基于機械加工的深孔加工技術(shù)探析

摘 要：機械加工中有三分之一的加工是孔加工，而深孔加工則占孔加工的四成，所以深孔加工是一種重要的加工形式。同時深孔加工的工藝較為特殊，不能直接觀察成孔的過程和內(nèi)部狀況，所以必須對其工藝進行合理選擇與設計，文章對深孔加工技術(shù)進行分析，闡述關(guān)鍵工藝對加工過程的影響。

關(guān)鍵詞：機械加工；深孔加工；工藝路線；刀具

1 機械加工中深孔加工的特征分析

機械加工中的深孔加工是針對孔深與直徑之比（L/d≥5）較大的孔進行鉆孔加工，因為孔的深度大直徑小，因此工藝特征也較其他普通孔有所差異，特征如下：

1.1 加工難度大：深孔加工的過程多數(shù)都是在半封閉和全封閉的工況，不能直接觀察刀具切削的過程和走刀的情況；深孔加工因為半徑和孔深比例差異大，因此形成的金屬屑不易排出，容易堵塞而影響加工；鉆頭長度大剛性也就低，容易出現(xiàn)抖動和偏孔的情況，且表面精度不易保證；散熱也是影響加工的重要因素，相對封閉的孔內(nèi)易導致溫度升高而造成鉆頭磨損。

1.2 運動方式：在加工中工件與刀具的運行與進給方式有多種選擇，如工件轉(zhuǎn)動而刀具進給；工件固定而刀具旋轉(zhuǎn)進給；工件與刀具按照相反的方向進行旋轉(zhuǎn)并進行進給；工件旋轉(zhuǎn)并進給而刀具靜止，此方式很少應用。

1.3 深孔加工的排屑：在加工中應用的排屑方式有兩種，一種是外排屑，冷卻液進入空心鉆桿從切削區(qū)域?qū)⑶行紟С?，從加工零件的孔和鉆桿外壁排除；一種是內(nèi)排屑：冷卻液從零件的孔和鉆桿外壁進入，經(jīng)過切削區(qū)域帶出切屑，從空心鉆桿的孔中排除；兩種方式中通常先考慮選擇內(nèi)排屑的方式，此類方式不會對孔壁形成二次摩擦，而影響加工表面質(zhì)量，鉆桿的剛性也高。

2 機械加工中深孔加工技術(shù)的分析

2.1 工藝路線的設計與選擇

機械加工中工藝路線是必要的指導思路，深孔加工也不例外，首先應綜合考慮深孔加工方法和刀具的適應性，針對加工零件的特征選擇相關(guān)工藝方法，同時還應考慮零件的材料性質(zhì)，針對其特征再精細設計工藝過程。其次，對加工過程進行段落劃分，通常分為：粗加工、半精加工、精加工、光整加工，進行工藝設計，選擇合適的技術(shù)措施，并以此提高加工效率和質(zhì)量，如果質(zhì)量要求和薄壁零件、工余量不大的則不需要分段。第三，工藝路線的設計，深孔加工的工藝路線應按照其結(jié)構(gòu)特征和加工方法、設備因素等來設置，因為深孔刀具技術(shù)的發(fā)展，深孔加工已經(jīng)進入了精密加工時代，集中安排工序可以優(yōu)化加工的過程，從而避免多次裝夾而出現(xiàn)誤差。最后，合理控制加工余量，深孔零件的加工余量與其他孔不同，余量應增加，不同刀具和刀具角度余量也不同，如單刃鉸刀比多刃鉸刀余量大，偏角大的比偏角小的余量大等，所以在加工中必須按照相應的工藝和質(zhì)量要求來設計余量。

2.2 深孔加工的刀具選擇

按照不同的深孔表面要求，選擇適應的刀具也十分重要。在加工中常見的刀具有：扁鉆、麻花鉆、外排屑深孔鉆、內(nèi)排屑深孔鉆、噴吸鉆、槍鉆、復合刀具等。具體應用情況如下：

（1）扁鉆：從結(jié)構(gòu)上分為整體扁鉆和裝配扁鉆，整體扁鉆結(jié)構(gòu)相對簡單，生產(chǎn)與加工容易，對硬度高的鑄件和鍛件適用。裝配式扁鉆刀桿的剛性大，刀片則是高速鋼或者合金，可實現(xiàn)快速更換，且可以打磨成各種形狀，切削液容易導入，加工范圍廣，適用于自動化加工。

（2）麻花鉆：該刀具應用廣泛，通常在粗加工階段應用。

（3）外排屑深孔鉆：通常是單雙刃深孔鉆，原理是高壓油進入到鉆桿孔，經(jīng)過腰孔進入到切削區(qū)域，迫使碎屑隨著切削液從V型的導槽和工件壁之間排出。這種深孔鉆刀面為0°，方便加工。沒有橫刃，鉆尖與軸線形成一個角度，鉆孔中鉆尖形成小圓錐，可以讓切屑斷裂，容易排出。切削部分形狀對孔的公差、切屑成型、切削液壓力、刀具壽命、偏離角度等都會對其成孔過程產(chǎn)生影響。

（4）內(nèi)排屑鉆頭：鉆頭和鉆桿之間有螺紋連接，工作時高壓切削液從鉆桿外圓和工件壁之間注入，切削同時產(chǎn)生的切屑從鉆桿的中心排出。

（5）噴吸鉆：主要是利用切削液產(chǎn)生的噴射效應來排出切屑，通常該鉆有內(nèi)外兩根管，其中三分之二的切削液從內(nèi)外管的空隙和鉆頭前部流入到切削區(qū)域，起到導向和冷卻、潤滑的效果，并可以將切屑從孔內(nèi)排出，另外的三分之一，切削液從內(nèi)管后部噴射，產(chǎn)生快速的噴射流，形成一個低壓區(qū)域由此與前端配合形成壓差，起到一個噴吸效果，提高了鉆削的效率。

2.3 定位選擇

深孔加工與其他成孔加工一樣都需要保證定位基準，在實踐中錐面定位是常見的方式，主要應用在回轉(zhuǎn)體、中小直徑孔、管坯鏜孔等；也可采用內(nèi)錐面定位，是應用在中等直徑的內(nèi)排切削加工方式；而小孔直徑的外排切削加工或槍鉆加工則可以利用外錐面定位。如果采用錐面定位必須注意對直線度和余量的保證，必須在鉆孔、鏜孔前的端面進行內(nèi)外錐面的處理。對于大直徑深孔則利用外圓進行定位。如果采用圓定位，應在外圓上加工安裝面、定位面、找正面，并保證三者之間是同心圓，對于非回轉(zhuǎn)體則應利用安裝面作為定位基準。

2.4 冷卻潤滑的保證

深孔加工中因為孔內(nèi)在加工中相對封閉，因此容易造成溫度急劇升高，因此必須進行降溫處理，同時還應保證切削過程中潤滑效果。所以必須利用潤滑液來起到冷卻與潤滑作用。冷卻液、潤滑液必須進行合理的配合，使得工件在加工中保證質(zhì)量并保證刀具壽命延長。另外，冷卻液和潤滑液在深孔加工中還可以起到?jīng)_刷、減震、消音等作用。鉆削中因為孔徑小且深度大，就會在加工中產(chǎn)生較大的抗力和阻力，克服這些阻力而順利完成加工則會消耗較多的能量，同時切向和徑向的力同時作用在導向塊上，此時孔壁和刀具就會產(chǎn)生摩擦，摩擦能量就會產(chǎn)生熱量和溫度升高。這些熱量只能借助于冷卻措施來降低。同時冷卻液的存在可以讓導向塊和孔壁之間形成一種液壓支撐系統(tǒng)，以此有效降低導向塊摩擦，也可降低摩擦力對功率的消耗，在節(jié)能方面也可以起到一定的作用。再有，潤滑液和冷卻液可以通過壓力和流量來幫助清理切屑。利用冷卻液將工作區(qū)域的切屑沖刷到加工區(qū)以外，實現(xiàn)清理排屑的效果，保證成孔過程的順利進行。因為在工作區(qū)域和鉆桿內(nèi)部、外部充滿了油性的液體，從而減少了切削過程中的摩擦、震動等，降低了噪聲。

2.5 排屑處理

深孔加工中因為成孔的空間相對封閉，因此形成的切屑很難排除，沉積切屑會影響加工的過程和質(zhì)量。尤其是內(nèi)排屑鉆的過程中，排屑受到空間和環(huán)境的影響，只有有限的空間可以利用進行排屑，所以排屑工作難度大不易開展。從切削的角度看，深孔成孔排屑的問題集中在切屑的處理上，如分屑、斷屑、排屑三個連續(xù)過程。針對不同的材料會形成不同特征的切屑，形狀、寬窄、彎曲程度、尺寸等都會影響排屑的效果。所以在深孔加工中排屑問題是重要的工藝指標。然而深孔加工中排屑通道過長，工作中屬于半封閉的狀態(tài)，切削熱量大散熱難度也大。所以在深孔成孔工藝中必須考慮冷卻與排屑兩個系統(tǒng)，以內(nèi)排屑深孔鉆工藝為例，該工藝具備較為明顯的優(yōu)勢，最主要的是具有外冷內(nèi)排屑和自身導向，能夠加工直徑6-80mm深孔。在成孔過程中，工件首先進行旋轉(zhuǎn)，鉆頭借助螺紋與鉆桿進行連接，封油頭在刀架的帶動下開始成孔，使得導向裝置進入到工件中。內(nèi)排屑深孔鉆進的過程中，切屑在鉆桿內(nèi)實現(xiàn)排屑，不會在孔壁和刀具之間發(fā)生摩擦，這樣可以最大限度地保證加工表面的質(zhì)量和精度。該技術(shù)采用的鉆桿外徑要大于外排屑裝置，因此剛性得到了提高，且增加了供給量，成孔的效率也得到了大幅提高。內(nèi)排的原理就是在切削液的壓力作用下，從孔壁和鉆桿外表面尋覓空隙，進入到切削區(qū)域的冷卻和潤滑部位，將前端的切屑沖入到鉆桿內(nèi)，然后從鉆桿后部排除。此類排除切屑的方式容易實現(xiàn)，且兼具冷卻和潤滑的效果。同時也可保證鉆桿的穩(wěn)定，但是因為需要獨立設置內(nèi)排屑供液系統(tǒng)，加工造價稍高。

3 深孔加工中應用的設備

深孔加工中往往利用專業(yè)的設備來完成工件加工，主要按照運動模式進行選擇，通常是工件旋轉(zhuǎn)輔助刀具進行軸向進給，使得加工工藝可以順利完成。其中最為重要的設備就是機床的選擇。機床是整個加工工藝的基礎，主要由主軸箱、進給箱、刀具夾裝設備、機床主體、中心架、移動輔助裝置共同構(gòu)成。主軸箱是支撐主軸，控制旋轉(zhuǎn)和移動不同級的轉(zhuǎn)變，卡盤和撥盤等附屬部件通常安裝在主軸的右端，轉(zhuǎn)軸多為空心，內(nèi)部有錐孔，這樣可以為夾裝細長的刀具提供設置環(huán)境。進給箱是利用絲桿將電機產(chǎn)生的動能傳遞到刀具上，推動刀具完成直線運動。夾裝裝置主要夾裝鉆桿，利用螺母相互連接，在絲杠的帶動下，鉆桿可以沿著軸向完成加工進給。機床床身是基本結(jié)構(gòu)，可以將多個部件組合起來，除了保證各個部件都處在正確的位置，還能協(xié)調(diào)各個部分的工作狀況。床身上設置刀架和支架導軌等，床身下有支撐支架等，保證其固定在基礎上，穩(wěn)定整個加工系統(tǒng)。當然在深孔加工中，工件的情況不同也就不能一概而論，在設備選擇上如果不能完全采用深孔加工設備，則可以采用臥式的車床來取代成孔設備。如以臥式機床加工油缸缸套深孔為例，通常采用的是一夾一支的裝夾方式，一端則利用四爪單動或者其他類型的卡盤來進行夾緊，另一端則利用中心架完成對軸向的支撐。深孔刀具的夾裝則需要配置專用的刀具架。專用的刀具架安裝在滑板上保證進給。車削過程中，車床主軸帶動刀具完成旋轉(zhuǎn)，滑板則帶動刀具完成加工的進給。

還有輸油器，該設備也是深孔加工的重要輔助裝置，主要的功能就是保證切削液進入到指定的區(qū)域，使得切屑能夠在液壓的推動下完成排屑的過程，主要設置在工件和鉆頭相互接觸的位置上。同時內(nèi)排屑的方法中，鉆孔的冷卻液容易出現(xiàn)滲漏的情況，應重視這個問題，這就要求輸油器的密封達到一定的標準，加工中需要調(diào)整保證其狀態(tài)。輸油器和導向架之間應利用密封墊來完成連接，這樣就是要控制漏油的問題。同時輸油器和鉆桿的接觸面、支承架工件端面之間也應利用密封圈進行控制，由此提高防漏的效果。

4 結(jié)束語

綜合來看，機械加工中深度和孔徑之間的比例大于5的時候，就屬于深孔加工工藝，這一類加工成孔困難且復雜，孔深大則會導致加工工藝特征的改變，如刀桿細長剛性低，鉆削容易抖動且容易產(chǎn)生偏移等。因此在加工的過程中需要考慮工藝的特殊性來選擇各種工藝措施，對于深孔工藝而言，技術(shù)水平和實施方法必須重視從工藝路線到排屑方式等細節(jié)，這樣才能在加工中獲得較好的工藝效果，保證深孔加工的質(zhì)量。

參考文獻

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