深孔加工技術研究綜述
2017-7-18 來源： 廣州市蘊泰精密機械有限公司 作者：熊艷倫，湯佳駿，劉 煒
摘 要：機械加工過程中，深孔是加工難度最高的工序之一。深孔的加工對加工設備提出了很高的要求，因此研究其加工方法十分必要。本文對深孔加工的概念、特點、技術及工藝和應用等方面進行了介紹，并分析了深孔加工的發展趨勢。
關鍵詞：深孔加工，制造技術，工藝
0 引言
機械加工中的深孔，一般指零件內孔的長度與直徑之比大于 5 的孔，其幾何特征決定了它是機械加工中難度最高的加工過程之一。深孔加工對刀具提出了很高的要求，一般刀具很難同時保證孔的長度和精度要求。另外，近年來難加工材料 （例如高強度合金材料） 的運用給深孔加工提出了更高的要求。20 世紀 60 年代前，深孔加工主要用于槍炮的生產，但近年來逐步向能源、汽車、航空航天等領域擴展。我國深孔加工的基礎比較薄弱，因此迫切需要對深孔加工技術進行深入的研究[1]。本文對深孔加工技術的特點、技術手段、關鍵技術及工藝方法和實際應用、現今發展的水平等進行分析，并預測其發展的趨勢。
1 、深孔加工技術概述
1.1 技術特點及難點
深孔加工屬于機械加工的范疇，與普通孔的加工相比，有很多特點及難點。分析深孔加工的特點，才能更好地選擇不同的深孔加工方法。首先是切削運動方式不同，普通孔加工通常是工件固定，刀具同時作進給運動與旋轉運動。而深孔加工采用的切削運動有多種：工件旋轉、刀具進給；工件不動、刀具旋轉與進給；工件與刀具相對旋轉、刀具進給；工件旋轉與進給、刀具不動。其中以第一種方式居多[2]。
在加工過程中，深孔加工有很多難點。例如加工時孔軸線容易歪斜、細長刀桿剛度差、容易產生讓刀誤差等[3]。更嚴重的問題是，加工過程在深孔中進行，人難以觀察到刀具切削過程，因此對于加工狀態的判斷只能通過聽切削聲音，觀察切削狀態和機床狀態參數來間接得到[4]。加工孔排屑通道長而直徑較小，排屑困難，極可能損壞刀具及工件[5]，加上散熱困難，刀具容易因為孔內溫度過高而加劇磨損速度[6]。
1.2 現有的加工方法
深孔加工方法按排屑方式可分為外排屑和內排屑兩種。外排削指的是切削液由鉆桿中間進入，經鉆頭頭部小孔噴射到切削區，然后帶著切屑從鉆桿外部的 V 形槽中排出的方法，主要有槍鉆、深孔偏鉆和深孔麻花鉆等；內排削指的是切削液從鉆桿與
孔壁的間隙處進入，靠切削液的壓力將切屑從鉆桿的內孔排出的方法，主要有 BTA 深孔鉆、噴射鉆和DF 深孔鉆三種。外排屑效率較低，加工精度難以保證，而且切屑會與已加工表面接觸產生劃痕而破壞表面質量，而內排屑深孔鉆則可以克服這個缺點。另外，現有深孔加工系統更加重視排屑與冷卻的平衡優化，近年來開發了一些新的特種加工手段，例如電火花加工、激光加工、電解加工、超聲加工等[7]。對于精度要求比較高的孔，需要進行精加工，是在鉆孔、擴孔之后進行的第二次加工，此時排屑問題已經不重要，重點是要提高加工精度[8]。
2 、深孔加工技術的現狀
2.1 關鍵技術
由深孔加工的加工方法可以看出，其關鍵技術有以下幾點：
2.1.1 設備選擇
主要是機床的選擇，為了保障深孔加工的精度，需要合理選擇夾具、主軸等，在保證機床刀桿剛度等參數的要求的同時，機床有效加工行程也需要足夠大。
2.1.2 工藝路線選擇
要充分考慮具體加工方法、工件特性等，合理安排粗加工、半精加工、精加工、光整加工等階段[9]。
2.1.3 刀具選擇
選定工藝路線之后，要根據工藝特點合理選擇刀具，例如槍管主要使用槍鉆加工。槍鉆分三部分：刀頭用來鉆削，通常在鉆頭圓周上設置導向塊，鉆頭頂端一般設有油孔，通過焊接與鉆桿相連；鉆桿外徑略小于鉆頭，必須具有高強度和韌性；鉆柄位于鉆桿底部，用于與機床相連[9]。文獻[10]提出了一種三導向塊的 BTA 刀具，并用概率方法研究了靜態和動態情況下此刀具相對于兩導向塊刀具的優勢。結果表明此刀具穩定性、加工效率和精度更高。
2.1.4 定位
深孔加工的定位與普通孔加工一樣，常采用錐面定位。另外，進行錐面定位時，要保證直線度，在鉆孔及鏜孔前需要對端面外錐面進行處理[11]。
2.1.5 排屑
深孔加工時由于空間狹小，切屑較難排出，從而影響加工質量。另外，不同的材料也會形成不同的切屑。比較好的工藝是內排屑深孔工藝，可加工直徑在 6～80 mm 的深孔[12]。
2.1.6 冷卻潤滑
由于深孔加工的空間狹小，使熱量難以擴散，工件溫度急劇升高；況且切屑過程也需要保證潤滑。所以，采用潤滑液同時解決這兩個問題。這種液體也能起到延長刀具壽命，降低噪音和振動等作用[12]。
2.2 加工工藝
目前世界上有很多學者進行深孔加工的工藝研究，以下為幾個實例。
文獻[13]給出了一種套筒零件的加工工藝研究，材料為 30Cr3MoA，盲孔深度為 200 mm±0.2 mm。若采用普通加長麻花鉆加工，由于細長的鉆頭剛度差，散熱困難等原因，鉆頭磨損很快，加工質量較低，因此需將冷卻液送到工作面，例如可利用噴射鉆的方法加工。
文獻[14]對難加工材料的精密深孔加工方法進行了研究。主要研究刀具的幾何形狀和切削參數 （主軸轉速和進給速度） 對加工表面質量的影響，最終通過改進 BTA 鉆頭使得最優切削參數下孔的加工偏差問題達到了最小化，并成功加工出了直徑 10～20mm，公差等級為 IT 7～9，表面粗糙度 Ra 0.2～1.6μm 的深孔。實驗結果表明，刀具幾何形狀對加工深孔的質量有顯著的影響。進行難加工材料的深孔鉆削時，可以通過提高鉆頭頭部的穩定性和提高導向塊拋光精度來獲得良好的表面粗糙度、尺寸精度和圓跳動。主軸轉速和進給速度對孔的尺寸精度和表面質量有很大的影響：主軸轉速越大，表面光潔度越高，孔的尺寸波動越小；而對于進給速度，存在一個最佳值，使尺寸精度和表面質量最優。另外，沿孔深方向孔徑逐漸減小，表面光潔度逐漸下降，這是由于刀具磨損所致。
文獻[15]也對 BTA 深孔加工過程進行了研究，文中采用了基于計算機的方法研究 BTA 深孔加工過程的機理，研究重點是切屑變形、切削力和刀具磨損之間的關聯，建立了深孔加工的加工模型，并用計算機采集系統采集的數據進行評估和驗證。結果表明，中心切削刃切出的切屑變形最大，用三刃鉆頭得到的切削力和切屑變形的變化趨勢是相同的；切屑變形隨進給速率的增大而增大，隨工件和刀具的轉速增大而減小。該文還描述了 BTA 深孔加工中的對其他力 （如軸向力） 的測量和分析，并根據實驗數據建立了軸向力的經驗公式。該文的研究為 BTA深孔鉆工藝的在線檢測和控制系統的進一步發展奠定了堅實的基礎。
隨著對環保的要求越來越高，需要減少切削液的使用，因此便產生了干式和亞干式深孔加工。即將部分切削液霧化并與氣體混合制成冷卻液，采用低溫冷風法和油氣噴射法進行冷卻[16]。深孔干鉆削是干加工工藝中最難的工藝。文獻[17]描述了噴吸鉆的工作原理，及利用壓縮空氣代替切削液的深孔加工方法，并對鉆頭的幾何參數進行了優化。然而對于孔加工來說，切屑較多，熱量較大，完全不采用切削液的加工難以實現，需要采用亞干式加工。采用亞干式切削經濟實用，氣體溫度、流量均可調節，以應對不同加工環境，也在一定程度上減少了污染[18]。文獻[19]中給出了干式、亞干式加工的關鍵技術研究，通過合理使用冷卻和潤滑霧化氣體，采用負壓排屑裝置，合理設計刀具參數，以及合理選用切削液，可以使得加工效果精度達到 IT 11~12 級，表面粗糙度 Ra 達到 6.3~3.2。
由于機械加工的研究不斷深入，特種加工方法也越來越多地得到運用，例如電火花加工。文獻[20]給出了一種內噴霧電介質燒蝕深孔加工方法，它采用了連續脈沖和間歇性供氧的方法。其中“霧”是氧和水的混合物，用混合物作為電介質，化學反應產生的能量用于提高蝕除過程的效率；無氧時修整蝕除表面。文中對采用內噴霧電介質燒蝕技術、內
噴霧電火花加工技術和純氧環境的間歇式電火花加工技術進行深孔加工作比較試驗，重點研究了各種技術的加工機理、加工效率、電極相對磨損率、加工質量和精度。結果表明，間歇式電火花加工能量過大以至于難以控制，而且容易導致短路，影響系統穩定性；內噴霧電介質燒蝕技術的效率為內噴霧電火花加工技術的 5.45 倍，而且刀具相對磨損率下
降了 82％，可以達到很好的表面質量和很高的加工精度；高壓氣霧可以起到冷卻和抑制電火花燒蝕的作用，可以提高燒蝕反應的可控性和穩定性，維持穩定的燒蝕過程；內噴霧電介質燒蝕技術繼承了間歇式電火花加工技術的特性，包含內噴霧電火花燒蝕和水中普通電火花燒蝕兩個過程。
文獻[21]探究了通過使用快速響應的旋轉電極來提高小直徑深孔電火花加工速度的方法，提出了一種結合傳統的電火花加工機床的電磁驅動五軸聯動機床。該機床可提高電火花加工深孔的速度，其中的電磁驅動電機可以同時起到使電極旋轉和快速定位的作用。實驗結果表明，與普通電極不旋轉的電火花 加工相比， 該機 床加 工 φ0.5 mm ×4 mm 和φ1.0 mm×4 mm 的通孔時，加工速度分別提高了125％和 337％；使用快速響應聯動機床加工，以800 r/min 轉速加工 φ0.5 mm×4mm 通孔的加工速率 最 大 提 升 343% ， 以 600 r/min 轉 速 加 工 φ1.0mm×4 mm 通孔的加工速率最大提升 433%。上述實驗結果還表明，用聯動機床加工深孔的長徑比越大，電極旋轉的影響越明顯。
文獻[22]對金屬深孔電火花加工的參數進行了優化，提出的一種具有電介質涂層保護套的工具電極的 EDM 系統，該文測定了最優脈寬、電極尖端與保護套最優間距和電極進給控制的最優振幅。結果表明，加工 0.75～0.80 mm 孔徑時，脈寬 40 μs、尖端間距 7 mm、振幅 40 μm 時加工效果最優。此優化相比以前的參數提高了約 35%的加工速度，降低了約 40%的電極損耗。
3 、深孔加工技術的應用
隨著工業化進程的不斷推進，深孔加工的應用范圍不斷擴展，在軍工、航天、石油化工機械等領域都有運用。
給出了槍鉆在汽車制動泵主缸深孔加工機床中的運用，并設計了加工過程中的排屑方式、主軸轉速、主軸電機的功率及冷卻系統等。文獻[25]詳細設計了活塞桿的深孔加工設備和工藝，對以往的工藝進行改進，并采用了合適的裝夾方式、刀具材料和切削參數，提高了生產率。文獻[26，27]、分別研究了船用中高速柴油機和重機進氣管的深孔加工技術。文獻[28]介紹了水泥機械的深孔加工技術，由于其工件質量很大，可達數十噸，因此其深孔加工有著特殊的難點，另外其孔徑范圍差別很大，因此同一零件需要用不同種類的深孔加工手段。該文根據工藝需求對舊機床進行了改造，實現了提升深孔加工綜合效益的目標。特種加工方面，文獻[29]給出了鈦合金材料的超聲和電火花深孔加工方法。由于鈦合金材料用普通機械加工方法難以加工，即便是較為合適用于其加工的電火花加工方法，在加工深孔時由于其低導熱性和高韌性使得加工效果也不理想。因此文中將超聲振動加入電火花加工過程，并分析其作用，提出了一種結合超聲波與微細電火花的四軸機床。另外，文獻[30]對多孔陶瓷燃燒板的深孔加工進行了研究。
4 、深孔加工技術的發展趨勢
從最早的鉆削槍管使用的槍鉆，到后來出現的BTA 鉆、噴吸鉆、DF 鉆等，深孔加工工藝的優化方法不斷產生，例如新型刀具材料、結構，導向塊布置，排屑裝置等，并在優化過程中不斷增強環保意識，逐漸向高效率、高精度、高可靠等方向發展[31]。同時，深孔加工技術還逐漸引入學科交叉的思想。例如特種加工，它徹底改變了深孔加工的原理，
利用電能使材料汽化或液化達到去除材料的目的。數控加工的發展也使得小批量、多品種的深孔加工成為了可能，并結合了計算機技術的發展，越來越使得工人的操作得到簡化[32]。
為了節省資源和減少污染物排放，對于加工的綠色化也提出了更高的要求，新型綠色加工技術主要有 3 種：采用綠色切削液、干式切削、準干式切削。由于干式切削技術難度較大，因此暫時難以推廣；準干式切削使用微量切削液，可較大程度減少污染，而且技術難度大大小于干式切削，因此受到更多關注；采用具有生態性能的冷卻潤滑劑，也可
實現綠色切削，并且其對人體健康無影響[33]。
5 、結語
本文通過對深孔加工概念、特點和基本方法的介紹，并重點通過對現有關于深孔加工關鍵技術、工藝及應用文獻資料的調研，給出現今技術發展的概況和未來的發展方向。正是由于深孔加工的困難性和應用上的普遍性，才迫切需要對其理論和技術進行更加深入的研究。隨著科技的進步，深孔加工技術將會朝著高精度、高效率、環境友好方向不斷
發展，并且在更廣泛的工業領域上發揮作用。
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