深孔加工技術(shù)工藝分析

陳俐華，武文革，于大國，趙慧瑜，韓愛東

中北大學機械工程學院

1 引言

機械制造行業(yè)中，孔加工一般按照長徑比分為深孔加工和淺孔加工。深孔一般指零件內(nèi)孔的長度與直徑之比大于5的孔，其幾何特征決定了深孔加工是機械加工中難度較大的加工過程[1]。深孔加工具有以下工藝特點：在密閉條件下進行，不能直接觀察刀具切削情況，排屑困難；刀具系統(tǒng)長徑比大、剛度低，切削時易產(chǎn)生振動、波紋和錐度，影響深孔的直線度和表面粗糙度，刀具耐用度較低。

深孔加工采用的切削運動有多種：工件旋轉(zhuǎn)、刀具進給；工件不動、刀具旋轉(zhuǎn)與進給；工件與刀具相對旋轉(zhuǎn)、刀具進給；工件旋轉(zhuǎn)與進給、刀具不動，其中以第一種方式居多[2]。近年來，隨著機械零件的復(fù)雜程度提高和難加工材料的不斷使用，對深孔加工的需求不斷增加。中北大學著力在難加工材料和異形結(jié)構(gòu)深孔加工、精密高效深孔加工方面開展研究，西安石油大學在石油機械深孔加工方面也取得了較多成果，其他單位也推進了深孔加工的研究。

我國深孔加工技術(shù)的發(fā)展和普及相比于發(fā)達國家仍存在差距，部分深孔加工裝備仍需依賴進口，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)和核心技術(shù)的高端產(chǎn)品相對較少[3]，深孔加工的基礎(chǔ)相對薄弱，因此加強深孔加工的研究勢在必行。

2 深孔加工方法

由于淺孔的長徑比較小，加工較為容易，可以采用麻花鉆鉆削、電火花加工以及線切割加工等方式，而對于深孔或者超長深孔加工，可選擇的方法大幅減少。深孔加工刀具可按排屑方式分為內(nèi)排屑和外排屑兩大類，外排屑是切削液由鉆桿中間進入，經(jīng)鉆頭頭部小孔噴射到切削區(qū)，帶著切屑從鉆桿外部的V形槽中排出。外排屑刀具包括槍鉆、深孔扁鉆和深孔麻花鉆等；內(nèi)排屑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(nèi)孔排出，內(nèi)排屑刀具按加工系統(tǒng)不同，分為BTA深孔鉆系統(tǒng)、噴吸鉆系統(tǒng)和DF深孔鉆系統(tǒng)[4]。此外，現(xiàn)有深孔加工系統(tǒng)更加重視排屑與冷卻的平衡優(yōu)化。近年來開發(fā)了一些新的特種加工手段，例如電火花加工、激光加工、電解加工及超聲加工等。

2.1 大、中直徑深孔加工

2.1.1 深孔槍鉆

槍鉆系統(tǒng)主要用于φ4～φ30mm孔的加工，是最常見的深孔鉆削加工方式之一，適用于中小批量生產(chǎn)，槍鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 深孔槍鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

國內(nèi)外學者圍繞深孔槍鉆進行了大量研究工作。錢清等[5]針對某型發(fā)動機軸齒件深孔加工用槍鉆進行優(yōu)化，提高了孔的加工質(zhì)量，滿足了孔直線度和精度要求；李亮等[6]研究了槍鉆加工中螺旋形切屑成形的過程和影響因素，通過改變切削速度、進給量和油壓，分析了不同工藝參數(shù)下的切屑變形規(guī)律；Kondratenko L.等[7]對深孔鉆削過程進行了研究，確定了切削鉆頭縱向和扭轉(zhuǎn)振動的數(shù)學關(guān)系，揭示了熱流脈動對摩擦系數(shù)和切削力的影響規(guī)律；Neo D.等[8]提出采用多晶立方氮化物(PCBN)槍鉆，以解決工具耐用性和孔徑差問題；Zhang X.等[9]設(shè)計并開發(fā)了定制槍鉆再研磨系統(tǒng)，集成了現(xiàn)場槍鉆測量系統(tǒng)，從而獲得具有精確控制的刀具幾何形狀的高質(zhì)量槍鉆。

2.1.2 BTA鉆

BTA鉆是由歐洲“鉆鏜孔與套料加工協(xié)會”推出的三種規(guī)范化深孔鉆頭的總稱(BTA實體鉆、BTA擴鉆和BTA套料鉆)，主要用于鉆削加工直徑大于12mm的深孔，是大批量、高負荷連續(xù)深孔加工的首選刀具之一。BTA鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 BTA鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

張煌[10]建立了新型三導向條的刀具與工件系統(tǒng)動力學模型，并驗證了新型三導向條刀具的優(yōu)勢(見圖3)；吳竹兵等[11]建立了工件的動力學模型，運用梁理論得到工件的自由振動方程，利用MATLAB擬合分析在不同切削位置、主軸轉(zhuǎn)速和進給量情況下的工件振動偏移量；龍軍城等[12]研究了BTA深孔加工中減振導向塊的作用及減振導向塊位置對BTA深孔加工精度的影響；苗鴻賓等[13]對BTA鉆桿系統(tǒng)偏心運動的控制方法進行了研究，分析了鉆桿系統(tǒng)的偏心運動方式和受力情況，提出了壓電主動控制方法；Li X.等[14]基于斜切削理論建立了新的鉆削力模型，用于預(yù)測錯齒BTA深孔鉆的推力和扭矩。

圖3 優(yōu)化三導向條刀具

2.1.3 噴吸鉆

噴吸鉆加工是一種高效深孔加工方法，其結(jié)構(gòu)見圖4。所加工孔的精度在IT9級～IT11級，加工表面粗糙度為Ra3.2μm～0.8μm，其所加工孔的直徑一般不能小于18mm。陳建兵等[15]設(shè)計了多深孔不銹鋼輪體加工工藝，并結(jié)合實際加工過程分析了深孔加工的影響因素。

圖4 噴吸鉆結(jié)構(gòu)

2.1.4 DF深孔鉆

DF深孔鉆同時具備了BTA鉆和噴吸鉆的優(yōu)點，使鉆削直徑范圍增大(最小直徑達φ6mm)，加工精度和效率提高，DF深孔鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

1.工件 2.鉆頭 3.鉆套 4.輸油器 5.鉆桿 6.鉆桿夾頭 7.前噴嘴 8.抽屑器 9.后噴嘴

董振[16]在DF系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行了油路改造，通過加裝脈沖控制器實現(xiàn)油壓及流量的脈沖控制，系統(tǒng)方案見圖6。

圖6 脈沖式DF系統(tǒng)方案

龐俊忠等[17]針對深孔加工中排屑難及效率低的問題，設(shè)計出一種刀具旋轉(zhuǎn)的DF鉆削系統(tǒng)；潘杰[18]針對DF系統(tǒng)進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和功能完善，設(shè)計出集成在線監(jiān)測功能的旋轉(zhuǎn)DF鉆削系統(tǒng)；高偉佳等[19]根據(jù)深孔加工技術(shù)、高速切削技術(shù)和流體機械知識，設(shè)計出一種在高速運動中能夠保持平穩(wěn)鉆削和實現(xiàn)高效排屑的深孔鉆，為以后新型深孔鉆的設(shè)計與研究提供了新思路。

2.2 微小深孔加工

電火花加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導電材料的特種加工方法，又稱放電加工或電蝕加工，加工原理見圖7。

圖7 電火花微小深孔加工

任麗娟[20]針對電火花加工中的問題設(shè)計了圓錐階梯形超聲變幅桿，利用模態(tài)分析及諧響應(yīng)分析研究了滿足加工需求的模態(tài)振型，并確定了合理的振幅放大倍數(shù)，所建立的變幅桿三維圖見圖8。

圖8 圓錐階梯超聲變幅桿三維模型

蔣毅等[21]制備了符合電火花加工要求的多孔質(zhì)電極并搭建實驗系統(tǒng)，對多孔質(zhì)電極在深孔條件下的電火花加工性能進行了實驗研究；周明等[22]針對熔點高、難切削材料，研究了超前兩步控制策略的雙變量自適應(yīng)控制系統(tǒng)，證明了雙變量自適應(yīng)控制電火花加工的強大加工能力；徐佩等[23]結(jié)合電火花高速小孔加工的特點，提出解決電火花小孔加工偏心問題的措施；Yang F.等[24]采用電化學加工(ECM)，建立了電解加工間隙的電場數(shù)學模型，模擬了漸變異形深螺孔的電場分布；Cao Zhongli等[25]提出了采用連續(xù)沖洗和間歇供氧(即內(nèi)噴射氣溶膠介質(zhì)燒蝕)的孔加工方法，該方法使加工表面具有優(yōu)異的表面質(zhì)量和較高的加工精度；Wang Y.等[26]提出了將電化學加工(ECM)和激光束加工(LBM)的優(yōu)點相結(jié)合的混合加工工藝——同步激光和異形管電化學加工(激光桿)，證明了提高激光功率、脈沖電壓和進給速度可以提高加工效率和加工精度。

超聲加工是由超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C械振動，通過變幅桿放大振幅，驅(qū)動工具電極作超聲振動，加工原理見圖9。

圖9 超聲加工微小深孔

Natsu W.[27]對加工液施加超聲波振動，并對加工速度和電極消耗進行了實驗調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了提高加工特性的條件；Kong Wenjun等[28]將超聲波引入電火花加工中，對氣泡運動過程進行了模擬，提高了加工效率；Liu Y.等[29]建立了側(cè)面沖洗和超聲振動輔助加工的方法，保證了加工質(zhì)量，提高了加工過程的穩(wěn)定性和加工效率。

3 深孔加工檢測及控制

3.1 檢測技術(shù)

目前深孔加工過程中常采用卡尺測量或人工打表等方法。檢測深孔直線度誤差的方法有塞規(guī)檢測法、游標卡尺兩端壁厚檢測法和杠桿法。無論是在線監(jiān)測技術(shù)還是孔加工后的檢測技術(shù)都還有很多不足，國內(nèi)外研究人員對此進行了大量研究。

陳振亞[30]試驗了多級噴射結(jié)構(gòu)，為減小深孔加工直線度誤差提供了新思路；劉洲等[31]開發(fā)出在線自動檢測與加工一體化裝置，極大地降低了工人勞動強度，提高了定心精度和工作效率；李瑞成[32]提出了一種在線連續(xù)實時檢測的新方法，達到了有效預(yù)先檢測與控制孔軸線偏斜的目的；Shen Xingquan等[33]設(shè)計了一種后置式深孔加工在線檢測及糾偏裝置；Si Y.等[34]對深孔鉆削過程中產(chǎn)生的主軸振動信號進行了研究，以尋求能夠反映誤差變化的特征；Thanikasalam A.等[35]對深孔鉆削過程在線狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)進行研究，借助加速度傳感器、熱變形模式(TDP)和刀具振動來預(yù)測刀具狀態(tài)；Kozochkin M.P.等[36]研究了電火花加工過程中使用振動聲信號監(jiān)測放電脈沖效率的可能性，給出了不同頻率范圍內(nèi)坯料動態(tài)特性變化和放電加工背景噪聲對震動聲信號參數(shù)影響的數(shù)據(jù)。

3.2 控制技術(shù)

大量學者針對深孔加工軸線偏斜、深孔切削振動等問題進行了研究。

(1)偏斜抑制方法

趙榮[37]針對通孔、盲孔加工中對刀具功能的要求，設(shè)計了一種內(nèi)擴孔鏜刀，闡述了自導向及其防振功能(見圖10)。

圖10 內(nèi)擴孔鏜刀三維實體模型

李少敏[38]經(jīng)過對現(xiàn)有方案的分析總結(jié)，建立了求解深孔軸線直線度誤差的基礎(chǔ)模型，并在此模型的基礎(chǔ)上提出四種評定方案；魯緒閣等[39]結(jié)合BTA深孔鉆削機理的分析，對工件非回轉(zhuǎn)方式下常用的深孔鉆削方式提出了改進，有效控制了加工孔軸線的偏斜；于大國[40，41]研究了使用油膜定位和引導深孔鉆的方案，提出了利用切削液消除或減少深孔鉆偏差的技術(shù)措施。

(2)振動抑制方法

制造業(yè)的發(fā)展需要性能更好、加工能力更強和加工精度保持性更好的高速高效刀具。提高刀桿切削穩(wěn)定性、降低刀桿振動已成為學者研究的重要課題。刀具減振技術(shù)主要分為主動減振技術(shù)、被動減振技術(shù)和半主動減振技術(shù)。

孟凡沖[42]設(shè)計了非線性減振槽雙層鏜桿結(jié)構(gòu)，闡述了非線形減振槽利用阻尼技術(shù)的減振機理；魏杰等[43]基于磁流變液的工作原理設(shè)計了剪切閥式磁流變阻尼器，用于抑制深孔切削中的振動；Zhang Huang等[44]基于磁流變液阻尼的工作原理，設(shè)計了用于深孔振動抑制的擠壓式磁流變液阻尼器；孔令飛等[45]運用動力學半解析法，結(jié)合Newton-Raphson迭代法，給出了深孔圓度形貌形成軌跡的數(shù)學描述以及深孔刀具動態(tài)特性與加工孔圓度形貌之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過數(shù)值算例驗證了提出方法的可行性；邱泉水等[46]設(shè)計基于流動和剪切混合工作模式的電流變減振器，通過控制電流變減振器的電場強度有效地抑制了深孔機床中切削顫振的發(fā)生；張繼明等[47]采用PLC調(diào)節(jié)頂緊力的大小，提高了高速深孔加工效率與穩(wěn)定性；張煌等[48]設(shè)計了一種復(fù)合式智能深孔加工減振器，可以有效抑制深孔鉆桿振動，提高了深孔加工精度，對實現(xiàn)高檔深孔機床的智能數(shù)字化控制具有實際意義。

3.3 工藝研究

針對深孔加工的精度問題，很多學者對深孔加工的工藝進行了研究。王繼明等[49]針對動車車軸加工過程中軸線偏斜、孔粗糙度大等問題，對加工工藝及裝備進行了研究，加工實物見圖11。

(a)鉆深孔

(b)深孔珩磨

田春雷等[50]提出了設(shè)計專用夾具、改進找正方法和改進深孔鏜刀三項措施，成功解決了深孔斷續(xù)切削不穩(wěn)定問題；王寧[51]運用PDCA法進行分析并改進加工工藝，使被加工工件滿足了設(shè)計要求，提高了生產(chǎn)效率；孔博等[52]選用超長防振快速更換刀頭的鏜刀桿，通過改進加工工藝路線為深孔加工提供了一種解決方案；李敬偉等[53]設(shè)計了一種旋轉(zhuǎn)夾具，實現(xiàn)工件一次裝夾完成兩偏心深孔的高精度加工，提高了加工效率，降低了生產(chǎn)成本。

4 深孔加工應(yīng)用

隨著工業(yè)化進程的不斷推進，深孔加工的應(yīng)用也擴展至航天、石油和軍工等領(lǐng)域。韓子琦[54]以發(fā)動機曲軸斜油孔加工為例，詳細論述了半干式加工(MQL)的作用、硬質(zhì)合金涂層刀具的特點以及硬質(zhì)合金鉆頭配合半干式加工技術(shù)在小徑深孔加工中的應(yīng)用；劉景景等[55]針對某大型飛機軸類零件深孔加工表面粗糙度差、軸線偏差和切屑不易控制等問題，進行了Ti6Al4V鈦合金槍鉆加工試驗；劉揚等[56]研究了零件端面深孔及偏心斜深孔的加工方法，嘗試采用立式加工中心及坐標鏜床來實現(xiàn)偏心斜孔及深孔的加工；Wang M.等[57]研究了超聲振動輔助下的不銹鋼微孔鉆削，比較和討論了圓柱形和圓盤形陰極，以及有無刀具振動的鉆孔情況。

5 結(jié)語

隨著深孔加工所用槍鉆、BTA鉆、噴吸鉆及DF鉆等不斷發(fā)展完善，以及刀具材料和結(jié)構(gòu)、導向塊布置、排屑裝置不斷優(yōu)化，深孔加工逐漸向高效率、高精度和高可靠等方向推進，現(xiàn)代深孔加工機床正朝著高精度、高效率、智能化和模塊化的方向迅速發(fā)展。然而，近幾年在深孔加工領(lǐng)域，并沒有出現(xiàn)創(chuàng)造性的新型加工設(shè)備。為了滿足多品種加工的需求，模塊化可重構(gòu)深孔機床是未來研究的重要內(nèi)容之一。

由于常規(guī)深孔加工不易完成難加工材料、特殊復(fù)雜型面及微小深孔的加工，因此特種加工技術(shù)(激光、水射流、電火花和電解深孔加工等)也為深孔加工技術(shù)開辟了新的發(fā)展領(lǐng)域[58]。隨著人們環(huán)保意識的增強，切削液的綠色環(huán)保特性日益受到重視，綠色環(huán)保型切削液的開發(fā)和應(yīng)用將成為深孔加工乃至整個機械行業(yè)的重要發(fā)展趨勢。