取樣錐是LC－MS（液相色譜－質(zhì)譜聯(lián)用）/ICP－MS（電感耦合等電離子體質(zhì)譜）上的核心關(guān)鍵器件，該件在使用過程中需要經(jīng)常維護(hù)和更換取樣錐，采購渠道主要從國(guó)外進(jìn)口。采購周期較長(zhǎng)，費(fèi)用也較高，且國(guó)際一線設(shè)備商一般都與國(guó)外專業(yè)加工廠商簽有排他性協(xié)議，不得為競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手加工同樣或類似的零件，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化研制進(jìn)程緩慢。
1. 圖樣工藝分析
如圖1所示，零件材料為進(jìn)口的SUS316L，該零件的主要加工難點(diǎn)有：
?。?）316L不銹鋼材質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)低，加工硬化嚴(yán)重，特別是錐孔底部的薄弱處。
?。?）定制的64°內(nèi)錐孔成形刀尖部磨損嚴(yán)重，刀尖斷裂的風(fēng)險(xiǎn)很高，錐孔底部尺寸難加工到位。
（3）φ 0.35mm的鉆頭（粗加工）及φ 0.4mm的鉆頭（擴(kuò)孔）剛度差，截面積小，散熱慢，鉆頭磨損嚴(yán)重，斷裂的風(fēng)險(xiǎn)極高。
?。?）內(nèi)外圓同軸度不高、錐底部結(jié)構(gòu)薄弱，存在變形、孔徑超差、圓度超差、破邊及毛刺不易去除等問題，這些問題都會(huì)影響到零件裝機(jī)后的測(cè)試靈敏度，關(guān)系到整機(jī)性能。
?。?）φ 0.4mm的圓柱長(zhǎng)度只有0.02mm，沒法實(shí)現(xiàn)，經(jīng)與研發(fā)部門討論后改為0.1（+0.1，+0.05）mm，但加工難度仍然很高。
2. 加工過程
?。?）數(shù)控車。按圖2所示的工藝圖加工至圖樣要求，也可按圖3所示加工。圖2中右端面、圖3中右端面及錐面都留有0.2mm的加工余量，此工序加工時(shí)建議采用圖2所示工藝加工，φ10.5mm的圓柱長(zhǎng)度有利于后續(xù)工序裝夾，圖3在調(diào)頭加工下一工序時(shí)，裝夾長(zhǎng)度過短、裝夾精度降低。加工時(shí)需一次裝夾，加工出各部位的尺寸。
（2）加工中心調(diào)頭加工，以φ 10.5mm的外圓定位裝夾、校正并找正圓心，鉆φ 0.35mm、深1mm的微孔，如圖4所示。
鉆不銹鋼微孔時(shí)的注意事項(xiàng)： 微孔鉆頭刃部細(xì)長(zhǎng)、剛性差、易偏斜及斷裂，又因?yàn)椴讳P鋼材質(zhì)導(dǎo)熱差、硬化層嚴(yán)重及鉆頭排屑不暢，導(dǎo)致升溫快、磨損嚴(yán)重等問題。
針對(duì)上述問題選用了日本CKK品牌的微孔鉆頭，如圖5所示，該鉆頭專為微孔加工開發(fā)，鉆頭采用柄部加粗結(jié)構(gòu)， 增加鉆頭剛性，適用于不銹鋼、鈦合金及合金鋼等材質(zhì)，該規(guī)格鉆頭推薦的加工參數(shù)：轉(zhuǎn)速11 000r/min，進(jìn)給速度45mm/min，為了提高鉆頭的壽命，在實(shí)際加工中將進(jìn)給速度下降至20mm/min，轉(zhuǎn)速不變，切入時(shí)進(jìn)給速度vf=10mm/min，每次進(jìn)刀0.05mm，退刀一次，切入后變?yōu)?em style="margin: 0px; padding: 0px; max-width: 100%; line-height: 25.6px; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">vf=20mm/min，每進(jìn)刀1mm，退刀一次，轉(zhuǎn)速仍為11 000r/min，加工模式為G83鉆孔， 經(jīng)鉆削驗(yàn)證， 加工過程順利，沒有斷鉆頭，孔的尺寸也很穩(wěn)定。
φ 0.35mm微孔鉆削中還有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要注意：①中心孔必須鉆正，且鉆尖橫刃要足夠小，不然起不到定心作用。②盡可能的采用高速機(jī)床及專用高精度刀柄，如圖6、圖7所示。該機(jī)床轉(zhuǎn)速最高18 000r/min?！?/p>
?。?）加工中心找正外圓及圓心， 去內(nèi)錐孔余量。先分別鉆φ 7.5mm、φ 4mm、φ 2mm及φ1mm的孔，深度如圖8所示；再粗精鏜φ 7.5mm孔到φ 8（±0.02）mm、深7.12（-0.05，-0.1）mm、用兩把φ 8mm硬質(zhì)合金棒（不銹鋼專用）改制成的錐孔刀粗精鉆64°錐孔（見圖9）。
64° 錐孔的深度尺寸很關(guān)鍵，用成形刀鉆削時(shí)，因?yàn)榈都獠粶?zhǔn)確，對(duì)刀時(shí)誤差會(huì)很大，過淺會(huì)導(dǎo)致錐孔與φ 8mm圓柱接不順；過深會(huì)導(dǎo)致錐孔底部φ 0.4mm孔圓柱長(zhǎng)度消失， 零件直接報(bào)廢，為此，設(shè)計(jì)了圖10所示錐孔深度檢驗(yàn)工裝，通過加工中不斷調(diào)整深度及檢測(cè)，來精確控制64°錐孔深度。
64°錐孔成形刀如圖11所示，該刀具是在工具磨床上磨削出來的， 為防止加工中刀尖崩裂，將刀尖尖部做了磨平處理，磨平后的刀尖不大于0.3mm，粗鉆錐孔時(shí)轉(zhuǎn)速800r/ min 、vf=30mm/min，每次進(jìn)刀0.2mm，退一次刀； 精鉆錐孔時(shí)轉(zhuǎn)速不變，vf=30mm/mi n，每次進(jìn)刀0.2mm，退一次刀。粗精加工都采用G83模式鉆孔，勤排屑。
（4）數(shù)控車。按圖12所示，制作專用工裝心軸，用螺紋環(huán)軸向鎖緊，精車外錐及總長(zhǎng)。車外錐時(shí)有2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)需要注意：①精車外錐時(shí)，車刀要采用大前角的35°菱形刀片，刀尖R0.2mm，減小切削阻力，防止錐口擠壓變形。②心軸與零件圓柱內(nèi)孔面的配合間隙控制在0.01mm以內(nèi)，且心軸軸線與主軸旋轉(zhuǎn)軸線的同軸度要控制在0.005mm以內(nèi)，越高越好，一旦間隙及心軸軸線同軸度誤差過大，會(huì)導(dǎo)致偏心，錐孔口部會(huì)破邊（圖樣單邊厚度只有0.05mm），零件直接報(bào)廢。③按圖12所示加工的心軸會(huì)存在過定位情況，可將心軸外錐部分車小0.05mm或0.1mm左右，靠端面及圓柱部分定位，加工時(shí)就能很好地保證總長(zhǎng)公差。
?。?）加工中心。采用圖12所示的心軸工裝，校正并找正圓心，用圖6或圖7所示的高速鉆銑中心、高精度刀柄、φ 0.4mm日本CKK鉆頭，擴(kuò)φ （0.4±0.01）mm達(dá)圖1所示圖樣要求。
此工序加工注意事項(xiàng)：錐口處很薄弱，φ 0.4mm孔在鉆削中進(jìn)給量不能過快，如果過快，可能是擠壓而不是鉆削，會(huì)導(dǎo)致孔徑超差、圓度超差、孔口脹裂及毛刺嚴(yán)重等問題。
?。?）終檢。其他的尺寸及公差檢驗(yàn)都較容易，φ 0.4mm孔不易用常規(guī)的檢驗(yàn)方法（ 通止規(guī)等） ， 此次借助了顯微鏡檢驗(yàn)（共加工7件，抽取4件做對(duì)比），結(jié)果如附表所示。了；但第1件孔徑超差（偏?。?，第4件有毛刺，圓度超差。
3. 疑點(diǎn)解析
?。?1 ） 為何要選擇進(jìn)口SUS316L材料。該零件在使用中需要電加熱， 還有液態(tài)流體穿過，必須防銹及耐一定的腐蝕及高溫氧化；錐口薄弱處結(jié)構(gòu)對(duì)材質(zhì)的考驗(yàn)很高， 所以選用進(jìn)口SUS316L。
?。?2 ） 加工過程中的第2 工序——粗鉆φ 0.35mm孔，為何不放在第3工序與內(nèi)錐孔一起加工，還能減少一次裝夾？如果放在第3工序加工，必須先將內(nèi)錐孔加工好，再鉆中心孔，然后鉆φ 0.35mm孔，一是中心鉆及鉆頭要懸長(zhǎng)些， 刀具裝夾精度會(huì)降低；二是切屑會(huì)積在內(nèi)錐孔里，較難排出，鉆頭斷裂風(fēng)險(xiǎn)高；三是鉆頭在鉆穿底面時(shí)，鉆頭兩刃的切削力會(huì)不平衡，材料被鉆穿時(shí)的撕裂力會(huì)影響鉆頭剛度，甚至斷裂。如放在第2工序就沒有這樣的風(fēng)險(xiǎn)，且操作方便。
?。?）內(nèi)錐孔及φ 0.4mm為何不采用電火花放電工藝？因?yàn)榉烹娺^程中， 電極存在損耗， 尺寸、圓度、表面粗糙度都很難控制好。即使采用損耗小的鎢銅電極或硬質(zhì)合金電極、主軸帶C軸功能的電火花機(jī)床，雖能提高尺寸精度及圓度，但表面粗糙度值要達(dá)到Ra=0.8μm還是較難，雖然鏡面電火花工藝能實(shí)現(xiàn)Ra=0.8μm的表面粗糙度值，但外協(xié)成本較高，且沒有實(shí)際驗(yàn)證過該工藝，較難判定合理性，相比鉆削加工沒有優(yōu)勢(shì)，故采用鉆削工藝。
?。?）毛刺去除。φ 0.4mm孔圖 12 作為最終加工工序，加工后的孔去毛刺要非常仔細(xì)，須借助投影儀或放大鏡放大毛刺并去除，因零件全部表面粗糙度值都不得超過Ra=0.8μm，所以要選用3 000目以上的砂紙修磨毛刺。不得采用酸性藥水及超聲波去毛刺，會(huì)腐蝕及破壞錐口薄弱處。
4. 結(jié)語
該工藝還可用在截取錐、萃取錐等鎳質(zhì)材料上，該類零件對(duì)材質(zhì)、刀具、工藝方法及細(xì)節(jié)控制要求很高，高質(zhì)量的材質(zhì)及專用刀具可通過進(jìn)口獲得，但工藝方法、細(xì)節(jié)控制等需要更多的鉆研及掌控，這些措施做好了，國(guó)產(chǎn)化加工的零件是完全可以替代進(jìn)口配件的。