發(fā)動(dòng)機、變速器孔的喇叭口現象

　　發(fā)動(dòng)機、變速器零件在機加工過(guò)程中，當現行的過(guò)程控制措施滿(mǎn)足不了孔加工要求時(shí)，其存在的失效原因往往會(huì )造成加工孔的一些失效模式出現，孔在加工中出現喇叭口就是孔的一種失效模式。

　　一、喇叭口類(lèi)別

　　要判斷加工孔出現了喇叭口其孔是否失效，首先要了解喇叭口的幾種類(lèi)別，根據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。

　　二、喇叭口的失效后果

　　加工孔出現喇叭口，其錐度多大屬于不允許，這是一個(gè)比較難定的尺度。在實(shí)際生產(chǎn)中，喇叭口的前后孔徑數據差異值多少允許，多少不允許，目前也沒(méi)有一個(gè)比較權威的標準可循。在現有形位公差當中沒(méi)有喇叭口這個(gè)形狀元素，但有一些加工孔本身有圓柱度要求，這時(shí)加工孔假如產(chǎn)生喇叭口現象我們就可以用圓柱度的要求來(lái)參考其是否允許：孔的喇叭口形狀直接影響到圓柱度的實(shí)際值大小，其喇叭口的數值一旦超過(guò)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喇叭口是否允許的特例，實(shí)際加工過(guò)程中很多喇叭口的孔還是沒(méi)有參考依據來(lái)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(guò)盈配合、間隙配合和過(guò)渡配合，三種配合過(guò)程中都會(huì )因孔的喇叭口錐度大小而出現一些不相同的失效后果。

　　間隙配合：其失效后果一是運動(dòng)之間的配合效果變差，加快運動(dòng)件的疲勞損壞。如活塞環(huán)在有喇叭口的缸孔中上下運動(dòng)，這樣活塞環(huán)的直徑就一直在上下變化，不斷的直徑變化導致活塞環(huán)過(guò)早出現疲勞損壞;二是造成運動(dòng)件的磨損程度不一樣，如氣門(mén)導桿在導管孔中上下運動(dòng)，由于導桿的配合孔——導管孔是喇叭口孔，這樣造成導桿的直徑在喇叭口小徑處的配合出現提前磨損，而大徑處的導桿直徑?jīng)]有明顯磨損，使整個(gè)導桿長(cháng)度上面的直徑不均衡，最終造成運動(dòng)件的擺動(dòng)幅度上升，影響到氣門(mén)的密封等失效后果出現。

　　過(guò)盈配合：整體配合過(guò)盈量的不均衡造成應該均衡的過(guò)盈狀態(tài)變成過(guò)盈不均衡的局部出現變化趨勢;影響悶蓋裝配以后的膠水粘接劑的滯留均衡等。

　　過(guò)渡配合：兩者之間的一些近似失效后果的出現。

　　2、工藝上的潛在失效后果

　　加工孔出現喇叭口，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喇叭口也會(huì )影響到后道加工孔，當最終的精加工難以消除前道產(chǎn)生的喇叭口現象時(shí)，最終加工孔仍可能出現喇叭口缺陷。

　　三、喇叭口形成的原因

　　加工孔出現喇叭口可從多方面來(lái)考慮其原因，如工藝、刀具、設備、毛坯和冷卻液等。

　　1、工藝

　　工藝上的原因造成加工孔出現喇叭口，如前道工序沒(méi)有消除孔的喇叭口，影響到最終加工;導向孔/鉆套與刀具的徑向間隙偏大導致產(chǎn)生喇叭口;切削參數不合理，產(chǎn)生的切削熱變化大，導致加工孔壁的受熱程度不一樣造成喇叭口出現等，所以工藝上如果沒(méi)有考慮到上個(gè)工步對下一工步的影響程度，那往往會(huì )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(dòng)大;刀具安裝中心線(xiàn)不重合或振動(dòng);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喇叭口的原因。

　　當刀具單一存在上面的一些失效原因時(shí)會(huì )引起加工孔出現喇叭口，這只是一種比較簡(jiǎn)單的說(shuō)法�！暗稐U剛性差”會(huì )導致加工孔出現喇叭口，其實(shí)這也需在某些條件的組合下才能形成。當鏜桿剛性較差時(shí)，高速旋轉中其鏜桿的頭部離心力較大，這時(shí)刀桿頭部就會(huì )出現擺動(dòng)量(見(jiàn)圖1)。鏜桿上面有一個(gè)刀片時(shí)，因刀片在鏜桿圓周的布局位置不同，刀片在有些位置時(shí)加工可能出現喇叭口，而在有些位置時(shí)加工就不一定會(huì )出現喇叭口。

圖1 刀桿頭部出現擺動(dòng)量

　　我們以“刀桿剛性差”來(lái)分析，當一些重要孔加工時(shí)，在有位置度、圓度和直線(xiàn)度等較高要求時(shí)，一種方式是采用輔助支持的加工方式，即加工整個(gè)孔時(shí)使用鉆套/引導孔來(lái)輔助加工;另一種加工方式是沒(méi)有鉆套，也沒(méi)有引導孔，刀具直接加工孔。采用上面兩種方式來(lái)加工孔，假如鏜把擺動(dòng)量存在，那喇叭口可能會(huì )以不同形式出現。在鉆套/引導孔下加工孔，假如出現喇叭口一般是倒喇叭口;如果刀具直接加工孔，出現的喇叭口一般是順喇叭口。

　　在刀桿剛性較差的前提下，我們以帶導條的鏜把來(lái)分析加工孔出現順喇叭口和倒喇叭口的原因。

　　孔的順喇叭口形成：當刀桿的擺動(dòng)量存在時(shí)，在沒(méi)有鉆套/引導孔的輔助支持下來(lái)加工，假如一齒刀片在圖1的圓弧DA2F區域內，加工過(guò)程中的刀頭讓刀量又小于刀桿的擺動(dòng)量，也就是刀桿無(wú)負載下的擺動(dòng)量可能就是加工孔最大的初始加工孔口的回轉尺寸。隨著(zhù)鏜桿的不斷深入加工孔，刀桿的擺動(dòng)量受到已加工孔壁的約束，直接造成刀桿的擺動(dòng)量出現漸漸變小趨勢，這種趨勢最終造成加工孔出現順喇叭口。

　　孔的倒喇叭口形成：當加工孔是在鉆套/引導孔的輔助支持下來(lái)進(jìn)行時(shí)，刀桿因剛性差在高速旋轉中存在一定的擺動(dòng)量(見(jiàn)圖2)，在進(jìn)入鉆套/引導孔以后其擺動(dòng)量受到鉆套孔壁/引導孔孔壁的限制(即刀桿擺動(dòng)量縮小)，刀具導條對孔壁的間隙因擺動(dòng)量的存在而出現單邊消除(見(jiàn)圖3)，這時(shí)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一個(gè)與主軸軸線(xiàn)的傾斜角度，刀具隨著(zhù)這一傾斜的回轉幅度深入加工孔壁，直至加工孔的孔徑達到刀桿的最大擺動(dòng)量(見(jiàn)圖4);假如這時(shí)加工孔還需要繼續加工下去，那加工孔徑一直在刀桿的最大擺動(dòng)量下進(jìn)行(見(jiàn)圖5)，即出現一部分是倒喇叭口、一部分是圓柱孔的情況。

　　圖2 刀桿在高速旋轉中存在一定的擺動(dòng)量

　　圖3 刀具導條對孔壁的間隙出現單邊消除

　　圖4 孔徑達到刀桿的最大擺動(dòng)量

　　圖5 加工孔徑在刀桿的最大擺動(dòng)量下進(jìn)行

　　一刃口鏜桿在這種情況下形成喇叭口，多齒鏜桿剛性差時(shí)同樣會(huì )有這種情況出現。刀桿的剛性差會(huì )出現喇叭口，刀桿的剛性好同樣會(huì )出現喇叭口。如前面工藝原因造成孔壁受熱不均衡而出現的收縮差異形成喇叭口。

　　3、設備

　　設備的一些失效也是加工孔出現喇叭口的原因之一，如主軸的振動(dòng)加劇;數控車(chē)床上刀具的進(jìn)給方向與工件的回轉軸線(xiàn)不平行，刀尖與回轉零件的中心不等高;另外輔助件的失效，如鉆套的嚴重磨損導致加工刀具的定心作用下降而出現擺動(dòng)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，加工結束孔壁的回彈量出現差異而形成喇叭口;孔壁的材料上下疏松程度不一樣，導致加工過(guò)程中孔壁的回彈量越來(lái)越大，而形成喇叭口。

　　5、冷卻液

　　加工過(guò)程中孔壁受到的熱量及刀具產(chǎn)生的熱量出現不均衡時(shí)，其孔壁受熱的擴張量也不一樣，如加工通孔時(shí)的冷卻液對刀具及孔壁的冷卻效果沒(méi)有加工盲孔時(shí)好，這樣一旦加工過(guò)程中刀具產(chǎn)生的熱量變化較大時(shí)，加工孔尾與加工孔口的孔壁受熱也會(huì )不一樣，易導致加工孔出現喇叭口。

　　四、喇叭口現象的消除方法

　　對于加工孔的喇叭口，我們需根據了解到的失效模式及分析的后果、產(chǎn)生的原因來(lái)對癥下藥，消除喇叭口的出現，具體可從下面幾個(gè)方面來(lái)嘗試解決。

　　1、工藝

　　加工孔在工藝上的前后工序/工步安排、切削參數等不合理時(shí)都有引起加工孔出現喇叭口的可能,如切削參數就沒(méi)有一成不變的使用規定。實(shí)際生產(chǎn)中，原先正常使用的切削參數最近不能夠有效滿(mǎn)足加工要求就是一例，其變化點(diǎn)是毛坯供應商的鑄造批次或是新的毛坯鑄造供應商提供的毛坯件而導致加工孔出現了喇叭口。例如，某缸體專(zhuān)機線(xiàn)的缸體水泵套孔加工后出現了喇叭口及刀具壽命達不到設定要求。水泵套孔直徑為29.72+0.05mm，孔況是通孔，喇叭口嚴重時(shí)的前后直徑相差0.01～0.02mm，刀具使用壽命從1?800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;轉速，225r/min;進(jìn)給速度，100mm/min;每齒進(jìn)給，0.056mm/z;刀具齒數，8。因為是專(zhuān)機線(xiàn)，主軸轉速沒(méi)法調整，所以我們嘗試通過(guò)修改進(jìn)給量來(lái)解決喇叭口現象。修改后的每齒進(jìn)給提高到0.10mm/z。通過(guò)調整鉸刀的每齒進(jìn)給量，最后消除了喇叭口現象，恢復了以前的刀具壽命，即由800件左右恢復到1?800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(shí)加工喇叭口幾乎沒(méi)有，但是隨著(zhù)加工數量的上升，喇叭口漸漸變得越來(lái)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(shí)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(guò)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喇叭口現象：加工孔口與加工孔尾這一過(guò)程中的磨損出現變化，導致加工時(shí)對孔壁的擠壓力出現變化;加工過(guò)程中的孔壁產(chǎn)生熱量變化，加工結束孔壁就出現不同的收縮，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。而當每齒的進(jìn)給量提高以后，刀具加工孔的實(shí)際切削長(cháng)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，最后使加工孔的喇叭口現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的主要原因之一，因此通過(guò)刀具來(lái)消除加工孔的喇叭口現象，可以根據刀具的失效原因來(lái)對癥下藥，具體可從多方面來(lái)實(shí)施。

　　(1)鏜桿的剛性滿(mǎn)足：鏜把在設計時(shí)就注意其強度，選擇合適的鏜桿材料滿(mǎn)足加工中的擺動(dòng)在最小化;

　　(2)正確的切削角度：如當毛坯的孔壁厚度不均衡狀所帶來(lái)的孔壁回彈量存在差異時(shí)，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)注意操作的細節：操作工在調整刀具時(shí)，注意各方面的細節，如刀具夾持精度的保障、修磨的刃口跳動(dòng)以及順錐情況的控制等。

　　3、設備

　　做好設備的日常維護保養，如定期進(jìn)行主軸的振動(dòng)測試;定期檢查設備的輔助裝置;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(guò)改變刀具的主偏角、合理設定刀具使用壽命或選擇更鋒利的刀具來(lái)滿(mǎn)足加工要求。

　　5、冷卻液

　　孔加工過(guò)程中出現較高的切削熱時(shí)，這時(shí)冷卻液的壓力盡可能選擇最大，使加工中的散熱充分，保證刀具刃口、加工孔壁的快速冷卻。但當加工設備的冷卻液壓力提不上去時(shí)，這時(shí)我們可以選擇減少刀齒數的方法來(lái)優(yōu)化每齒的冷卻程度，如鉸刀的8刃降為6刃，通過(guò)降低齒數，選擇保持每齒進(jìn)給量(當工序加工節拍不影響前提下)或提高進(jìn)給量來(lái)消除因孔壁受熱過(guò)高而引起的喇叭口現象。