深孔（kǒng）加工技術研究綜述-數控機床市場網

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深孔加工技術研究（jiū）綜述

2017-7-18 來源：廣州（zhōu）市蘊泰（tài）精密機械有限公司作者：熊豔倫，湯佳駿，劉煒

       摘（zhāi）要：機（jī）械加工過程中，深孔是加工（gōng）難度最高的工（gōng）序之一（yī）。深孔的加工（gōng）對加工設備（bèi）提出（chū）了很高（gāo）的要求（qiú），因（yīn）此研究（jiū）其加工方法十分（fèn）必要（yào）。本（běn）文對（duì）深孔加工的概念、特點、技（jì）術及工藝和應用等方麵進（jìn）行了介紹，並分析了深孔加工的發展趨勢（shì）。

      關鍵詞：深孔加工，製（zhì）造技術（shù），工藝

      0 引（yǐn）言

     機械加工中的深孔（kǒng），一般指零件內孔的長度與直徑之比大於（yú） 5 的孔，其幾（jǐ）何特征決定了它是機械加工中難度最高的加工過程之一。深（shēn）孔加工對刀具提出了（le）很高的要求，一般刀具很（hěn）難同時保證孔的長度和精度要求。另外，近年來難加工材料（例如高強度合金（jīn）材料）的運用給深孔加工提出了更高（gāo）的要求。20 世紀 60 年（nián）代前，深孔加工主要用於槍炮的（de）生產，但近年來逐步向能源、汽車、航空航天等領域擴展。我國深孔加（jiā）工的基礎比較薄弱，因此迫切需要對深（shēn）孔加（jiā）工技術進行（háng）深入的研（yán）究[1]。本文對深孔加工技術的（de）特點、技術手段、關鍵（jiàn）技術（shù）及工藝方法和實（shí）際應用（yòng）、現今發展的水平等進行分析，並預測其發（fā）展的趨勢。

      1 、深孔加工技（jì）術概述

      1.1 技術特點及難點

      深孔（kǒng）加工屬於機械加工的範疇，與普通孔（kǒng）的加工相比，有很多特點及難點。分析深孔加（jiā）工的特點，才能更好地選擇不同的深孔加工方法。首先是切（qiē）削運動方式不同，普通孔加工（gōng）通常是工件固定，刀具同（tóng）時（shí）作進給運動與旋（xuán）轉運動。而深孔加工采用的切削運動有（yǒu）多種：工件旋（xuán）轉、刀具進給；工件（jiàn）不（bú）動、刀具旋轉與進給；工件與刀具相對旋轉、刀具進給；工件旋（xuán）轉與進給（gěi）、刀具不動。其中以第一種方式居多[2]。

     在加工過（guò）程中，深（shēn）孔加（jiā）工有很多難點。例如加工（gōng）時孔軸線容易歪（wāi）斜、細長刀（dāo）杆剛度差、容易產（chǎn）生讓刀誤差（chà）等[3]。更嚴重的問題是，加工過程在深孔中進行，人難以（yǐ）觀察到刀具切削過程，因此對於（yú）加工狀態的判斷（duàn）隻能通過聽切削聲音，觀察切削狀態和機床狀態參數來間接（jiē）得到[4]。加工孔排屑通道長而直徑較小，排屑困難，極可能損壞刀（dāo）具及工件[5]，加上（shàng）散熱困難，刀具容（róng）易因為孔（kǒng）內溫度過高而加劇磨損（sǔn）速度[6]。

     1.2 現有的加工方法

     深孔（kǒng）加工方法按排屑方（fāng）式可分為外排屑和（hé）內排屑兩種。外排削（xuē）指的是切削液由鑽杆（gǎn）中間（jiān）進入，經鑽頭頭部小孔噴射到切削區，然後（hòu）帶著切屑從鑽杆外部的 V 形槽中排出的方法，主要（yào）有（yǒu）槍鑽、深孔偏（piān）鑽和深孔麻花鑽等；內（nèi）排削指（zhǐ）的是切削液從鑽杆（gǎn）與

     孔壁的（de）間隙處進（jìn）入，靠切削（xuē）液的壓力將切屑從鑽杆的（de）內孔排出的方法，主要有 BTA 深孔鑽、噴射鑽和DF 深（shēn）孔鑽三種。外排屑效率較低，加工精（jīng）度（dù）難以保證，而且切（qiē）屑（xiè）會與已加工表麵接觸產生劃痕而破壞表麵（miàn）質量，而內排屑深孔鑽則可以克服這（zhè）個缺點。另外，現有深孔加工係統更加重視排屑與冷卻的平衡優化，近年來開發（fā）了一些（xiē）新的特種加工手段，例如電（diàn）火花加工、激（jī）光加工、電解加工、超聲加工等[7]。對於精（jīng）度要求比較高的孔，需要進行精加工，是在鑽孔、擴孔之後進行的（de）第二次加工，此時排屑問題已經不重要，重點是要提高加工精度（dù）[8]。

      2 、深孔加工技術的現狀

      2.1 關鍵技術

     由深孔加工的加工（gōng）方法（fǎ）可（kě）以看出，其（qí）關鍵技術有以下幾點：

     2.1.1 設備選擇

    主要是機床（chuáng）的（de）選擇，為（wéi）了保障深孔加工的（de）精度，需要合理選（xuǎn）擇夾具、主軸等，在保證機床刀杆剛度等參數的要求的同（tóng）時，機床有效（xiào）加（jiā）工行程也需要足（zú）夠大。

    2.1.2 工藝（yì）路線選擇

     要充分考慮具體加（jiā）工方法、工件特性等（děng），合理安（ān）排粗加工、半精加工、精加（jiā）工、光（guāng）整加工等階段[9]。

     2.1.3 刀具選擇

     選定工藝路線（xiàn）之後，要根據工藝特（tè）點合理選擇刀具，例如槍管主要使用槍鑽（zuàn）加工。槍（qiāng）鑽分三部分：刀頭用來鑽削（xuē），通常在鑽頭圓周上設置導向（xiàng）塊（kuài），鑽頭頂端一般設有油孔，通過（guò）焊（hàn）接與鑽杆相連；鑽杆外徑略（luè）小於鑽頭，必須具有高（gāo）強度和韌（rèn）性；鑽柄位於鑽杆底部，用於與機床相連[9]。文獻[10]提出了一種三導向塊的 BTA 刀具，並用概率方（fāng）法研究了靜態和動（dòng）態情況下此刀具相（xiàng）對於兩導向塊刀具的優勢。結果表明此刀具穩定性、加工效率和精度更高。

     2.1.4 定位

     深孔加（jiā）工的定位與普通孔加工一樣，常采用錐麵定位。另外，進行錐麵定位時，要保證直線度，在（zài）鑽孔及鏜孔前需要（yào）對端麵外錐麵進行（háng）處理[11]。

     2.1.5 排屑

     深孔加（jiā）工時由（yóu）於空間狹小，切屑較難排出，從而影響加（jiā）工質量。另外，不（bú）同的材料也會形（xíng）成（chéng）不同的切屑。比較好的工藝是內排（pái）屑深孔工（gōng）藝，可加（jiā）工直徑在 6～80 mm 的深孔[12]。

     2.1.6 冷卻潤滑

     由於深孔加工的（de）空間狹小，使熱量難以擴散，工件溫度急劇升高；況且（qiě）切屑過程也需（xū）要保證潤滑。所以，采用潤滑液同時解決這兩個問題。這種液體也能起到（dào）延長刀具壽命，降低噪音和振動等作用[12]。

     2.2 加工工藝

     目前世界上有很多學（xué）者進行深孔加（jiā）工的工藝研究，以下為（wéi）幾個實例。

    文獻[13]給（gěi）出了一種套筒零件的加工（gōng）工藝研（yán）究，材料為 30Cr3MoA，盲孔深度為 200 mm±0.2 mm。若采用普通加長麻（má）花鑽加工，由於細長的鑽頭（tóu）剛度差，散熱困難等原因，鑽（zuàn）頭磨損很快，加工質量（liàng）較低，因此需將冷卻液送到工作麵（miàn），例如可利用噴射鑽的方法（fǎ）加工。

    文獻[14]對難加工材（cái）料的精密深孔加工方法進行了研（yán）究。主要研究刀具的幾何（hé）形狀和切削參數（主軸（zhóu）轉速和進給速度）對（duì）加工（gōng）表麵質量的影響（xiǎng），最終通過改進 BTA 鑽頭使得最優（yōu）切削（xuē）參數下孔的加工（gōng）偏差問題達（dá）到了最小化，並成功加（jiā）工出了直徑 10～20mm，公差等級為 IT 7～9，表麵粗糙度 Ra 0.2～1.6μm 的深孔。實驗結果表明，刀具幾何形（xíng）狀對加工深孔的質量有顯著的影響。進行難加工材料（liào）的深孔鑽削時，可以（yǐ）通過提高鑽頭頭部的穩定性和提高（gāo）導向塊拋光精度（dù）來獲得良好的（de）表麵粗糙度、尺（chǐ）寸精度和圓跳動。主軸轉速和進給（gěi）速（sù）度對孔的尺寸精（jīng）度和表麵質量有很大的影響：主軸轉（zhuǎn）速（sù）越大，表麵光（guāng）潔度越高，孔的尺（chǐ）寸波動越小；而對於進給速度，存（cún）在一個最佳（jiā）值，使尺寸精度和表麵質（zhì）量最優。另（lìng）外，沿孔深（shēn）方向孔徑逐漸減小，表麵光潔度逐漸下降，這是由於刀具（jù）磨（mó）損（sǔn）所致。

     文獻[15]也（yě）對 BTA 深孔加工過程進行了研究，文中采用了基於計算機（jī）的方法研究 BTA 深孔加工（gōng）過程（chéng）的機理，研究重點是切屑變形（xíng）、切削力和（hé）刀（dāo）具磨損之（zhī）間的關聯（lián），建立（lì）了（le）深孔加工的加工模型，並用計算機采集係統（tǒng）采集的數據進行評估和驗證。結果表（biǎo）明，中心切削刃切出的切屑變形最大，用三刃鑽頭得到（dào）的切削力和切屑變（biàn）形的變化（huà）趨勢（shì）是相同（tóng）的；切屑變形隨進給速率的增大而增大，隨工件和（hé）刀具的轉速增大而減小。該文還描述了 BTA 深孔加工中的（de）對其他力（如軸向力）的測量和分析（xī），並根據實驗（yàn）數據建立（lì）了軸向（xiàng）力的經（jīng）驗公式。該文的研究為 BTA深孔鑽工藝的在線（xiàn）檢測和控製係（xì）統的進一步發展奠定（dìng）了堅實的基礎。

     隨著對環保的要求越來越高，需要減少切（qiē）削液的（de）使用，因此便產生了幹式和（hé）亞幹式深孔加工。即將部（bù）分切削液霧化並與氣體混合製成冷卻液（yè），采用低（dī）溫冷風法和油氣噴射法（fǎ）進行冷（lěng）卻[16]。深孔幹鑽削是幹加工工藝中最難的工（gōng）藝。文獻[17]描述了噴吸鑽的工作原理，及（jí）利用壓縮空氣代替切削液（yè）的深孔加工（gōng）方法，並對鑽頭的幾何參數進行了優化。然而對於孔加工來說，切屑較多，熱量較（jiào）大，完全不采用切削（xuē）液的加工難以實現，需要采用亞（yà）幹式加工。采用亞幹式（shì）切（qiē）削經濟實用，氣體溫度、流量（liàng）均（jun1）可（kě）調節，以應對不同（tóng）加工環境，也在一定（dìng）程（chéng）度上減少（shǎo）了汙染[18]。文（wén）獻[19]中（zhōng）給出了幹（gàn）式、亞幹式加工的關鍵技術研究，通過合理使用冷卻和潤滑霧化氣體，采用負（fù）壓排屑裝置，合理設計刀具參數（shù），以及合理選用切削液，可（kě）以使得加工效果精度達到 IT 11~12 級，表（biǎo）麵粗糙度 Ra 達到 6.3~3.2。

     由於機械（xiè）加工的研究不斷深入，特種加工方法也越來越多地得到運用，例如電火花加工。文獻[20]給（gěi）出了一種（zhǒng）內噴霧電介質燒蝕深孔加工方法，它采用了（le）連續脈衝和間歇性供氧的方法。其中“霧”是氧和水的混合物，用（yòng）混合物作為電介質，化學反應產生的能量用於提高蝕除過程的效率；無氧時修整蝕除表麵。文中（zhōng）對采用內噴霧電介質燒（shāo）蝕技術、內
噴霧電火花加工技術和純氧環境（jìng）的間歇式電火花加工技術進行深孔加工作比較（jiào）試驗，重點（diǎn）研究了各種（zhǒng）技術（shù）的加工機理（lǐ）、加工效（xiào）率（lǜ）、電極相對磨損率、加（jiā）工質量和精度。結果表明，間歇式電火花加工能量過大以至於（yú）難以（yǐ）控製，而且容易導致（zhì）短路，影響係統穩定（dìng）性；內噴霧電介質（zhì）燒蝕技術的效率為內噴霧電火花加工技術的 5.45 倍，而（ér）且刀具相對磨損率下
降了 82％，可以達到很好的表麵質量和很高的加工精度；高壓氣霧可以起（qǐ）到冷卻和抑製電（diàn）火花燒蝕的作用，可以提（tí）高燒蝕反應的可控性和穩定性（xìng），維持穩定的燒蝕過程；內噴霧電介（jiè）質（zhì）燒蝕技術（shù）繼承了間歇式（shì）電火花加（jiā）工（gōng）技術的特性，包含內噴霧（wù）電火花（huā）燒蝕和水中（zhōng）普通電火花（huā）燒蝕兩個過程。

     文獻[21]探究了通過使用快速響應的旋轉（zhuǎn）電極來提高小直徑深孔電火花加工速度的（de）方法，提出了一（yī）種結合傳統的電火花加工機床的電磁驅動五軸聯動機床。該機床可提高電火（huǒ）花加工深孔的速度，其中（zhōng）的電磁驅（qū）動電（diàn）機可以同時（shí）起到使電極旋轉和快速定（dìng）位（wèi）的作用。實驗結果表（biǎo）明，與普通電極不旋轉的電（diàn）火花加工相比（bǐ），該機床加工 φ0.5 mm ×4 mm 和φ1.0 mm×4 mm 的通孔時，加工速度分別提高（gāo）了125％和 337％；使（shǐ）用快速響應聯動機（jī）床加工，以800 r/min 轉速加工 φ0.5 mm×4mm 通孔的（de）加工速率最（zuì）大提升 343% ，以 600 r/min 轉速加工（gōng） φ1.0mm×4 mm 通孔的加（jiā）工速率最大（dà）提升 433%。上述實驗結果還表明，用聯動（dòng）機床加工深孔的長徑比越大，電極旋轉的影響越明顯。

     文獻[22]對（duì）金屬深孔電火花加工的參（cān）數進行了優化，提出的一種具有電介（jiè）質塗層保（bǎo）護套的工具電極的 EDM 係統，該文測定了最優脈寬、電極尖端（duān）與保護套最優間距和電極進給（gěi）控製的最優振幅。結果表明，加工 0.75～0.80 mm 孔徑時，脈寬 40 μs、尖端間距 7 mm、振幅 40 μm 時加工效果最優。此優化相比以前的參數（shù）提高（gāo）了約 35%的加工速度，降低（dī）了約 40%的電極損耗。

     3 、深孔加工技術的應用

    隨（suí）著工業（yè）化進程的不斷推進，深孔加工的應（yīng）用範圍不斷擴展，在軍工、航（háng）天、石油化工機械等（děng）領域（yù）都有運用。

    給出了槍（qiāng）鑽在汽車製動泵主缸深孔加工機床中的運用，並設計了加工過程中的排屑方式、主（zhǔ）軸轉速、主（zhǔ）軸電機的功率及冷卻係統等。文獻[25]詳細設計了活塞杆（gǎn）的深孔加工設備和工藝，對以往的工藝進（jìn）行改進，並采（cǎi）用了合適的裝夾方式（shì）、刀具材料和切削（xuē）參數，提高了生產率。文獻[26，27]、分別研究了船用中高速柴油機和重機進（jìn）氣管（guǎn）的深孔加工技術。文獻[28]介（jiè）紹了水泥機械的深孔加工技術（shù），由（yóu）於其工件質（zhì）量很大，可達數（shù）十噸，因此其深孔加工有（yǒu）著特殊（shū）的難點，另外其（qí）孔徑範圍差別很大，因此同一零件需要（yào）用不同種類的深孔加工手段。該文根據工藝需求對舊機（jī）床進行了改造，實現了提升深孔加工綜合效（xiào）益（yì）的目標（biāo）。特種加工方麵，文獻[29]給出了鈦合（hé）金材（cái）料的超聲和（hé）電火花深（shēn）孔加工方法。由於鈦合金材料用普通機械加工方法難以加工，即便是較為（wéi）合適用於其加工的電火花加工方法，在加工深孔時由於其低（dī）導熱性和高韌性使得加工效果也不理想。因此文中將超聲振動加入電火花加工過程，並分（fèn）析其作用，提出（chū）了一種結合超聲波與微細電火花的四軸機床。另外，文獻[30]對多（duō）孔陶（táo）瓷燃燒板的深孔加工（gōng）進行了（le）研究。

     4 、深孔加工技術的發展趨勢（shì）

    從最早的鑽削槍（qiāng）管使用的槍鑽，到後（hòu）來出現的BTA 鑽、噴吸鑽、DF 鑽等（děng），深孔加工工藝的優化方法（fǎ）不斷產生，例如新型（xíng）刀具材料、結構，導向塊布置，排（pái）屑裝置等，並在優（yōu）化過程中不斷增強環保意識，逐漸向高效率、高精（jīng）度、高可靠等方向（xiàng）發展[31]。同時，深孔加工技術還逐漸引入學科交叉的思想。例如特種加工，它徹底改變了深孔加工的原理，
利用電能使材料汽化或液化達到去除材料的目的。數控加工的發展也使（shǐ）得小批量、多品種的深孔加工成為了可能，並結合了計算機技術的發展（zhǎn），越來越使得工人的操作得（dé）到簡化[32]。

    為了節省資源和減（jiǎn）少汙染物排放，對於加工的綠色化也提出了更（gèng）高的要求，新型（xíng）綠色加工（gōng）技術主要有 3 種：采用綠色切削液（yè）、幹式（shì）切削、準幹式切削。由於幹式切削（xuē）技（jì）術難度（dù）較大，因此暫時難以推廣；準幹式切削使用微量切削（xuē）液，可較大程度減少汙染，而且技術難度大大小於幹（gàn）式切削，因此受到更多關注；采用具有生態性能（néng）的冷卻潤滑劑，也可
實現（xiàn）綠色切削，並（bìng）且其對人體健康無（wú）影響[33]。

     5 、結語

     本文通過（guò）對（duì）深孔加工概念、特點和基本方法的介紹，並重點通過對現有關於深孔加工關鍵技術、工藝及應用文獻資料的調（diào）研，給出現今技術發展的概況和未來的發展方（fāng）向。正是由於（yú）深孔（kǒng）加工的困（kùn）難性和應（yīng）用上的普遍性，才迫切需要對其理（lǐ）論和技術進行更加深入的（de）研（yán）究。隨著科技的進步，深孔加工技術將會朝著高精度、高效率、環境友（yǒu）好方向不斷
發展，並且在更廣泛的（de）工業領域上發揮作（zuò）用。

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