機(jī)械加工的深孔加工技術(shù)

毛明清

（西北機(jī)械技師學(xué)院，寧夏石嘴山 753000）

0 引言

深孔加工技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的重要技術(shù)，20 世紀(jì)就被廣泛應(yīng)用在軍工領(lǐng)域，直至80 年代，深孔加工技術(shù)逐步應(yīng)用在其他加工行業(yè)。隨著機(jī)械加工技術(shù)的不斷發(fā)展，各種復(fù)雜的加工零件不斷出現(xiàn)，這就對(duì)深孔加工效率、加工質(zhì)量提出了更高的要求。為促進(jìn)機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，下面分析深孔加工技術(shù)。

1 深孔加工技術(shù)的特點(diǎn)

1.1 深孔加工技術(shù)的難點(diǎn)

深孔加工是一種在半封閉或者全封閉狀態(tài)下進(jìn)行加工的技術(shù)，在加工的過(guò)程中，操作人員不能直接觀察到刀具的走刀情況，而在加工的過(guò)程中，切屑產(chǎn)生在深孔中，切屑排出較為困難，極其容易出現(xiàn)堵塞等情況。同時(shí)，深孔加工采用的鉆頭，細(xì)且長(zhǎng)，在加工的過(guò)程中，鉆頭極其容易出現(xiàn)振動(dòng)、偏斜等問(wèn)題，所以深孔加工的粗糙度、垂直度時(shí)有偏差[1]。另外，鉆頭在相對(duì)封閉的環(huán)境下工作，摩擦產(chǎn)生的熱不易散出，鉆頭溫度逐漸升高，受熱效應(yīng)影響，鉆頭磨損速度較快。

1.2 深孔加工的切削方式

（1）工件固定，刀具做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)完成切削。

（2）工件轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具做持續(xù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)完成切削。

（3）工件轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具做相反方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)完成切削。

（4）刀具固定，工件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)完成切削。

1.3 深孔加工的排屑方式

深孔加工排屑方式可分為內(nèi)排屑、外排屑兩種，其中內(nèi)排屑是在鉆桿外壁上注入冷卻液，切屑經(jīng)過(guò)切削區(qū)，從鉆桿中心口逐漸排出；外排屑是指從空心鉆桿注入冷卻液，切屑經(jīng)過(guò)切削區(qū)，從加工孔中以及鉆桿外壁排出切屑。目前，內(nèi)排屑方式應(yīng)用更為廣泛，在實(shí)踐中呈現(xiàn)出較為良好的排屑性能，不會(huì)對(duì)深孔加工精度以及表面粗糙度造成影響[2]。

2 常用深孔加工系統(tǒng)

深孔加工技術(shù)的應(yīng)用，必須要選擇合適的加工系統(tǒng)，按照排屑裝置、冷卻裝置來(lái)合理分類，目前應(yīng)用較為廣泛的加工系統(tǒng)有BTA 系統(tǒng)、DF 系統(tǒng)、槍鉆系統(tǒng)和噴吸鉆系統(tǒng)等4 種，這些系統(tǒng)各有優(yōu)劣，需根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。

2.1 槍鉆系統(tǒng)

20 世紀(jì)30 年代，槍鉆系統(tǒng)即被廣泛應(yīng)用在槍械管制造中，有自動(dòng)排屑功能、冷卻潤(rùn)滑功能、自動(dòng)導(dǎo)向功能，采用單切削刃的切削系統(tǒng)就被稱之為槍鉆系統(tǒng)，如圖1 所示。槍鉆系統(tǒng)中，切削液從入口進(jìn)入，起到冷卻、潤(rùn)滑的作用，然后可將切屑從V 形槽中帶出，該系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用在小直徑深孔加工中。

圖1 槍鉆系統(tǒng)

2.2 2BTA 系統(tǒng)

槍鉆系統(tǒng)屬于外排屑方式，而后隨著深孔加工技術(shù)的逐步發(fā)展，內(nèi)排屑方式逐步應(yīng)用在深孔加工中，內(nèi)排屑深孔加工技術(shù)誕生于槍鉆系統(tǒng)后，針對(duì)槍鉆系統(tǒng)在實(shí)踐中體現(xiàn)出的維修麻煩、鉆桿易斷等問(wèn)題，從業(yè)者逐步改進(jìn)加工技術(shù)，2BTA 系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生[3]。2BTA 系統(tǒng)是利用具有一定壓力的切削液，然后將切削液注入授油器，然后切削液由鉆桿外部以及孔內(nèi)部逐步流向切削部分實(shí)現(xiàn)冷卻潤(rùn)滑，并將切削產(chǎn)生的切屑從鉆桿中空內(nèi)腔帶出，而切削液經(jīng)過(guò)過(guò)濾后，仍舊能夠循環(huán)使用。

2.3 噴吸鉆系統(tǒng)

噴吸鉆系統(tǒng)屬于內(nèi)排屑深孔加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)根據(jù)流體力學(xué)原理，在高壓流體經(jīng)過(guò)一個(gè)狹小的通道后，在流體附近就可形成一個(gè)低壓區(qū)域，該區(qū)域能夠?qū)⒏浇牧黧w吸走。而切削液在該區(qū)域壓力的作用下，從聯(lián)結(jié)器上方的輸油口輸入，然后60%切削液進(jìn)入鉆桿間的空間，從鉆頭柄部小孔逐步流向切削區(qū)域，達(dá)到冷卻、潤(rùn)滑的目的。因切削液帶有一定的壓力，切削液可將切削所產(chǎn)生的切屑從鉆桿內(nèi)腔推出，其余40%切削液就可從鉆桿上的月牙狀噴嘴進(jìn)入鉆桿內(nèi)部，然后在鉆桿內(nèi)部形成一個(gè)帶有一定壓力的區(qū)域，起到抽吸切屑、切削液的效果，在推出以及吸入的雙重作用下，切屑就能夠高效排出。

2.4 DF 系統(tǒng)

DF（Double Feeder，雙供油）系統(tǒng)，采用雙進(jìn)油方式。該系統(tǒng)輸油器、鉆頭、鉆桿、工件和2BTA 系統(tǒng)基本相同。利用油泵輸送帶有壓力的切削液，切削液分為兩個(gè)部分輸入，其中70%進(jìn)入授油器，然后經(jīng)過(guò)鉆套、孔壁、鉆桿、鉆體流至切削刃，將切屑逐步推至鉆頭后部，然后由鉆頭內(nèi)腔進(jìn)入鉆桿并進(jìn)入抽屑設(shè)備。其余30%切削液直接進(jìn)入抽屑裝置內(nèi)部，經(jīng)逐漸變窄的間隙，形成圓錐面射流，在鉆桿末端形成負(fù)壓抽吸效果，達(dá)到加速排屑的目的。

3 高效數(shù)控深孔加工機(jī)床

目前，深孔數(shù)控加工機(jī)床正逐步朝著精密化、可靠化、高效化、模塊化、智能化的方向發(fā)展，刀具、機(jī)床、導(dǎo)軌等技術(shù)緊跟深孔加工需求變化趨勢(shì)，而機(jī)床元器件的發(fā)展，就能夠促進(jìn)生產(chǎn)效率的提升，從而帶來(lái)質(zhì)量、效率方面的發(fā)展進(jìn)步。

3.1 高效數(shù)控深孔加工機(jī)床的優(yōu)勢(shì)

首先，高效數(shù)控深孔加工機(jī)床彌補(bǔ)了內(nèi)排屑、外排屑存在的缺陷，不僅鉆孔直徑可任意調(diào)整，并且鉸刀、擴(kuò)鉆選擇也更為靈活。其中擴(kuò)鉆套料鉆能夠讓加工孔徑得到小范圍的延伸，可根據(jù)自身所需要的加工需求，選擇相應(yīng)的加工機(jī)床，同時(shí)高效數(shù)控深孔加工機(jī)床降低了深孔加工成本，減小了深孔加工占地面積；其次，高效數(shù)控深孔加工機(jī)床兼容深孔精加工，成本較低且方便易行，這也為深孔加工產(chǎn)品指出了新的發(fā)展方向。

3.2 高效數(shù)控深孔加工機(jī)床模塊

高效數(shù)控深孔加工機(jī)床模塊構(gòu)成如圖2 所示，在機(jī)床左側(cè)床身上，設(shè)置有固定工作臺(tái)，工作臺(tái)上裝有機(jī)床主軸模塊，主軸模塊移動(dòng)依托于精密T 形槽，以此來(lái)適應(yīng)不同深孔加工需求，如若加工固定工件，就可拆開(kāi)位于主軸上的螺母，然后裝上裝夾工具進(jìn)行加工。圖2 中，刀座和刀頭兩個(gè)部分可根據(jù)實(shí)際加工需求，選擇不同的加工輔具，以適應(yīng)任意加工方式。若固定工件體積過(guò)大，可選擇分離式工作臺(tái)安裝在機(jī)床左側(cè)，可加工大型工件。并且，高效數(shù)控深孔加工機(jī)床中輸油器也采用的模塊式結(jié)構(gòu)，可根據(jù)生產(chǎn)需求選擇不同的加工組件。這種加工系統(tǒng)具有現(xiàn)代化、專業(yè)化、集約化的特點(diǎn)，有利于現(xiàn)代化生產(chǎn)制造，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的定制銷售，可有效降低生產(chǎn)成本。

圖2 高效數(shù)控深孔加工機(jī)床模塊構(gòu)成

3.3 高效數(shù)控深孔加工機(jī)床刀具系統(tǒng)

隨著深孔加工技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)深孔加工精度、效率的要求也越來(lái)越高，刀具材料質(zhì)量就成為了需要迫切解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。目前，為提高刀具材料質(zhì)量，應(yīng)對(duì)高精度、高效率的深孔加工，我國(guó)主要采用涂層技術(shù)來(lái)提高刀具材料質(zhì)量。同時(shí)，為解決刀具制造以及使用問(wèn)題，采用模塊化設(shè)計(jì)制造的方式，綜合考慮到配套刀具、導(dǎo)桿、導(dǎo)向裝置的相互配合，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可有效提高加工水平，縮短輔具制造周期。化學(xué)氣相CVD、物理氣相PVD 等刀具材料表面改性技術(shù)在深孔加工中起到了良好的效果，尤其是物理氣相PVD 改性技術(shù)，目前已經(jīng)成為了深孔加工刀具制造的核心技術(shù)。

4 深孔加工工藝優(yōu)化技術(shù)

4.1 深孔加工機(jī)床油路分流系統(tǒng)

深孔加工機(jī)床油路系統(tǒng)，結(jié)合了噴吸鉆、BTA 二者的優(yōu)點(diǎn)，其主要工作原理和噴吸鉆系統(tǒng)有著諸多相似之處，在加工的過(guò)程中，切削液的輸送是連接整個(gè)系統(tǒng)的橋梁，其中鉆削分流比選擇就成為了決定加工效率的關(guān)鍵。深孔加工機(jī)床切削液回路如圖3 所示。

圖3 深孔加工機(jī)床切削液回路

4.2 高效深孔加工切削參數(shù)優(yōu)化

在深孔加工中，為達(dá)到高效加工的目的，最為重要的就是要合理調(diào)整基本切削參數(shù)，保證加工質(zhì)量、加工效率。切削參數(shù)的選擇需要綜合參考工件材料、加工孔徑、加工孔深，切削進(jìn)給量的選擇也需要綜合考慮到切削量，若是進(jìn)給量過(guò)大或者過(guò)小，那么深孔切削產(chǎn)生的切屑就會(huì)呈帶狀，不易于排出，進(jìn)而導(dǎo)致堵塞，甚至打碎刀具。通常來(lái)說(shuō)，深孔加工的進(jìn)給量需控制在0.01～0.1 mm/r，轉(zhuǎn)速控制在3500～12 000 r/min，然后在此基礎(chǔ)上逐步優(yōu)化深孔加工參數(shù)。綜合來(lái)說(shuō)，影響深孔加工切削參數(shù)的因素有以下4 點(diǎn)。

（1）鉆頭直徑，若是選用的鉆頭直徑越大，那么相對(duì)選擇的進(jìn)給量也越大，但是切削速度無(wú)需參考鉆頭直徑。

（2）不同的工件材料切削難易度不同，需綜合判斷其切削難易度來(lái)選擇進(jìn)給量。

（3）深孔加工刀具材料主要為帶有涂層的硬質(zhì)合金，應(yīng)根據(jù)加工材料以及刀具材料的機(jī)械性能，選取相應(yīng)的進(jìn)給量，才能延長(zhǎng)刀具使用壽命，保證加工質(zhì)量以及加工效率。

（4）進(jìn)給量和切屑產(chǎn)生有著密切關(guān)系，所以進(jìn)給量也要考慮到切削液循環(huán)以及排屑能力[4]。

深孔加工和刀具材料、工件材料物理機(jī)械性質(zhì)有著密切關(guān)系，想要大幅度提高深孔加工效率，繼續(xù)開(kāi)發(fā)深孔加工新方法、新技術(shù)。傳統(tǒng)深孔加工技術(shù)和智能技術(shù)、信息技術(shù)的相互融合，也會(huì)成為未來(lái)深孔加工技術(shù)的必然發(fā)展趨勢(shì)，并且會(huì)衍生出更多的研究成果。

5 結(jié)束語(yǔ)

深孔加工技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械加工中有著重要作用，對(duì)現(xiàn)代生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展有著至關(guān)重要的影響，機(jī)械加工從業(yè)者對(duì)其要有足夠認(rèn)識(shí)。