利（lì）用車（chē）床鑽削小孔的（de）工藝研究-特種加工（gōng）機床（chuáng）網-數控機床市場網

您現在的位置：特種加工機床網> 加工與維修>利用車床鑽削小（xiǎo）孔的工藝研究

利用車床鑽削小孔的工藝研究

2021-11-16 來源：中國空（kōng）空導彈研究院作者：翟建偉

摘要：以實際加工案例為基（jī）礎，對車削加工中鑽削準1.5 mm 小孔的加工工藝進行分析，找出鑽削過程中影響加（jiā）工質量和加工（gōng）效率的主要因素（sù），並根（gēn）據案例中的加工經驗，提出了一種對（duì）鑽頭改進的方法，為小孔加工（gōng）提供（gòng）了解（jiě）決方案，同時也為其他小（xiǎo）孔加（jiā）工（gōng）提供參（cān）考。

關鍵詞：機械加工；車削；小孔

0 前言

在航空產品中（zhōng），結構重量是衡量產品性（xìng）能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（chǎn）品時，在滿足（zú）其他性能（néng）指標的前提下，會盡可能的壓縮結構尺寸以追求更輕的產（chǎn）品。壓縮結構尺寸可以有效（xiào）地減輕結構重量，但帶來的問題就是產品零（líng）件變（biàn）小，更小的零件意味著零件上（shàng）各種特征的尺寸也會變得更小，對於傳統機械加工來說，尺寸過大（dà）或過小的零件特征都（dōu）是加工（gōng）中的難點。

在零件的各種特征中，孔是較難加工的一種。由於孔本身（shēn）的特殊結構，在加工中存在排屑不暢、冷（lěng）卻潤滑不及時等各種問題，容易在加工中出（chū）現孔內壁糙度差、孔（kǒng）軸線直線（xiàn）度差、孔橫（héng）截麵（miàn）圓度差、孔直徑尺寸精度差，孔定（dìng）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，尤其是對於（yú）長徑（jìng）比比較大的孔，加工難度較一般孔更大。

由於產品的各種限製，實際設計出（chū）的零件往往（wǎng）是上麵兩種加工難點的疊加，即長徑比大的小（xiǎo）孔。當前，國（guó）內外已經發展出了很多新的加（jiā）工方法可以完成此類小孔的加工，如（rú）激光、電腐蝕、高能粒子束等加工方法，均（jun1）可以比該孔直徑（jìng）更小、長徑比（bǐ）更大的孔的加工。但這些加工方法均存在加工效率（lǜ）低和加工成（chéng）本高的問題，傳統的機械加工雖然沒有新方（fāng）法的加工（gōng）能力強（qiáng），無法完成許多有極端要求的特（tè）征的加工，但在加工成本和加工效率方麵相比較於這（zhè）些新方法（fǎ）卻占有很大的優勢。因此（cǐ）如果可以發掘（jué）傳統機械加工的潛力，拓展傳統機械加工的適用範圍，就可以完（wán）成一些要求比較苛刻的零件的（de）加工，為零件（jiàn）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（fǎ）。

車削（xuē）加工是一種傳統（tǒng）的機械加工（gōng）方（fāng）法，其最大的優點就是加工（gōng）回轉體時圓（yuán）度（dù）特別好，因（yīn）此（cǐ）很適合（hé）加（jiā）工孔或軸等回轉體（tǐ）特征（zhēng）。本文以實際加工案（àn）例為範例，討論了如何使用車削加工（gōng）完成長徑比（bǐ）為 12.3的準1.5 mm 小孔的加工，並據此探討在加工大長徑比的小孔時需（xū）注意的（de）事項以及可采用的一些方法。

1、加工難點分析

零（líng）件結構（gòu）示意圖如圖 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（zuò）時介（jiè）質（zhì）流動。由於零件尺寸很小，因此零件上各（gè）特征的結構（gòu）尺寸也很小。零（líng）件材料（liào）為17-4PH，材料出廠時進行過熱處理（lǐ），材料硬度在HRC40 左右（yòu）。由於該零件從結構上並不是回轉體，適（shì）合在數控銑床上（shàng）進行加（jiā）工，因此主要特征均是在數控銑床上完成的加工。但由於兩個孔的加（jiā）工難度較大（dà），數控銑（xǐ）床的無法滿足加工要求，因（yīn）此孔（kǒng）的加工選擇在數控車床上完成。而零件的裝夾則是通過設計專（zhuān）用鑲嵌式夾具來完成裝夾（關於夾具的設計這裏就不在詳細（xì）說明）。

所需加工孔孔直徑均為準1.5 mm，其中一個較淺的孔深度為（wéi） 18.5 mm，長徑比為 12.3；另外（wài）一個孔要求和這個孔貫穿，因此深度至少要達到 22.5 mm，即長（zhǎng）徑比至少為 15。

長徑比值大的孔在加工時可以選擇從兩端向中間對向加工以變相的減小孔的長徑比值。但這個零件上的孔是盲孔，因此加工時必須從（cóng）孔口加工，這就對加工工藝提出了較高（gāo）的要求，在麵對批量生產的情況時，使用普通的加（jiā）工工藝無法完成零件的穩（wěn）定加工，需要對（duì）加工工藝進行改進。

1.1 排屑問題

排屑是機械加工中（zhōng）的一個重要問題（tí），及時排出切屑，可以方便刀具繼續對零件材料進行切削，提高加工效率。機械加工（gōng）行業經過長期發展（zhǎn），絕大（dà）部分加工過程，如車、銑、刨等，無論是刀具的排屑槽，還是機床斷屑器，加工過程（chéng）中都有了（le）比較完善的排屑措施，日常加工中基本（běn）可以不（bú）用單獨（dú）考慮排屑的問題。但在此次（cì）孔的加工過程（chéng）中，排屑不暢的問題非常嚴重。主要（yào）原因是鑽孔加工與其他加（jiā）工（gōng），如和（hé）車削外圓相比最大（dà）的不同，就是孔的直徑限製了刀具（jù）的尺（chǐ）寸（cùn）。對於該孔（kǒng）的加工，使用鑽頭（tóu）的直徑隻能選擇準1.5 mm。鑽頭直徑限製（zhì）了鑽頭上的（de）排屑槽深度很小（xiǎo），再加上鑽頭鑽孔過程中鑽（zuàn）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，如果（guǒ）孔內的切屑不能及時排出，不僅影（yǐng）響鑽進效率（lǜ），嚴重時還會發生孔內事故。主（zhǔ）要是因為由於鑽頭直徑太小，導致鑽（zuàn）頭的強度（dù）小、剛性差，加工過程中產生的（de）切屑如果不能及時排出，切屑夾在鑽頭和（hé）零件之間，會對鑽頭產生擠壓，由於鑽頭剛性差的原因，稍微對鑽頭產生的擠（jǐ）壓就會造成鑽頭折斷，輕則造成（chéng）鑽頭報廢，重則會使斷（duàn）掉的鑽頭與零件“咬（yǎo）死”而造成零件報廢。

機（jī）械加工過程中，切削液的衝洗（xǐ）對排屑也（yě）起了非常（cháng）大的用處。但在該加工過程中，切削（xuē）液也無法有效衝洗到加工麵。該情況將在 1.2 切削熱問題（tí）部分進行詳述。

1.2 切削熱（rè）問題

機械加工過程中，切削液的衝洗有兩個作用，一是對加工刀（dāo）具和材料進行降溫，二是（shì）衝走加工（gōng）後產生的切（qiē）屑。一（yī）般條件下，機械（xiè）加工過程中會使用盡可能大流量的切削液（yè）對加工部（bù）位進行（háng）直接衝洗，但在該零件加工鑽孔過程中，切削液無法（fǎ）有效衝（chōng）洗到加（jiā）工部位。主（zhǔ）要原因是因為孔的（de）直徑很小，鑽頭直徑（jìng）也很小（xiǎo），該尺寸的鑽頭沒有中央出水的類型，而在加工過程中鑽頭緊密貼合孔內壁，因此切削液要進入加工部位必須通過排屑槽進入。但由於鑽頭直徑太小，鑽頭上的排屑槽深度也很（hěn）淺，導致冷卻液很（hěn）難進入小孔內部（bù），無（wú）法實時對切（qiē）削刃進行冷卻，容易造成切削刃升溫過快造成鑽頭刀（dāo）刃磨損甚至（zhì）燒（shāo）毀鑽頭。

1.3 鑽頭強度問題

鑽頭（tóu）的結構（gòu）為細長型，長徑比很大，所以鑽頭的（de）強度一般都不高（gāo），並且在實際使用過（guò）程中強度會隨著刀具伸出（chū）長度的增（zēng）加而（ér）進一步下降，鑽削加工又屬於切削力（lì）較大（dà）的加工方式，所以在加工前選擇鑽頭時要特（tè）別注意鑽（zuàn）頭強度是否能夠（gòu）滿足（zú）加工要求。

鑽（zuàn）頭的強度和鑽頭的直徑正（zhèng）相關，小鑽頭直徑小，並且鑽頭上還有排屑槽，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（shòu）較大的切削力或其他衝擊力，如果使用不當，比如鑽孔（kǒng）過程中進給速度過快（kuài），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（tí）

在車床上鑽（zuàn）削小（xiǎo）孔的過程中，零件軸線和鑽頭軸線的同軸（zhóu）度對加工的影響（xiǎng）很大，如果因為精度的原因，造（zào）成（chéng）零（líng）件軸線和鑽頭軸線不在同一條線上，加工過程中鑽頭會承受很大的徑向（xiàng）力，尤其（qí）是鑽頭剛鑽入時，此時不同軸會造成鑽頭接觸（chù）零件（jiàn）不均勻，會給鑽頭（tóu）施加很大的徑向力，而此時鑽（zuàn）頭懸空長度是最長的，也就意味著（zhe）此時鑽頭（tóu）的結構強度是（shì）最弱的，這也（yě）成為鑽孔時鑽頭（tóu）折（shé）斷的（de）高（gāo）發點。

2、改進方法與（yǔ）措施（shī）

2.1 多退刀，勤排屑

切屑（xiè）對加工過程影響很大（dà），由於鑽頭直徑小，鑽頭上的排屑槽也很淺，排屑能力弱，如果光靠排屑槽進行排屑無法滿足穩定加工的要求，加工過程中必須通過（guò）退刀的方式，使（shǐ）鑽頭完（wán）全退出（chū）孔以（yǐ）徹底（dǐ）排出切屑。數控車床可以通過編製數控加工程序對（duì）加工過程進行精確（què）控製，以哈挺數控（kòng）車床為例（數（shù）控係統為（wéi） FANUC），控製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（chéng）序中使用該語句進行（háng）加工（gōng），機床就可以（yǐ）每次步進一定深度後自（zì）動退出刀具進行（háng）排屑[1]。

需（xū）要注意的是，由於刀（dāo）具排屑槽（cáo）排屑（xiè）能力（lì）弱，切屑很難在產生的同時被同步排出孔外，實（shí）際過程是切削產生的切屑被儲存在鑽頭前段的排屑槽內，等鑽頭退出孔時再完全排（pái）出孔外。由於排屑槽儲存切屑能力（lì）有限（xiàn），所以每次（cì）步進的深度不能過深，否則產（chǎn）生的切（qiē）屑過（guò）多，排屑槽無法儲存，多（duō）餘的切屑就會堆積在孔底或孔壁處，對加工過程造成影（yǐng）響，退刀（dāo）排屑的意義就失去了。但步進深度（dù）也不（bú）宜過小，否則進退刀次（cì）數過多，會嚴重降低（dī）加工效（xiào）率，從加工經驗得到的參考值每次步進深度均保持在 0.5 mm 左（zuǒ）右為宜，鑽孔時進（jìn）給速度也不易過快，但可提高退刀的進給速度以保證整體加工效率。

2.2 改造鑽頭，增強強度

在批量加工零件的（de）過程（chéng）中，單純采（cǎi）取退刀（dāo）的措（cuò）施並不能完全解決鑽頭折斷的問（wèn）題，為保證鑽頭的強度，此次加工過程中在普（pǔ）通鑽頭結構的基（jī）礎上進（jìn）行了修改，製作了專用鑽頭用於孔的（de）加（jiā）工。改進後的鑽頭結構示意圖如（rú）圖 2 所示（shì）。

圖 2 鑽頭結構示意圖

鑽（zuàn）頭製造原料的選擇上可以選用與孔直徑一樣的高速鋼或硬質合金（jīn）棒（bàng），在需要鑽孔的深度（dù）範圍內（nèi）將（jiāng）鑽（zuàn）頭磨扁，一般 H 值可選擇在 0.1 ~ 0.2 mm 之間，這樣的結構（gòu）取消了排屑槽，極大地增強（qiáng）了鑽頭的強度，同時磨扁的部分也可以兼顧排屑的功能，前端（duān）切削（xuē）刃的刃磨（mó）與普（pǔ）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（zuò）的鑽頭比普通商用鑽頭強度更高，在相同的切（qiē）削參數、排（pái）屑情（qíng）況和冷卻（què）條件（jiàn）下，不但加工出的零件質量更好，而且能避免折斷鑽頭，保證（zhèng）了整批零件加工的順利進行，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（kàn），鑽頭應該（gāi）隻滿足深度（dù） 18.5 mm 孔的加工需求，加工另一個孔則麵臨長度不足的問題。需要強調的（de）是，零件（jiàn）中貫穿的（de）兩個孔，在加工順序上必須嚴格分先後（hòu），深度為18.5mm 的孔先加工（gōng），然後（hòu）再加工另一個（gè）孔。這是由於兩孔相互貫穿（chuān），在加工第二個孔時，很難保證孔的軸（zhóu）線和第一個孔軸線相交，因此鑽頭在鑽破第一個孔時有可能（néng）存在鑽頭受力不均衡問（wèn）題而（ér）導致鑽頭折斷。為避免該問題，在加工時鑽頭僅（jǐn）鑽入 19 mm 就不再（zài）繼續鑽進，最後的 3 mm 改用 1.5 mm 銑刀（dāo）進行加工，即將 1.5 mm 銑刀裝夾在刀盤上，利用銑刀完（wán）成最後兩孔鑽透的加（jiā）工過程，由（yóu）於銑刀強度（dù）較高且銑刀側齒可用於切削，因此可有效避免折斷情況的（de）發生。

2.3 檢查中心軸線是（shì）否重合

該零件加工時，零件是通（tōng）過（guò）夾具裝夾在機床卡盤上，而刀具裝夾在機床刀盤上，機床本身、夾（jiá）具、裝夾過程都會存在誤差，這（zhè）些誤差累（lèi）計（jì）起來會造成零件與刀具的裝（zhuāng）夾誤差，這誤差會對零件加工造成影響，因此加工前必（bì）須檢查校正。

檢查裝夾精度時，必須檢查在零件和鑽頭裝夾好的情況下（xià），鑽頭軸線和零件軸線是（shì）否重合，本次（cì）加工過程中使用的是一種比較簡單的檢查方法[2]：第（dì）一步用磁吸式（shì）固定器將千分表固定在機床刀盤上，千分表表頭接觸零件外圓表麵，然後沿機（jī）床 X 軸方向前後移動刀盤，觀察千分表（biǎo）數值變化，要（yào）求要將零件調整到千分表數（shù）值變（biàn）化不（bú）超過（guò） 0.02 mm，這樣的檢測要在零件圓周上選擇均布的三條線進行測量，三條（tiáo）線的測試都合格（gé）才算合格。第二步，使千分表表（biǎo）頭接觸零件外圓，用手搬動機床主軸，使零件按機床 A 軸

旋轉，觀察旋轉過程中千分表（biǎo）數值變化，同第一步一樣，變化範（fàn）圍不（bú）超過 0.02 mm 才算合格。如果發（fā）現誤差過大，則需要進行調整校正，調整的循序按（àn）照難易程度安排，先（xiān）零件、再夾具、最後機床；如果（guǒ）對零件和夾具的調整都無法修正誤差，而在對機床進行調整後依然無法達到加工要求（qiú），則說明機床精度以無法滿足加工要求，必須更換機床進行加工，否則將無法保（bǎo）證加（jiā）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（cuò）施的有效（xiào）性，改進前後兩種工藝方案的加工結（jié）果如表 1 所示。

表 1 加工結果對照表

從表 1 的數據可以得（dé）到質量對比的（de）折線圖如圖3 所示。

圖 3 質量數據（jù）對比圖

從圖 3 中可以很清晰地看出，雖然沒有定量的計算（suàn），但改進後的工藝方案的有效性還是非常明顯的，零件質量有非常大的改善，證明了改進方法和措施解決了孔加工過（guò）程中存在的問（wèn）題。

4、結束語

本文提出了（le）一種對（duì）鑽頭改進利（lì）用車床鑽削小孔方法，為小孔加工提供了解決（jué）方案。對類似的小孔（kǒng）加工本文中的工藝方案可（kě）以（yǐ）借鑒，但需要（yào）根據具體的情（qíng）況不同采取的對應（yīng）措施，不能照搬，但在製定工藝方案時，一些共同點必須要考慮：

（1）要加強退刀排屑，不能簡單依靠鑽頭的排屑槽排屑（xiè）；

（2）商用（yòng）鑽頭不一定滿足所有加（jiā）工（gōng）工藝方案的要求，要（yào）根據具體（tǐ）情況考慮自製鑽頭；

（3）要對零件裝夾後的位置精（jīng）度進行測量並調整，否則會影響零（líng）件的加工。

投（tóu）稿箱：
如（rú）果您有機床（chuáng）行業、企業相關（guān）新聞稿件發表，或進（jìn）行資訊合作，歡迎聯係本網編（biān）輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦（jiàn）

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多