细长空心高速轴深孔纠偏及减震降噪研究

细长空心高速轴深孔纠偏及减震降噪研究

郭永喜董鹏王军

（山西平阳重工机械有限责任公司山西侯马043000）

摘要：细长、空心、高速轴深孔加工时存在偏斜问题，如果不纠偏，高速旋转时，产生离心力、振动和噪声，造成较多的功率损失，严重时会造成轴断裂；加工过程中，我们通过采取工艺、工装设计、优化工艺参数等方法，减少深孔偏斜，加工后，我们通过采取以加工好的深孔为基准加工外圆的方法，解决深孔的偏斜问题，从而减小细长空心高速轴旋转时的振动和噪声，提高轴的强度和功率传递效率。通过比较全面、系统地阐述各种类型细长、空心、高速轴深孔加工时存在的深孔偏斜问题及其产生原因，比较详细地分析在使用过程中产生的振动、噪声、功率传递损失等危害，提供经过实践检验、经济、可行、高效、具有可操作性的深孔纠偏方法，把深孔偏斜问题由隐性问题变成显性问题，由显性问题变成不是问题。

关键词：深孔；偏斜；纠偏；减振；降噪

1细长、空心、高速轴在某水中兵器中的应用

某水中兵器需要靠螺旋桨高速旋转，推动其在水下航行，因此，其外形呈细长结构形式，这样，动力传动系统中就必须靠许多高速细长传动轴传递动力，这些高速细长传动轴不仅承担着传递动力的作用，同时肩负着排出发动机产生的废气、废液的作用，因此，此类高速主传动轴就必须是细长、空心结构（含有细长通孔），制造时就必须进行深孔加工。

2深孔加工方法、特点分析

长径比L/D>5的孔通常被称为深孔，枪钻和喷吸钻是两种比较常见的深孔加工方法，枪钻一般用来加工孔径φ2-φ20mm的直径较小的深孔，采用外排屑方式排屑，喷吸钻一般用来加工孔径φ6-φ60mm的直径较大的深孔，采用内排屑方式排屑。

对深孔加工来说，普遍存在不同程度的偏斜问题，一般情况下，枪钻加工深孔，孔中心线每米偏斜1毫米，喷吸钻加工深孔，孔中心线每米偏斜0.5毫米，有些情况下（即使是同批、同炉零件），偏斜量还会成倍增长。

3深孔偏斜的危害

深孔偏斜后内孔、外圆不同轴，壁厚差大，高速旋转时，产生离心力、振动、噪声和功率损失，严重时会造成轴断裂；对于盲孔、阶梯孔形式的深孔，肉眼观察不到偏斜，属于隐性质量问题，当一些设计者对加工深孔时的“内在偏斜问题”这一工艺特性认识不足、了解不够时，对深孔同轴度可能不提任何技术要求，这样危害就更大了。

4深孔加工偏斜原因分析

通过长期实践、认真分析，我们认为造成这种情况的原因主要是以下四个方面：

a、刀头受到不平衡径向力的作用，如切削力、重力、离心力等，会产生钻孔偏斜；

b、对于含有多种合金元素的合金钢来说，由于材料中合金元素分布不一定均匀，经过热处理之后，材料各部位硬度不一定完全一致，存在硬质点，会把刀头挤向较软的一边，产生钻孔偏斜；

c、刀头部位有导向条，已钻成孔对后续钻孔形成导向作用，如果已钻成孔偏斜，后续钻孔会随前孔走，沿着已有方向继续偏斜，因此，偏斜方向一般具有一致性，孔底偏斜量最大；

d、刀头距离支撑太远，悬浮太长，刀杆本身细长，刚性差，纠偏能力不足。枪钻和喷吸钻相比（钻相同长度、直径的深孔），刀杆悬长更长，刚性、强度更差，这是枪钻比喷吸钻偏斜量大的主要原因；使用枪钻加工深孔时，找正误差比较大，通过肉眼观察找正轴端面十字中心线，误差一般在0.2mm左右，找正轴向母线，误差在0.05mm左右，喷吸钻加工深孔基本不存在这方面的问题。

5深孔加工及纠偏的时机选择

通过长期生产实践及以上分析，我们知道，深孔加工过程中存在不可克服的、甚至比较严重的偏斜问题，因此，必须在深孔加工好以后，以深孔为基准加工外圆等其他尺寸，对其进行纠偏，其工艺路线为：粗加工-热处理-半精加工（加工钻深孔的装夹基准，一般是两顶尖顶住，一次装夹车成外圆）-深孔加工-以深孔为基准加工外圆等其他内容……

6深孔纠偏措施

解决深孔加工偏斜问题可以从两个方面入手，一个是“加工深孔过程中”采取措施减少偏斜量，另一个是“深孔加工完后”采取措施纠偏，两者缺一不可，下面我们对这两种情况分别叙述。

6.1深孔加工过程中减少偏斜量的措施

在加工深孔过程中，我们采取如下措施减少偏斜量：

a、采用较好的刀杆材料，通过热处理提高刀杆的强度、刚性及纠偏能力；

b、尽量减少刀杆悬长，增加刀杆系统的支撑强度；

c、保持切削刃锋利，减少刀头的径向、轴向抗力；

d、在刀头上靠近切削刃的部位，对称安装大于刀头直径的轴向导向条；

e、优化切削参数，保持合理的切削速度、吃刀深度等；

f、液压系统必须有足够大的压力，保证排屑顺畅；

g、加工深孔时的外圆基准必须具有较好的直线度精度;

h、枪钻加工深孔时，钻孔端面不能有顶尖孔和其他孔，否则枪钻会随孔走偏；

i、喷吸钻加工深孔时，前支架或者工件上必须有钻头导向。

6.2深孔加工完后的纠偏措施

深孔分通孔深孔、阶梯深孔、盲孔深孔三种，如图1所示：

图2

强调一点，由于深孔加工偏斜量比较大，因此，工件上的定位孔和压紧端面垂直度精度可能很差（毫米级），为了保证夹紧时螺母压紧面、垫片两端面、工件端面实现“面接触”，避免芯轴装夹变形，应当使用具有调心作用的“球形垫片”，并且保证垫片内孔与芯轴之间的间隙足够大。

6.2.3盲孔深孔纠偏措施

盲孔深孔按以下步骤进行纠偏：

a、用壁厚仪检测盲孔深孔底部壁厚（对称检测，至少8个点的壁厚），找出壁厚差值最大值及偏斜方向，用碳素笔标记；

b、在车床上用四爪装夹无孔一端轴头，装夹长度小于5mm，顶尖顶住内孔（孔口保持尖角），在标记部位打表，通过调整四爪位置，找正内孔中心线，偏差小于0.03mm；

c、车外圆至四爪根部；

d、调头用三爪装夹已加工外圆部位，然后车四爪装夹部位，接平。

从以上论述可以看出，深孔纠偏比较难，因此，建议从设计角度采取措施，变深孔为浅孔（两头加工，中间不通）、变盲孔深孔、阶梯孔深孔为通孔深孔，降低纠偏难度，从根本上消除偏斜问题。

7深孔纠偏意义

深孔纠偏后会提高内孔与外圆的同轴度，保证壁厚的一致性，使轴具有较好的强度，高速旋转时，可以减少离心力、振动和噪声，使动力系统、动力传动系统运行平稳，起到减震降噪、减少发动机能量有害损失的作用。

通过比较全面、系统地阐述各种类型细长、空心、高速轴深孔加工时存在的深孔偏斜问题及其产生原因，比较详细地分析在使用过程中产生的振动、噪声、功率传递损失等危害，提供经过实践检验、经济、可行、高效、具有可操作性的深孔纠偏方法，把深孔偏斜问题由隐性问题变成显性问题，由显性问题变成不是问题。

参考文献：

[1]杨叔子主编《机械加工工艺师手册》北京:机械工业出版社,2001.8:640-650

[2]东北重型机械学院､洛阳工学院､第一汽车制造厂职工大学编《机床夹具设计手册》.上海:上海科学技术出版社,1988.4第二版:360