利用車床鑽削小孔的工（gōng）藝研究-螺紋加工機床網（wǎng）-數控機床市場網

您現在的位置：螺紋加工機床網> 加工與維修>利用車床（chuáng）鑽削小孔的工藝研究（jiū）

利用車（chē）床鑽削小孔的工藝研究

2021-11-16 來源：中國（guó）空空導彈研究院作者：翟建偉

摘要：以實際加工（gōng）案例為基礎（chǔ），對車削加工中鑽（zuàn）削準1.5 mm 小孔的加工工藝進行分析，找出鑽削過程中影響加工質量和加（jiā）工效率的（de）主要因素，並根據案（àn）例中的加工經驗，提出了一種（zhǒng）對鑽頭改進的方法，為小（xiǎo）孔加工（gōng）提供了解決方案（àn），同時也為其他小孔（kǒng）加工提（tí）供參考。

關鍵（jiàn）詞：機械加工；車削；小孔

0 前言

在航空（kōng）產品中，結構重量是衡量產品性能（néng）的一個非常重要的指標。為了提高產品的指標，設計（jì）人員在設計產品時，在滿足其他性能指（zhǐ）標的前提下，會盡可能的壓（yā）縮結（jié）構尺寸以追求更輕的產品。壓縮結構尺寸可以有效地減輕（qīng）結構重量，但帶來的問（wèn）題就（jiù）是產品零件變小，更小的零件意（yì）味著零件上各種特征（zhēng）的尺寸也會變得更小，對於傳統機械加工來說，尺寸過大（dà）或過小的零（líng）件特征都是加工中的難點。

在零件的各種特征中，孔是（shì）較難加（jiā）工的（de）一（yī）種。由於孔本身的特殊結構，在加工中存（cún）在（zài）排屑不暢、冷卻潤滑不及時等（děng）各種問（wèn）題，容易在加工（gōng）中出現孔內壁糙度差、孔軸線直（zhí）線（xiàn）度差、孔橫截麵圓度差、孔直徑尺寸精度（dù）差，孔（kǒng）定位尺寸精度差等（děng）各種問題，常常成為零件質量問題的高發點，尤其（qí）是（shì）對於長徑比比較大的孔，加工難度（dù）較（jiào）一般孔更大。

由於（yú）產品的各種限製，實際設計出（chū）的零件往往是上麵兩種加工難點的疊加，即長徑比大的小孔。當前（qián），國內（nèi）外已經發展出了很多新（xīn）的加工方法可以（yǐ）完成此類（lèi）小孔的加工，如激光、電腐蝕、高能粒子束等加工方法，均（jun1）可以比該孔直徑更小、長徑比更大的（de）孔的加工。但這些加（jiā）工方法均存在加工效率低和加（jiā）工成本（běn）高的問題，傳統的機械加工雖然沒有新方法（fǎ）的加工能力（lì）強，無法完成許多（duō）有極端要求的特征的加工，但在加工成（chéng）本和加工效率方麵相比較於這些新方法卻占有很（hěn）大（dà）的優勢。因此如果可以發掘（jué）傳（chuán）統機械加工的潛力，拓展傳統機械加工的適（shì）用範圍，就可以完成一些要求比較苛刻的零件的加工，為零件生產降低加工成本和提高加工效率提供了（le）有效的解決方法。

車削加工是一種傳統的機（jī）械加工（gōng）方法，其最大的優點（diǎn）就是加工回轉體時圓度特別好，因此很適合加（jiā）工（gōng）孔或軸等回轉體特征。本文（wén）以實際（jì）加工案例為（wéi）範例，討論了如何使（shǐ）用車削加工完成長徑比為 12.3的準1.5 mm 小孔的加工，並（bìng）據此探討在加工大長徑比的小孔時需注意的事項以及可采用的一些方法。

1、加工難點分析

零件結構示意圖如圖（tú） 1 所示。

圖 1 零件結構示意圖

從圖 1 中可以看出，該零件為接頭類零件，中間有貫穿孔（kǒng）用於工作時介質流動。由於零件尺寸很小，因此零件上各特征的結構尺寸也很小。零件材料為17-4PH，材料出廠時進行過熱處理，材料（liào）硬度在HRC40 左右。由於該零件從結構上並不是回轉（zhuǎn）體（tǐ），適（shì）合在數控銑（xǐ）床上進行加工，因此（cǐ）主要特征均是在數控銑床上完成的加工。但由於（yú）兩（liǎng）個孔的加工難度較大，數控銑床的無法滿足加工要求，因此孔的加工選擇在數控車（chē）床（chuáng）上完成。而零件的裝（zhuāng）夾則是（shì）通過設計專用鑲嵌式（shì）夾具來完成裝夾（關於（yú）夾具的（de）設計這裏就不在詳細說（shuō）明）。

所需加工孔（kǒng）孔直徑均為準1.5 mm，其中一個較淺的孔深度為 18.5 mm，長徑比（bǐ）為 12.3；另外一個孔要求和這個孔貫穿，因此深度至（zhì）少（shǎo）要達到 22.5 mm，即長徑比至少為 15。

長徑比值大的孔在加工時可以選擇（zé）從兩端向中間對向（xiàng）加（jiā）工以變相的減小孔的（de）長徑比（bǐ）值。但這個零件上的孔是盲孔，因此加工時必須從孔口加工，這就（jiù）對加工（gōng）工藝提出了較高的要求，在麵對批量生（shēng）產的情況（kuàng）時，使用普（pǔ）通的加工工藝無法完成（chéng）零件的穩定加工，需要對加工（gōng）工（gōng）藝進行改進。

1.1 排屑問題

排屑是機械（xiè）加工中的一個重（chóng）要問題，及時排出切屑，可以方便刀具繼續對零件材料進行切削，提（tí）高（gāo）加工效率。機械加工行業經過長期發展，絕大部分加工過程（chéng），如（rú）車、銑、刨等（děng），無論是刀具的排（pái）屑槽，還是機床斷屑器，加工過程中都有了比較（jiào）完善的排屑措施，日（rì）常加工中基本可以不用單獨考（kǎo）慮排屑的問題。但在此次孔（kǒng）的（de）加工過程（chéng）中，排屑（xiè）不（bú）暢的問題非常嚴重。主要原因是鑽孔（kǒng）加工與其他加工，如和車削外圓（yuán）相比最（zuì）大的不同，就是孔的直徑限製了（le）刀具的尺寸。對於該（gāi）孔的（de）加工，使用鑽頭的直（zhí）徑隻能選擇準1.5 mm。鑽頭直徑限製了鑽頭（tóu）上的排屑槽深度很小，再加上鑽頭鑽孔過程中鑽頭和孔內壁緊密（mì）貼合，鑽進過程中產生的切屑必須完全依靠排屑槽排出，如（rú）果孔（kǒng）內的（de）切屑不能及時排出，不僅影響鑽進（jìn）效率，嚴重時還會發生孔內事故。主要是（shì）因為由於鑽頭直徑太小，導致鑽頭的（de）強度小、剛性差，加工過程中產生的切屑如果不能及時排出，切屑夾在鑽頭和零（líng）件之間，會對（duì）鑽頭產生擠壓，由於鑽頭（tóu）剛性差的原因，稍微對鑽頭產生的擠壓就會（huì）造成鑽頭折斷，輕則造成鑽頭報廢（fèi），重則會使斷掉的鑽頭與零件“咬死”而造成（chéng）零件報（bào）廢。

機械加工過程中（zhōng），切削液的衝洗對排屑也起了非常大的用處。但在該（gāi）加工過程中，切削液也無法有效衝洗到加工麵。該（gāi）情況將在 1.2 切削熱問題部分進（jìn）行詳述。

1.2 切削熱問題

機械加工過程中，切削液的衝洗有兩個作（zuò）用，一是對加工刀具和材料進行降溫，二是衝走加工後產生（shēng）的切（qiē）屑。一般條件下，機械加工（gōng）過程中會使用盡可能大流（liú）量的切削液對加工部位進行直接衝洗，但在該零件加工鑽孔過（guò）程中，切削液（yè）無法有效衝洗到加（jiā）工部位。主要原因是因為孔的直（zhí）徑很小，鑽（zuàn）頭直徑也很小，該尺寸的（de）鑽頭沒有中央（yāng）出水（shuǐ）的類型，而在加工過程中鑽頭緊密貼合孔內壁，因此（cǐ）切削液（yè）要進入加（jiā）工部（bù）位必須通過排屑槽進入。但由於鑽頭直徑太小，鑽頭（tóu）上的排屑槽深度（dù）也很淺，導致冷卻液很難進入小孔內（nèi）部，無法實時對切削刃進行冷卻，容易造成切削刃升溫過快造成鑽頭刀刃磨損（sǔn）甚至燒毀鑽（zuàn）頭。

1.3 鑽頭強度問題

鑽頭的結構為細長型，長徑（jìng）比很（hěn）大（dà），所以鑽頭的強度一般都不高，並且在實際使用過程中強度會隨著刀具伸出長度的增（zēng）加而進一步下降，鑽削加工又屬於切削力較大（dà）的加（jiā）工方式，所以在加工前選擇鑽頭時要特別注意鑽頭強度是否能（néng）夠滿足加（jiā）工要求。

鑽頭的強度和鑽頭的直徑正相關，小鑽頭直徑小，並且鑽頭上（shàng）還（hái）有排屑槽，會使鑽頭的強度進一步降低，使鑽頭在加工過程中無法承受較大的切削力或其他衝擊力，如果使用不當，比如鑽孔過程中進給速度過快，很容易在（zài）加工（gōng）過程中發生鑽頭折斷的情況。

1.4 精度問題

在車床上鑽削小孔的過程中，零件軸線和鑽頭（tóu）軸線的同軸度對（duì）加工的影響很大，如果因為精度的原（yuán）因（yīn），造成零件（jiàn）軸線和鑽頭軸線不在同一條（tiáo）線上，加工過程中鑽頭會承受很大的徑向力，尤（yóu）其是鑽頭剛鑽入時，此時（shí）不同軸（zhóu）會造成鑽頭接觸零件不均勻，會給鑽頭施加很大的徑向力，而此時鑽頭懸空（kōng）長度是最長的，也就（jiù）意味著此時鑽頭的結構強度是最弱的，這也成為鑽孔時鑽頭折斷（duàn）的高發點。

2、改進方法與措施

2.1 多退刀，勤排屑

切屑對加（jiā）工過（guò）程（chéng）影響很大，由於鑽頭直徑小，鑽頭上的排屑（xiè）槽也很淺，排屑能力弱，如果光靠排屑（xiè）槽進行排屑無法滿足穩定加工的（de）要求（qiú），加（jiā）工過程中必須通過退刀的方（fāng）式，使鑽頭完（wán）全退出孔以徹底排出切屑。數控（kòng）車床可以通過編製數控加工程序對加工過程進行精確控製，以哈（hā）挺數（shù）控車（chē）床為（wéi）例（數控係統為（wéi） FANUC），控製（zhì）係統中內置了一種點（diǎn）鑽的加工方式用以解決此問題。該程序語句為：G1101 W（）F（）Q（）P（）B（）L（），在鑽孔程序中（zhōng）使（shǐ）用該語句進行加工，機床就可以每次步進一定深度後自動退出刀具進行排屑[1]。

需要注意的是，由（yóu）於刀具排屑槽排屑能力弱，切屑很難在產生的同時被同步（bù）排出孔外，實際過程是切削產生的切屑被儲（chǔ）存（cún）在鑽頭前段的排屑槽內，等鑽（zuàn）頭退出孔時再（zài）完全排出孔外。由於排屑槽儲存切屑能力有限，所以每次步進的深度不能過深，否則（zé）產生的切屑（xiè）過（guò）多，排屑（xiè）槽無法儲存，多餘的切屑就會堆（duī）積在孔（kǒng）底或孔壁處，對加工（gōng）過程造成影響，退刀排屑的意義就失（shī）去了。但（dàn）步進深度也（yě）不宜（yí）過（guò）小，否則（zé）進退刀次數過多，會（huì）嚴重降低加工（gōng）效率，從加工經驗得到的參考值每次步進（jìn）深度均保持在 0.5 mm 左右為宜（yí），鑽（zuàn）孔時進給速（sù）度也（yě）不易過快，但可提高（gāo）退刀的進給（gěi）速度以保證整（zhěng）體加工效率。

2.2 改造鑽頭，增強強（qiáng）度

在批量加工零件的過程中，單純采取退刀的措施並不能完（wán）全解決鑽（zuàn）頭折斷（duàn）的問題，為保證鑽頭的強度，此次加工過程中在普通（tōng）鑽頭結構的基礎上進行了修改，製作了專用鑽頭用於孔的加工。改進後的鑽頭結構示意圖如圖 2 所示。

圖 2 鑽頭結構示意（yì）圖

鑽頭製造原料（liào）的選擇上（shàng）可以選用與孔直（zhí）徑（jìng）一樣的（de）高速鋼或（huò）硬質合金棒，在需（xū）要鑽孔的（de）深度範圍內將（jiāng）鑽頭磨（mó）扁，一般 H 值可選擇在 0.1 ~ 0.2 mm 之間，這樣的結（jié）構取消了排屑槽，極大地增強了鑽頭的強度，同時磨扁的部分也可以兼顧排屑的功能，前（qián）端切削刃的刃磨與普通鑽頭保持相同結構即可。經實際加工測試，按此方法改進製作的鑽（zuàn）頭比普通商（shāng）用鑽頭強度更高（gāo），在相同的切削參數、排屑情況和冷卻條件下，不但加工出的零件（jiàn）質量更好，而且能避免折斷鑽頭（tóu），保證了整批零件加工的順（shùn）利進行，提高了整批零件的加工效率。

從改製鑽頭的結構示意圖上看，鑽頭應該隻滿足深度 18.5 mm 孔（kǒng）的加工需求，加工（gōng）另一個孔則麵臨長度不足的問題。需要強（qiáng）調的是，零件中貫穿的兩個孔，在加工順序上必須嚴格分先後，深度為18.5mm 的孔先加工（gōng），然後（hòu）再加工另一（yī）個孔。這（zhè）是由於兩孔相互貫穿，在（zài）加工第二個孔時，很難保證（zhèng）孔的軸線和第一個孔軸線相交，因此鑽頭在鑽（zuàn）破第一個孔時有可能存在鑽頭受力不均衡問題而導致（zhì）鑽頭折斷。為避免該問題，在加工（gōng）時鑽（zuàn）頭僅鑽入 19 mm 就不再（zài）繼續（xù）鑽進，最後的 3 mm 改用 1.5 mm 銑刀（dāo）進行（háng）加工，即將 1.5 mm 銑刀裝夾在刀盤（pán）上，利用銑刀（dāo）完成最後兩孔鑽（zuàn）透的加工（gōng）過程，由（yóu）於（yú）銑刀強度較高且銑刀側齒可用（yòng）於切削，因此可有效（xiào）避免折斷情況的發生。

2.3 檢查（chá）中心軸線是否重合（hé）

該（gāi）零件加工（gōng）時，零（líng）件是通過夾具裝夾在（zài）機床卡盤上，而刀具裝夾在機（jī）床刀（dāo）盤（pán）上，機床本身、夾具、裝夾過程都會存在誤差，這些誤差累計起來會造成（chéng）零件與刀具的裝夾誤差，這誤差會（huì）對零件加工造成（chéng）影響（xiǎng），因此加工前必須檢查校正。

檢查裝夾（jiá）精度時，必（bì）須檢查在零（líng）件和鑽頭（tóu）裝夾（jiá）好的情（qíng）況下，鑽頭軸線和零件軸線是否重合，本次加工過（guò）程中（zhōng）使用的是一種比較簡單的（de）檢查方法（fǎ）[2]：第（dì）一步用磁吸式固定器將千分表固定在機床刀盤上，千分表表頭接觸（chù）零件外圓（yuán）表麵，然後沿機床 X 軸方向前後（hòu）移（yí）動刀盤，觀察千分表（biǎo）數值變化，要求要將零件（jiàn）調整到千分表數值變化不超（chāo）過 0.02 mm，這樣的檢測要（yào）在零件圓周上選擇均布的三條線進行測（cè）量，三條線的測試都合格才算合格。第二步，使千分表（biǎo）表頭接（jiē）觸零（líng）件外圓，用手搬動（dòng）機（jī）床主軸，使零（líng）件按機床 A 軸

旋轉，觀察旋轉過程中千分表數值變化，同第一步一樣，變化範圍（wéi）不（bú）超過 0.02 mm 才算合格。如（rú）果（guǒ）發現誤差過大（dà），則需要進行調整校正，調整的循序按照難易（yì）程度安排，先零件、再夾具（jù）、最後機床（chuáng）；如果對零件和夾具的調（diào）整都無法修正誤差，而在對機床進行調整後依然無法達（dá）到加工要求，則說明機床精度（dù）以無法滿足加工（gōng）要求，必須更換機床進行加工，否則將無法保證加工效果。

3、加工結果驗證

通過數據對比來驗證了改進方法和措施（shī）的有（yǒu）效（xiào）性，改進（jìn）前後兩種工藝方案的加工結果如表 1 所示。

表 1 加工結果對照表