大深徑比深孔加工工藝研究

【摘要】在機(jī)械零部件的加工制造中，對(duì)于深孔的加工，一直是加工制造業(yè)中一項(xiàng)困難性高、操作復(fù)雜的任務(wù)。尤其在大深徑比的深孔加工中，其加工工藝要求較高，技術(shù)性較強(qiáng)。本文以大深徑比的噴嘴類零件深孔加工研究為例，對(duì)其加工工藝進(jìn)行分析，對(duì)深孔加工的工藝設(shè)計(jì)方案進(jìn)行較為細(xì)致的探討。

【關(guān)鍵詞】深徑比；深孔；加工；工藝；研究

深孔加工對(duì)加工的工藝和技術(shù)要求都很高，一般的加工技術(shù)很難滿足其加工精度和質(zhì)量的要求。對(duì)于深孔加工，通常是指孔的長(zhǎng)度和直徑的比值至少要在5以上，在實(shí)際工作中，很多深孔的長(zhǎng)度和直徑的比都要達(dá)到10以上，涉及的加工工藝和技術(shù)要求更高。對(duì)于大深徑比的深孔加工，其加工的刀具因?yàn)楸容^細(xì)長(zhǎng)，在剛度上也較差，極容易出現(xiàn)切削的偏斜，而且因?yàn)榭咨钶^大，給散熱也帶來(lái)相應(yīng)的困難，不容易排屑等問(wèn)題都會(huì)對(duì)加工質(zhì)量產(chǎn)生直接的影響，產(chǎn)品合格率較低，給加工帶來(lái)很大的壓力。本文以用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)的某噴嘴類零件為例，對(duì)其加工方案的設(shè)計(jì)和加工工藝進(jìn)行研究分析。

1、加工概況

本文研究實(shí)例是一個(gè)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)方面的噴嘴類零件，加工材料為GH4169，其孔的長(zhǎng)度和直徑的比為17，孔長(zhǎng)度為105mm，孔直徑為Φ6mm，是典型的大深徑比深孔加工的零件屬于加工困難的高溫合金孔。同普通的鋼材相比，深孔加工更具有難度，其對(duì)刀具的磨損較大，刀具的壽命僅為普通鋼材加工的一半，而且在工作效率上也很低，因?yàn)槎喾矫娴呢?fù)面影響，使其加工的成本比普通鋼材要高很多。

對(duì)于大深徑比的高溫合金深孔加工其難點(diǎn)主要有：第一，因?yàn)閯偠容^高，其需要的切削力增大，機(jī)床加工功率也大，增加了能量的消耗；第二，深孔的切削加工，其加工環(huán)境屬于半封閉的狀態(tài)，在切削的過(guò)程中產(chǎn)生的高熱無(wú)法及時(shí)的發(fā)散，同時(shí)產(chǎn)生的切屑也無(wú)法及時(shí)排出，熱度的雙重增加作用，是切削刀具的磨損更加厲害，大大影響其使用壽命和加工質(zhì)量，因此要注意對(duì)切削刀具材料的選擇；第三，對(duì)于高溫合金深孔的加工采用普通的鉆削加工方法很難保證其加工的精度達(dá)到理想要求。綜合以上加工難點(diǎn)，總結(jié)出要想保證零件深孔加工的精度達(dá)到理想要求，就必須選擇合適的加工設(shè)備和加工刀具。

2、深孔加工工藝設(shè)計(jì)和分析

如果用普通的鉆削方式進(jìn)行大深徑比深孔的加工，通常需要將麻花鉆加長(zhǎng)且使用斷屑加工的加工工藝。在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，此種加工方法加工處理的深孔不僅加工的精度較低，而且工作效率低下，加工質(zhì)量很難保證。另外還經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)鉆頭折斷或者堵屑的現(xiàn)象，給加工造成的困難的同時(shí)也提高了加工的成本。因此，對(duì)于深孔加工，要選擇專門(mén)的深孔刀具，并且選擇合適的加工設(shè)備以滿足大深徑比深孔加工的需要。

2.1 選擇合適的刀具

對(duì)于深孔加工的刀具來(lái)說(shuō)，可分為多種類型：①噴吸鉆。噴吸鉆在臥式加工中心和車床上使用，主要在比較容易加工的工件材料上使用；②套料鉆和內(nèi)排屑深孔鉆。這兩種刀具加工直徑在6mm的小孔上不太適合；③硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位深孔鉆適用于鉆削直徑在20mm以上的深孔加工；④亞干式深孔加工系統(tǒng)。此種系統(tǒng)的加工散熱和排屑主要靠利用壓縮空氣來(lái)進(jìn)行，這需要有專門(mén)的加工設(shè)備來(lái)操作。⑤槍鉆。槍鉆適用加工直徑在Φ3mm～20mm的深孔加工。綜合以上加工刀具的性能分析，再考慮本例要加工的零件的實(shí)際要求，本文認(rèn)為選擇槍鉆作為加工刀具最為合適。

槍鉆由三部分組成，即刀柄、鉆桿和硬質(zhì)合金鉆尖，鉆尖上設(shè)置油孔。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示：

在鉆尖上油孔可是鉆頭進(jìn)行散熱冷卻和進(jìn)行排屑，在鉆頭表現(xiàn)還可進(jìn)行有助于加強(qiáng)韌性的材料的涂抹，如TiC。鉆桿通常采用40Cr的無(wú)縫鋼管。槍鉆在深孔中運(yùn)用，其前角通常為零度且沒(méi)有橫刃，鉆尖和軸線偏離，加工時(shí)在鉆尖前有小圓錐形成，便于排屑。

2.2 選擇合適的設(shè)備

槍鉆在進(jìn)行回轉(zhuǎn)工件中心上的孔的鉆削加工工作時(shí)，其工作狀態(tài)通常是鉆頭進(jìn)給呈直線型，工件來(lái)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。這種方式適合的加工環(huán)境通常是專門(mén)的加工中心或者配備了高壓冷卻系統(tǒng)的車床與刀具或者工件旋轉(zhuǎn)場(chǎng)合。因此，在設(shè)備的選擇上，要根據(jù)自身的實(shí)際情況和加工需要來(lái)選擇合適的設(shè)備和場(chǎng)合。本文實(shí)例零件的加工綜合了實(shí)際的客觀情況，選擇了車銑復(fù)合加工中心。此種設(shè)備滿足了零件選擇的需要，同時(shí)具有高壓內(nèi)部冷卻系統(tǒng)的配備，可以滿足槍鉆進(jìn)行深孔鉆孔加工的應(yīng)用需要。

2.3 槍鉆引導(dǎo)孔的加工

槍鉆的鉆頭具有不平衡性，也就是說(shuō)其產(chǎn)生的切削力也是不平衡的，有周邊徑向切削力的存在，這樣會(huì)對(duì)其加工的精度造成很大的影響。為了使這種徑向切削力得到有效的減少和控制，就需要采用導(dǎo)套或者引導(dǎo)孔的方式對(duì)其進(jìn)行分擔(dān)。通常在槍鉆專用加工機(jī)床上，都有槍鉆引導(dǎo)套的配備，但是如果在非專用機(jī)床上采用槍鉆，缺乏導(dǎo)套和夾具的配備，可以通過(guò)鉆削引導(dǎo)孔的方方來(lái)分擔(dān)徑向切削力，達(dá)到槍鉆切削力的平衡。根據(jù)實(shí)踐總結(jié)得出結(jié)論：對(duì)于槍鉆引導(dǎo)孔來(lái)說(shuō)，其深度為槍鉆直徑的1.5倍左右為宜，引導(dǎo)孔直徑大于鉆頭直徑0.004mm～0.012mm為宜。

3、深孔加工工藝試驗(yàn)和結(jié)果分析

在進(jìn)行深孔加工操作時(shí)，采用軟三爪進(jìn)行裝夾，按照車端面到按導(dǎo)向孔再到鉆削深孔的順序進(jìn)行加工。

在引導(dǎo)孔的加工鉆削時(shí)，要選擇合適的刀具以滿足槍鉆的引導(dǎo)作用。分別選擇了進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)的兩種刀頭進(jìn)行了鉆削試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)進(jìn)口刀具在各項(xiàng)性能方面的表現(xiàn)都要優(yōu)于國(guó)產(chǎn)刀具。進(jìn)口刀具中的鉆頭鉆速為國(guó)產(chǎn)刀頭的3～4倍，進(jìn)給率在2倍以上，而且其耐磨性好，成本也較高。兩種刀具在加工質(zhì)量上結(jié)果相差不多，因此，如果在加工件數(shù)少或者加工量小的情況，在保證加工質(zhì)量的前提下，選擇國(guó)產(chǎn)刀具可以明顯的降低加工的成本

在進(jìn)行深孔加工上，采用兩種加工方案進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。第一種是采用進(jìn)入導(dǎo)向孔和退出深孔時(shí)使用小轉(zhuǎn)數(shù)和進(jìn)給率的方法。第二種是以小轉(zhuǎn)數(shù)和進(jìn)給率反轉(zhuǎn)進(jìn)入導(dǎo)向孔，以零轉(zhuǎn)數(shù)的快速推出深孔的方法。結(jié)論得出：第二種加工方法無(wú)論在加工效率上還是加工質(zhì)量上都表現(xiàn)良好的優(yōu)勢(shì)。在冷卻壓力的滿足的情況下，使用第二種加工方法進(jìn)行刀具壽命的試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，一把槍鉆最多只能完整加工五個(gè)零件，在加工第六個(gè)零件時(shí)，鉆頭容易發(fā)生折斷。

綜上所述，進(jìn)行大深徑比深孔加工，最主要的就是選擇合適的高質(zhì)量的鉆削刀具。在綜合主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和冷卻壓力的作用，可解決麻花鉆在深孔加工中存在的精度和質(zhì)量問(wèn)題。另外槍鉆在專用機(jī)床或者滿足高壓冷卻和導(dǎo)向需要的情況下，在數(shù)控車床和復(fù)合加工中心都可以得到良好的使用，具有很高的可行性。

參考文獻(xiàn)

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