箱体孔系加工及常用工艺装备（中）_加工基础_基础知识_文章

二、箱体孔系加工精度分析

（一）镗杆受力变形的影响

镗杆受力变形是影响镗孔加工质量的主要原因之一。尤其当镗杆与主轴刚性联接采用悬臂镗孔时，镗杆的受力变形最为严重，现以此为例进行分析。

悬臂镗杆在镗孔过程中，受到时切削力矩M、切削力Fr及镗杆自重G的作用，如图8-46、8-47所示，切削力矩M使镗杆产生弹性扭曲，主要影响工件的表面精糙度和刀具的寿命；切削力Fr和自重G使镗杆产生弹性弯曲(挠曲变形)，对孔系加工精度的影响严重，下面分析Fr和G的影响。

1．由切削力Fr所产生的挠曲变形

作用在镗杆上的切削力Fr，随着镗杆的旋转不断地改变方向，由此而引起的镗杆的挠曲变形也不断地改变方向，如图8-46所示，使镗杆的中心偏离了原来的理想中心。由图可见，当切削力大小不变时刀尖的运动轨迹仍然呈正圆，只不过所镗出孔的直径比刀具调整尺减少了2fF，fF的大小与切削力Fr和镗杆的伸出长度有关，Fr愈大或镗杆伸出愈长，则fF就愈大。但应该指出，在实际生产中由于实际加工余量的变化和材质的不匀，切削力Fr是变化的，因此刀尖运动轨迹不可能是正圆。同理，在被加工孔的轴线方向上，由于加工余量和材质的不匀，或者采用镗杆进给时，镗杆的挠曲变形也是变化的。

2．镗杆自重G所产生的挠曲变形

镗杆自重G在镗孔过程中，其大小和方向不变。因此，由它所产生的镗杆挠曲变形fG的方向也不变。高速镗削时，由于陀螺效应，自重所产生的挠曲变形很小；低速精镗时，自重对镗杆的作用相当于均布载荷作用在悬臂梁上，使镗杆实际回转中心始终低于理想回转中心一个fG值。G愈大或镗杆悬伸愈长，则fG愈大，如图8-47所示。

3．镗杆在自重G和切削力Fr共同作用下的挠曲变形

事实上，镗杆在每一瞬间所产生的挠曲变形，是切削力Fr和自重G所产生的挠曲变形的合成。可见，在Fr和G的综合作用下，镗杆的实际回转中心偏离了理想回转中心。由于材质匀、加工余量的变化、切削用量的不一，以及镗杆伸出长度的变化，使镗杆的实际回转中心孔过程中作无规律的变化，从而引起了孔系加工的各种误差；对同一孔的加工，引起圆柱差；对同轴孔系引起同轴度误差；对平行孔系引起孔距误差和平行度误差。粗加工时，切切削力大，这种影响比较显著；精加工时，切削力小，这种影响也就比较小。

从以上分析可知：镗杆在自重和切削力作用下的挠曲变形，对孔的几何形状精度和相互位度都有显著的影响。因此，在镗孔中必须十分注意提高镗杆的刚度，一般可采取下列措施：第一尽可能加粗镗杆直径和减少悬伸长度；第二，采用导向装置，使镗杆的挠曲变形得以约束。此外，也可通过减小镗杆自重和减小切削力对挠曲变形的影响来提高孔系加工精度。对镗杆直径较大时(?80mm以上)，应加工成空心，以减轻重量；合理选择定位基准，使加工余量均匀；精加工时采用较小的切削用量，并使加工各孔所用的切削用量基本一致，以减小切削力影响。

（二）镗杆与导向套的精度及配合间隙的影响

采用导向装置或镗模镗孔时，镗杆由导套支承，镗杆的刚度较悬臂镗时大大提高。此时，与导套的几何形状精度及其相互的配合间隙，将成为影响孔系加工精度的主要因素之一，现分析如下。

由于镗杆与导套之间存在着一定的配合间隙，在镗孔过程中，当切削力Fr大于自重G时，刀具不管处在任何切削位置，切削力都可以推动镗杆紧靠在与切削位置相反的导套内表面这样，随着镗杆的旋转，镗杆表面以一固定部位沿导套的整个内圆表面滑动。因此，导套的圆度误差将引起被加工孔的圆度误差，而镗杆的圆度误差对被加工孔的圆度没有影响。

精镗时，切削力很小，通常Fr<G，切削力Fr不能抬起镗杆。随着镗杆的旋转，镗杆轴颈以不同部位沿导套内孔的下方摆动，如图8-48所示。显然，刀尖运动轨迹为一个圆心低于导套中心的非正圆，直接造成了被加工孔的圆度误差；此时，镗杆与导套的圆度误差也将反映到被加工孔上而引起圆度误差。当加工余量与材质不匀或切削用量选取不一样时，使切削力发生变化，引起镗杆在导套内孔下方的摆幅也不断变化。这种变化对同一孔的加工，可能引起圆柱度误差，对不同孔的加工，可能引起相互位置的误差和孔距误差。所引起的这些误差的大小与导套和镗杆的配合间隙有关：配合间隙愈大，在切削力作用下，镗杆的摆动范围愈大所引起的误差也就愈大。

综上所述，在有导向装置的镗孔中，为了保证孔系加工质量，除了要保证镗杆与导套本身必须具有较高的几何形状精度外，尤其要注意合理地选择导向方式和保持镗杆与导套合理的配合间隙，在采用前后双导向支承时，应使前后导向的配合间隙一致。此外，由于这种影响还与切削力的大小和变化有关，因此在工艺上应如前所述，注意合理选择定位基准和切削用量，精加工时，应适当增加走刀次数，以保持切削力的稳定和尽量减少切削力的影响。

（三）机床进给运动方式的影响

镗孔时常有两种进给方式：由镗杆直接进给；由工作台在机床导轨上进给。进给方式对孔系加工精度的影响与镗孔方式有关，当镗杆与机床主轴浮动联接采用镗模镗孔时，进给方式对孔系加工精度无明显的影响；而采用镗杆与主轴刚性联接悬臂镗孔时，进给方式对孔系加工精度有较大的影响。

悬臂镗孔时，若以镗杆直接进给，如图8-49a所示，在镗孔过程中随着镗杆的不断伸长，刀尖处的挠曲变形量愈来愈大，使被加工孔愈来愈小，造成圆柱度误差；同理，若用镗杆直接进给加工同轴线上的各孔，则造成同轴度误差。反之，若镗杆伸出长度不变，而以工作台进给，如图8-49b所示，在镗孔过程中，刀尖处的挠度值不变(假定切削力不变)。因此，镗杆的挠曲变形对被加工孔的几何形状精度和孔系的相互位置精度均无影响。

但是，当用工作台进给时，机床导轨的直线度误差会使被加工孔产生圆柱度误差，使同轴线上的孔产生同轴度误差。机床导轨与主轴轴线的平行度误差，使被加工孔产生圆度误差，如图8-50所示。在垂直于镗杆旋转轴线的截面A—A内，被加工孔是正圆；而在垂直于进给方向的截面B—B内，被加工孔为椭圆。不过所产生圆度误差在一般情况下是极其微小的，可以忽略不计。例如当机床导轨与主轴轴线在100mm长上倾斜1 mm，对直径为100 mm的被加工孔，所产生的圆度误差仅为0.005 mm。此外，工作台与床身导轨的配合间隙对孔系加工精度也有一定影响，因为当工作台作正、反向进给时，通常是以不同部位与导轨接触的，这样，工作台就会随着进给方向的改变而发生偏摆，间隙愈大，工作台愈重，其偏摆量愈大。

因此，当镗同轴孔系时，会产生同轴度误差；镗相邻孔系时，则会产生孔距误差和平行度误差。

比较以上两种进给方式，在悬臂镗孔中，镗杆的挠曲变形较难控制，而机床的工作台进给，并采用合理的操作方式，比镗杆进给较易保证孔系的加工质量。因此，在一般的悬臂镗孔中，特别是当孔深大于200mm时，大都采用工作台进给，但当加工大型箱体时，镗杆的刚度好，而用工作台进给十分沉重，易产生爬行，反而不如镗杆直接进给较快，此时宜用镗杆进给；另外，当孔深小于200mm时，镗杆悬伸短，也可直接采用镗杆进给。

三、镗夹具

镗床夹具又称镗模，是一种精密夹具，主要用来加工箱体、支座类零件上的精密孔或孔系。镗模与钻模相比结构要复杂得多，制造精度也要高得多。镗模不仅广泛应用于各类镗床上，而且还可以用于车床、摇臂钻床及组合机床上。

（一）镗夹具的设计要点

1.镗套

（1）镗套的结构选择

镗模和钻模一样，是依靠导向元件——镗套来引导镗杆（也可导引扩孔钻或铰刀）从而保证被加工孔的位置精度。镗孔的位置精度可不受机床精度影响（镗杆和机床主轴采用浮动联接），而主要取决于镗套的位置精度和结构的合理性。同时镗套结构对于被镗孔的形状精度、尺寸精度以及表面粗糙度都有影响。

常用的镗套结构有固定式和回转式两种。设计时可根据工件的不同加工要求和加工条件合理选择采用。

①固定式镗套如图8-51所示，这种镗套的外形尺寸小，结构紧凑，制造简单，易获得高的位置精度，所以一般在扩孔、镗孔或铰孔中应用较多。由于镗套是固定在镗模支架上，不随镗杆转动和移动，而镗杆在镗套中既有相对转动又有相对移动，镗套易于磨损，故只宜于低速的情况下工作，且应采取有效的润滑措施。　　　　　　　　　

固定式镗套材料常采用青铜、大直径的也可用铸铁。

固定式镗套结构已标准化了，设计时可参阅国标《夹具零件及部件》中的GB2266—91。

②回转式镗套回转式镗套随镗杆一起转动，适于镗杆在较高速度条件下工作。由于镗杆在镗套内只作相对移动（转动部分采用轴承），因而可避免因摩擦发热而产生“卡死”现象。根据回转部分安排的位置不同，回转式镗套又分“外滚式”和“内滚式”。

图8-52所示是几种回转式镗套，其中图8-52a、b是“外滚式镗套”；图c、d为“内滚式镗套”。装有滑动轴承的内滚式镗套(图8-52c)，在良好的润滑条件下具有较好的抗振性，常用于半精镗和精镗孔，压入滑动套内的铜套内孔应与刀杆配研，以保证较高的精度要求。

（2）镗套的布置形式

镗套的布置形式主要根据被加工孔的直径D以及孔长与孔径的比值L/D和精度要求而定。一般有以下四种形式。

①单支承后引导当D<60mm时，常将镗套布置在刀具加工部位的后方（即机床主轴和工件之间）。当加工L

②单支承前引导当镗削直径D>60mm，且L/D<1的通孔或小型箱体上单向排列的同轴线通孔时，常将镗套（及其支架）布置在刀具加工部位的前方，如图8-53a所示。这种方式便于在加工中进行观察和测量，特别适合锪平面或攻螺纹的工序，其缺点是切屑易带入镗套中。为了便于排屑，一般取h＝(0.5~1)D，但h不应小于20mm。镗套长度H的选取与“单支承后引导”同。

③双支承前后引导如图8-54a所示，导向支架分别装在工件两侧。当镗长度L>1.5D的通孔，且加工孔径较大，或排列在同一轴线上的几个孔，并且其位置精度也要求较高时，宜采用“双支承前后引导”。这种方式的缺点是镗杆较长、刚性差、更换刀具不方便。图中的后引导是采用内滚式镗套，前引导采用的是外滚式镗套。这两种滚动轴承所构成的回转式镗套的长度，可按H＝0.75d的关系和结构情况选取。若采用固定式镗套时，可按H＝(1.5～2)d来选取。

④双支承后引导当在某些情况下，因条件限制不能使用前后双引导时，可在刀具后方布置两个镗套，如图8-54b所示。这种布置方式装卸工件方便，更换镗杆容易，便于观察和测量，较多应用于大批生产中。由于镗杆在受切削力时呈悬臂状，为了提高刀具的刚度，一般镗杆外伸端应满足L1<5d。

不论单面双支承还是双面单支承，布置的两镗套一定要同轴，且镗杆与机床主轴之间应采用浮动连接。

镗模与机床浮动联接的形式很多，图8-55为常用的一种形式。浮动联接应能自动调节以补偿角度偏差和位移量，否则失去浮动的效果，影响加工精度。轴向切削力由镗杆端部的和镗套内部的支承钉来支承，圆周力由镗杆连接销和镗套横槽来传递。

2.镗杆

图8-56为用于固定式镗套的镗杆导向部分的结构。当镗杆导向部分直径d

图8-57所示为用于外滚式回转镗套的镗杆引进结构。图8-57a所示为镗杆前端设置平键，键下装有压缩弹簧，键的前部有斜面，适用于开有键槽的镗套。无论镗杆以何位置进入导套，平健均能自动进入健槽，带动镗套回转。图8-57b所示镗杆上开有键槽，其头部做成螺旋引导结构，其螺旋角应小于45?，以便镗杆引进后使键顺利进入槽内。

确定镗杆直径时，应考虑镗杆的刚度和镗孔时应有的容屑空间。一般可取

d=(0.6~0.8)D

式中d——镗杆直径(mm)，

D——被镗孔直径(mm)。