固。刀具快换装置如图9所示。

图9 刀具快换装置

加工过程中镗孔刀具的导向轴与平台定位孔的耐磨套配合间隙为0.02mm，可以有效保证刀具的稳定性，从而可以保证高精度结构件的孔径尺寸和孔距尺寸。

4 现场验证

新设计的摇臂钻床镗孔刀具组件已在现场投入使用。图10为镗孔刀具定位加工过程，刀具的导向轴可以很容易地插入定位孔，实现镗孔定位，并进行后续镗削加工。钻床镗孔的结构件在加工过程中很稳定。刀具导向轴与平台定位孔耐磨套配合间隙为0.015mm，加工过程中刀具旋转稳定，粗镗排屑顺畅。

图11为加工完成后的零件检测。利用检测工具对加工完成的孔径尺寸、表面粗糙度及孔距尺寸进行测量，各数据均满足设计要求。镗孔的孔径精度可达到0.02mm，表面粗糙度值Ra＜3.2μm，孔距尺寸在0.05mm以内。

试验证明，该加工方法完全可以满足结构件设计要求，并且操作方便，降低了生产成本。目前，该加工方法已投入结构件的批量加工中。

图10 镗孔刀具定位加工

图11 加工完成后的零件检测

5 结束语

针对单向小档距孔组类零件需要在数控加工中心上加工，但制造费用过高的问题，通过研究该类零件的结构特点，设计了全新的钻床镗孔刀具及镗孔方法，打破行业单向小档距孔组结构件在数控设备上加工的模式，实现钻床镗孔，在保证加工质量的前提下降低了加工成本，也为此类孔组件的加工提供了参考依据。