深孔鉆床的數(shù)控制造技術(shù)及深孔加工精度提升方法

金 艷，齊 威

(大連工業(yè)大學(xué)，遼寧 大連 116034)

0 引言

深孔加工在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，尤其在汽車、工程機(jī)械、礦山機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械等領(lǐng)域的機(jī)械零件十分常見，傳統(tǒng)的深孔鉆床采用長(zhǎng)鉆頭以人工控制機(jī)床的方式進(jìn)行加工，加工過(guò)程中存在著精度不高、難度大等很多問(wèn)題，使深孔零件的品質(zhì)始終達(dá)不到設(shè)計(jì)的最佳要求。隨著數(shù)控技術(shù)的普及，先進(jìn)的數(shù)控加工機(jī)床逐漸應(yīng)用到機(jī)械生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的深孔鉆床因不具備數(shù)控功能往往被閑置或淘汰，新購(gòu)置的數(shù)控鉆床在結(jié)構(gòu)和加工性能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但也仍存在著傳統(tǒng)鉆床對(duì)深孔加工的部分難題，需要制造工藝和技術(shù)上的進(jìn)一步改善。

1 深孔零件加工的難點(diǎn)分析

1.1 深孔加工的特點(diǎn)

深孔加工主要是針對(duì)普通的鉆孔加工方式而言的，相對(duì)于普通的鉆孔加工，深孔加工的孔深尺寸更大，通常為加工孔直徑的20～100倍或更大，深孔加工在傳統(tǒng)的機(jī)床上視孔深的不同采用不同的機(jī)床執(zhí)行，對(duì)于孔深相對(duì)較小時(shí)，仍可采用搖臂鉆床進(jìn)行加工，對(duì)于孔深超過(guò)孔徑的150倍或更深時(shí)，通常采用立式制造中心或增加相關(guān)輔助結(jié)構(gòu)進(jìn)行制造。

1.2 深孔加工的難點(diǎn)

(1)切屑排出問(wèn)題。普通的孔加工鉆頭，采用普通的長(zhǎng)距離螺旋排屑結(jié)構(gòu)，這對(duì)于淺孔制造而言較為適宜，但在深孔加工過(guò)程中，由于鉆頭很長(zhǎng)，深處加工時(shí)對(duì)金屬的切削產(chǎn)生的細(xì)屑不易排出，細(xì)屑的存在導(dǎo)致鉆頭變形，同時(shí)產(chǎn)生較大的摩擦阻力。

(2)散熱不良問(wèn)題。一方面由于金屬細(xì)屑的集聚產(chǎn)生的摩擦阻力會(huì)引起加工溫度的升高，另一方面由于孔深較深，常規(guī)的冷卻液冷卻方式很難起到有效的輔助效果，由于冷卻液不能及時(shí)到達(dá)鉆頭的切削位置，導(dǎo)致加工過(guò)程散熱困難。

(3)鉆頭受力狀態(tài)不良。常規(guī)的鉆孔加工方式不能適應(yīng)深孔加工的要求，其主要原因是當(dāng)普通結(jié)構(gòu)的鉆頭加工孔深超過(guò)自身直徑尺寸6倍以上時(shí)，鉆頭會(huì)受到較大的扭轉(zhuǎn)阻力，隨著加工深度的增加，金屬切削的能力逐漸減弱，扭矩的累計(jì)作用會(huì)導(dǎo)致鉆頭產(chǎn)生震顫問(wèn)題，當(dāng)深度進(jìn)一步增加到鉆孔直徑的8～10倍以上時(shí)，在復(fù)雜的受力作用下，鉆頭損壞的概率不斷增加，若不采取適當(dāng)?shù)恼{(diào)整或處理，鉆頭將會(huì)折斷。

2 數(shù)控深孔零件鉆床加工技術(shù)

2.1 數(shù)控深孔鉆床的技術(shù)特點(diǎn)

數(shù)控深孔鉆床是在傳統(tǒng)的深孔制造技術(shù)和機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其主要的特點(diǎn)是深孔制造的全自動(dòng)化加工，這要求機(jī)床具備自動(dòng)控制、檢測(cè)、程序編制等功能。數(shù)控深孔鉆床工作的核心部件是可編程控制器，通常是基于PLC技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，技術(shù)人員可以針對(duì)深孔制造的特點(diǎn)輸入合理的程序控制數(shù)控鉆床進(jìn)行深孔加工，程序編制內(nèi)容包括了主軸轉(zhuǎn)速、鉆孔供給速度、打孔次數(shù)、加工坐標(biāo)、鉆孔深度等信息，程序編制完成后，由主控制器控制機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)到適當(dāng)位置，并執(zhí)行縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和切削、冷卻液的排除和供給。數(shù)控深孔鉆床相對(duì)于普通機(jī)械鉆床具有更全面的監(jiān)測(cè)技術(shù)，有利于利用傳感器精確控制加工過(guò)程，減少鉆頭損壞等問(wèn)題的發(fā)生概率。

2.2 設(shè)計(jì)合理的深孔加工工藝流程

深孔鉆床的加工需根據(jù)不同孔的制造要求設(shè)計(jì)多樣化的加工工藝路線，如圖1所示，為深孔加工流程設(shè)計(jì)參考，在程序執(zhí)行的過(guò)程中，系統(tǒng)根據(jù)不同的加工過(guò)程、孔深、孔徑等特點(diǎn)，選擇合適的加工方案，并在此過(guò)程中進(jìn)行執(zhí)行程度的監(jiān)控，對(duì)于執(zhí)行過(guò)程可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行自動(dòng)處理或返回上一工序重新加工，以確保深孔加工質(zhì)量。

圖1 數(shù)控深孔加工流程設(shè)計(jì)

3 深孔加工精度提升方法

3.1 以多次加工代替一次成型

為減少深孔加工過(guò)程排屑不暢或受力不良問(wèn)題，應(yīng)采用多次加工的方式完成深孔制造過(guò)程，避免僅用一次或較少次數(shù)便完成深孔的制造，利用數(shù)控鉆床進(jìn)行多次加工，相對(duì)于人工多次加工具有更好的質(zhì)量保證，且有效降低深孔制造的難度。多次加工主要可從兩方面進(jìn)行考慮，一是采用逐級(jí)加工的方式，即利用轉(zhuǎn)頭先加工指定深度的孔，通常深度為孔徑的5～6倍，暫停加工，清除鐵屑后補(bǔ)充冷卻液再繼續(xù)加工，直到深孔加工完成；二是在深孔位置預(yù)鉆粗加工孔，該孔徑適當(dāng)小于圖紙孔徑，然后利用機(jī)床精加工深孔，改善加工過(guò)程的鉆頭受力情況，并減少切屑的產(chǎn)生量。

3.2 采用合理的排屑方案

合理選擇深孔制造專用鉆頭，現(xiàn)階段市場(chǎng)上銷售的深孔專用鉆頭依據(jù)鉆削加工的特性設(shè)計(jì)，有利于深孔排屑性能的提升，且合金鋼具有良好的散熱性能，由于特殊設(shè)計(jì)的形狀，如利用具有開放的凹槽結(jié)構(gòu)的鉆頭加速切屑的排出速度，或利用寬型鉆槽提升排屑和冷卻效果。對(duì)于不采用分級(jí)鉆削加工或其他多次加工的形式下，還可考慮采用高壓冷卻液替代傳統(tǒng)冷卻液的輔助加工方法，由于高壓冷卻液在噴射過(guò)程中具有更高的流速，能保證冷卻液及時(shí)到達(dá)鉆頭切削位置，并具備一定的動(dòng)能將金屬細(xì)屑沖出，實(shí)現(xiàn)鉆孔加工狀態(tài)的有效改善。此外，在進(jìn)行深孔加工的過(guò)程中要盡量采用適當(dāng)轉(zhuǎn)速和較小的進(jìn)給量，確保深孔表面質(zhì)量，并形成合理的切屑產(chǎn)生量與排出量比例。

3.3 注意避免深孔偏斜問(wèn)題

由于深孔加工的特殊性，在加工過(guò)程中很難完全保證不產(chǎn)生偏斜問(wèn)題，深孔偏斜問(wèn)題會(huì)在一定程度影響機(jī)械零件的裝配精度。要避免深孔切削的偏斜問(wèn)題，一方面應(yīng)優(yōu)化鉆頭的受力情況，對(duì)深孔加工零件表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚恚蛊渚哂辛己玫钠秸?，同時(shí)優(yōu)化鉆頭的導(dǎo)向條件，采用較長(zhǎng)的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，使其在深孔切削過(guò)程的受力具有對(duì)稱性特點(diǎn)；另一方面，還要選擇剛性良好的鉆頭，減輕鉆頭在加工過(guò)程中的變形問(wèn)題，提升深孔加工質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控深孔鉆床具有良好的深孔零件加工優(yōu)勢(shì)，在機(jī)械制造過(guò)程中的精確度、制造效率方面相對(duì)于傳統(tǒng)人工操作機(jī)床加工提升明顯，在使用數(shù)控深孔鉆床加工深孔時(shí)，也必須要充分考慮加工工藝的合理性和刀具選擇的科學(xué)性，加工過(guò)程要確保能夠順利排屑和及時(shí)散熱，并優(yōu)化鉆頭的受力狀態(tài)，確保深孔加工質(zhì)量符合生產(chǎn)要求。