在复合钻头的使用过程中，了解被加工零件尺寸、复合钻头图样、刀具布置图、数控加工程序刀沿选取、机床夹具定位精度以及被检项目（检具配备）之间的关系十分必要。本文以某发动机缸体主轴承盖螺纹底孔、沉孔和倒角组合阶梯孔为例，以尺寸链为依托，全面分析解读了这些数据之间的关系。

钻削加工台阶复合孔，多则三四台阶复合，可以大大提升加工效率，因此复合钻头得到了广泛的应用。然而，作为工艺工程师，能真正理解并使用好复合钻头的并不多，大多数人只是按照刀具供应商提供的复合钻头图样、刀具布置图和被加工零件进行加工，并不了解被加工零件尺寸、复合钻头图样、刀具布置图、数控加工程序刀沿选取、机床夹具定位精度以及被检项目（检具配备）之间的关系。

本文以某发动机缸体主轴承盖螺纹底孔、沉孔和倒角组合阶梯孔为例，以尺寸链为依托，分析解读了这些数据之间的关系。

产品要求

某发动机铸铁缸体被加工孔图样和相关要求如图1所示，螺纹底孔深（37±0.5）mm，螺纹孔深（32±0.5）mm，沉孔深（12±0.5）mm，另外假设螺纹孔端面距离工艺定位基准的位置为0.2mm。根据GB/T1804-m标准之《倒角半径和倒角高度尺寸的极限偏差数据》和《角度尺寸极限偏差数据》对未注倒角的尺寸要求，0.5mm×45˚倒角的倒角高度尺寸的极限偏差尺寸为（0.5±0.2）mm，角度尺寸极限偏差为（45±1）。

根据目前广泛应用的加工工艺中，工艺工程师会选择一把具有两个阶梯的复合钻一次完成螺纹底孔、沉孔和外沿0.5mm×45˚的倒角加工。以直槽钻设计的一种刀具方案，如图2所示，刀具图样以第二台阶倒角的外沿点为其设计基准（当然不同的刀具设计工程师可能选择不同设计基准），为了便于后续分析，增加了很多参考尺寸。按照目前刀具尺寸控制能力，确定两个台阶尺寸公差为±0.1mm，即沉孔深度对应的第一个台阶倒角外沿尺寸为（12±0.1）mm，螺纹底孔深对应的钻头顶端外沿尺寸为（37±0.1）mm；根据产品图样要求和加工工艺螺纹底孔匹配关系，底孔刀具直径为8.8mm。根据GB/T1804-m标准之《角度尺寸极限偏差数据》对未注倒角尺寸的要求，所有角度公差为±1˚，即刀尖倒角角度尺寸为（120±1）˚，形成两台阶倒角角度尺寸为（90±1）˚。

据此可以推算出第二台阶倒角长参考尺寸0.5mm上公差为（因直径精度为7级，对长度尺寸影响非常小，故忽略未计算，下同）0.5×tan45.5˚－0.5＝0.009mm（四舍五入，下同）；下公差为：0.5×tan44.5˚－0.5＝-0.009mm。图3中为了说明角度公差为对称公差，但尺寸公差为非对称公差，特将尺寸精度精确到小数点后4位。同理推算，第一台阶倒角长度参考尺寸0.85mm的上下公差分别为0.015mm和-0.015mm，参考尺寸2.54mm的上下公差分别为0.051mm和-0.051mm。根据尺寸链知识，推算出参考尺寸24.15mm的上下公差分别为+0.266mm和-0.266mm，参考尺寸36.5mm的上下公差分别为+0.160mm和-0.160mm。

刀具设计时，在加工允许并能够保证合理的加工寿命和夹持长度时，刀具的长度应该尽量短，以确保刀具具有足够的刚性。

刀具布置图

根据产品图样要求和刀具图样，图4为其对应而设计的一种刀具布置方案，该刀具布置图将所有的刀沿尺寸均进行了标注，即D1、D2、D3、D4、D5、D6和D7，此尺寸均为预设定尺寸，随着刀具修磨，其具体的尺寸将发生变化。在实际使用的刀具布置图样上，一般只有部分刀沿尺寸要求进行对刀，且实际的应用中，也有部分工程师在设计刀具布置图时，用部分刀沿尺寸结合图上部分参考尺寸进行标注和要求，以达到控制刀具布置作用。当然，不同的刀具布置图将直接导致后续数控程序编制刀沿的选取。

设计刀具布置图时，我们要充分考虑被加工零件的轮廓、主轴轮廓、Z轴轮廓、夹具轮廓、工作台轮廓及机床各轴的行程范围，方能确保按照刀具布置图配备出来的刀具不会与零件、主轴、Z轴、夹具和工作台干涉，不会因行程不够导致不能换刀或者出现加工不到位的情况。

数控加工刀沿

数控加工刀具补偿系统的目的是固化数控加工程序，同一加工程序满足不同刀具加工，并获得要求的被加工零件尺寸轮廓。即，只需按照被加工零件轮廓要求编制数控加工程序，针对不同长度和半径的刀具，根据加工需要，在加工程序运行过程中自动调用相应的刀具长度、半径参数，并对加工程序运行轨迹进行补偿，以便获得要求的被加工零件轮廓（包括位置和深度）。

刀具长度、半径参数来自根据刀具布置图对刀所获得的刀沿数据，使用不同的刀沿编制加工程序时，程序会有所不同，所以在编制加工程序时，需要先确定编程使用刀沿。一般程序员选择第一刀沿（即D1）编程，刀具快速靠近被加工零件，安全距离一般在1～3?mm之间，其目的是能够有效提高快速接近效率，避免撞刀。另外在使用复合钻的加工过程中，有时选取其他刀沿编程加工，但作为工程技术人员都清楚，被加工零件尺寸最终的形成，是由最终一段加工切削程序中所有使用的刀沿决定的。由于不同的程序员可能选择不同刀沿，自然所获得的最后被加工零件尺寸也就会有所差异。在此，我们分别选择第二刀沿（即D2）和第五刀沿（即D5）进行分析和说明。

尺寸链计算

为了简洁明了地说明被加工零件尺寸、复合钻头图样、刀具布置图、数控加工刀沿选择和测量确保项目之间的关系，图5选取D2为最终编程刀沿，绘制相关尺寸链图；图6选取D5为最终编程刀沿，绘制相关尺寸链图。现进一步分析计算最终的被加工零件尺寸。

根据尺寸链相关知识，在图5所示的尺寸链中，很容易确定A1、A3和A4，构成一个封闭的尺寸链，其中加工螺纹孔实际深度A4为封闭环，A1、A3为增环（根据不同尺寸绘制方法，A3也能以减环的形式体现，下同）。封闭环A4的公差T4=0.2+0.1=0.3mm，其中上公差ES4=0.1+ 0.05=0.15mm，下公差EI4=-0.1+（-0.05）=-0.15mm。

同理，在图5所示的尺寸链中，也可以确定A1、A3、A2、A7和A8构成一个封闭的尺寸链，其中倒角实际深度A8为封闭环，A1、A3和A7为增环，A2为减环。故封闭环A4的公差T4=0.2+0.1+0.2+0.018=0.518mm，其中上公差ES4=0.1+0.05+0.1-（-0.009）=0.259mm，下公差EI4=-0.1+（-0.05）+（-0.1）-0.009=-0.259mm。或者，确定A1、A3、A2、A5和A6构成一个封闭的尺寸链，其中加工沉孔实际深度A6为封闭环，A1、A3和A5为增环，A2为减环。故封闭环A4的公差T4=0.2+0.1+0.2+0.2=0.7mm，其中上公差ES4=0.1+0.05+0.1+（-0.1）=0.35mm，下公差EI4=-0.1+（-0.05）+（-0.1）-0.1=-0.35mm。

同样根据尺寸链知识，在图6尺寸链图中，A1、A2、A3和A4构成一个封闭的尺寸链，其中加工螺纹孔实际深度A4为封闭环，A1、A2和A3为增环。同理，A1、A3、A7和A8可以构成另一个封闭的尺寸链，其中倒角实际深度A8为封闭环，A1、A3和A7为增环。或者，A1、A3、A5和A6也构成一个封闭的尺寸链，其中倒角实际深度A6为封闭环，A1、A3和A5为增环。根据尺寸计算方法，也很容易得到相应公差，详见表。

通过对上述尺寸链的计算和表所示数据的对比分析，我们发现在同样的机床夹具精度、同样的复合刀具图样和要求时，选择不同的刀沿编制加工程序进行加工，最终获得的被加工零件的加工尺寸离散度是不一样的。在上述条件下，选取D2刀沿编程数控加工程序加工，结果可能会出现第二台架倒角深度尺寸超差的现象，而底孔深度的离散度较小；而选取D5刀沿编制数控加工程序加工，却能确保被加工零件的所有尺寸，且其相关的离散度比较一致。通过分析，我们总结出以下几点：

1. 被加工零件的最终尺寸是由刀具设计图样、机床夹具精度和数控加工程序刀沿的选取（刀具布置图样提供刀沿数据）等决定的，不同的设计方案将得到不同的被加工零件尺寸的离散度，即不同的过程能力指数。

2. 被加工零件某一尺寸要想获得最小的离散度，那么就选择其对应的刀沿编制数控加工程序，如表所示，若要螺纹底孔深度离散度最小，选择刀沿D2；若想获得倒角深度离散度最小，就选择刀沿D5。

3. 为了确保加工质量，被加工零件各尺寸离散度相对均衡，那么在刀具设计、刀具布置图设计及数控加工程序刀沿的选取时应确保三个基准统一，即如上文刀具设计基准、刀具布置图对刀点D2（对刀基准）和数控加工程序刀沿的选取（数控程序加工基准）D2统一。

4. 在通过严格的科学计算验证加工工艺合理，能够保证被加工零件尺寸时，被检项目（检具配备）的检测（如倒角深度检测、螺纹底孔的检测），只能用于监控过程的异常，不能用于数控加工程序的补偿调整。一旦检测发现被检项目不合格，一定是之前的某个环节出现异常，如刀具制造不符合刀具图样要求、对刀错误等，应该立即调查之前的各个环节，否则过程质量将失控。

5. 刀具布置图提供数控加工程序选取的刀沿具体数据，数控加工程序刀沿的选取决定了对刀位置，如刀具布置图的D2。同时刀具布置图还有一个非常重要的作用就是确保刀具能够满足机床加工行程，且在加工过程中不发生干涉。

结语

目前各企业对被加工零件尺寸、复合钻头图样、刀具布置图、数控加工程序刀沿选取、机床夹具定位精度以及被检项目（检具配备）没有形成有效的指导规范和标准，同一企业不同的工艺工程师在确定工艺（包括选择和确认刀具、编制数控加工程序选取的刀沿、机床夹具选取等）时均不一致。通过本文的分析，我们可知，盲目凭主观判断而不经过科学计算确定相关工艺数据是不合理的，将给生产带来巨大隐患，导致质量问题频繁发生。