1 常见的小直径深孔加工技术

       1.1 常见的小直径深孔加工技术

       ①传统的钻、扩、铰工艺

       目前孔的加工大部分还是用传统的钻、扩、铰工艺，要求机床主轴转速高，范围广，通常为11000～150000r/min；主轴跳动要小，主轴的跳动量应小于1μm；对切削抗力变化的反应要敏感，最好配备有钻头磨损的自动监控系统；为保证直线度、圆度，最好有能相对主轴反向旋转机构。

       目前研制新型钻头仍是该方面研究的重点。

       ②电火花加工工艺

       电火花加工使用高速小孔加工机床（带有导向器，利用细管电极高速回转，管中通过高压工作液）来加工通孔。该方法加工效率高，可达到60mm/min，应用范围广，可以加工深径比大的小孔，加工的最小直径为0.3mm，但精度相对较低。

       该方法的主要难点为加工中的蚀除产物和热量不易排除，一般的冲液方式无法解决这个问题。未来发展方向是要采用高速电火花加工技术，一方面要不断用流动的工作液将蚀除产物自间隙中排除，另一方面要保持以高电流密度连续正常放电。

       ③枪钻加工工艺

       因最早应用于枪管的加工而得名，适用于深孔的加工，一次走刀加工出精度较高的孔。工作过程中，利用导向条支撑刀具，高压（一般为3.4～9.8 MPa）切削液从钻头的进油孔送到切削区进行冷却、润滑，并帮助排屑，然后将切削与切削液顺着V 形槽排入油箱中。

       枪钻的加工精度，视不同的被加工材料和选用不同的切削用量可以一次加工出精度很高的孔，孔径精度可以达到IT7 以上，粗糙度可以达到Ra6.3～0.4μm，直线度最高可以达到0.1/1000。

       ④线切割加工工艺

       通过线状工具电极和工件电极的相对运动，对工件进行脉冲放电加工。控制电极丝的走动速度可获得较低的表面粗糙度，较高的尺寸精度、形状精度和位置精度，但是该方法需要预加工穿丝孔。

       1.2 小直径深孔精加工技术

       小深孔精加工又称为深孔的二次加工。在钻孔或扩孔之后，如果达不到规定的精度或粗糙度要求，就需要采用深孔精加工技术进行二次加工甚至更多次数的加工。通常，航空机载行业中的作动器、伺服阀等零件均需要二次精加工。其加工精度为IT9～IT5 不等，孔加工粗糙度Ra 一般要求在1.6～0.2μm。

       除少数盲深孔零件外，二次加工的特点是在已有通孔的基础上进行加工。因此，排屑不再成为主要障碍，排屑的方式也皇现多样化，刀具的种类和切削齿数也不拘一格。但由于二次加工仍然是在孔的封闭内腔中进行的，加之受工件长度、零件结构、孔径尺寸、工件刚度和刀杆刚度等因素的影响，所以小深孔二次加工的难度仍然远高于浅孔的精加工。

目前小深孔精密加工所采用的常用方法主要包括研磨加工、珩磨加工等。

       研磨加工是使用研具和游离的磨料进行微细加工的工艺方法，工件和研具之间相对平动和回转运动时，利用游离的磨料进行微细的切削加工。该方法可获得很高的尺寸精度、形状精度、位置精度和较低的表面粗糙度。该方法的缺点有：①效率低，劳动强度大，并需要操作人员具有相当的技巧和经验；②它的尺寸分散性大；③容易在孔的两端产生研磨喇叭口；④研磨中的磨粒会在孔的窗口、环槽、直槽等处造成破坏，形成研磨浅滩；⑤研磨中使用的研磨膏对零件的清洗是个大问题，研磨膏常常难于清洗干净，清洁度经常超过标准。新的研磨方法成为目前研究的重点，例如超声振动研磨，液体挤压研磨等。

       珩磨是从磨削发展起来的精整加工手段，可以使加工表面的几何精度、形状公差、表面粗糙度都得到极大改善。珩磨加工是以固结磨粒压力进行切削的光整加工方法。一般工件固定，珩杆相对于工件作回转和往复运动，在径向珩杆可胀缩压紧工件。可加工的范围为直径1～1200mm，孔长1200mm，加工精度可以到0.1μm，最高表面粗糙度可达Ra0.01μm。珩磨所使用的设备，可以是专业设备，也可以是车床、钻床或镗床等普通机床设备的改装。

       2 小直径深孔加工技术在航空机载行业中的应用

       2.1 航空机载行业中小直径深孔加工技术简介

       航空机载行业中电液伺服阀阀套内孔、各类飞行器的作动筒内孔就属细长孔，其深径比大，精度要求高。加工时所用的刀杆、砂轮杆、研磨杆等均属细长杆，其刚性差，不能承受较大的切削力，很容易弯曲变形和磨损；此外，电液伺服阀阀套内孔孔壁有很多径向圆孔、方孔或环槽，给内孔的精加工更是增加了难度。

       以下是某型阀套内孔现有的加工工艺流程：

       麻花钻钻孔→镗孔→铰孔→淬火→精密线切割→研磨棒研孔

       该内孔加工的难点在于半精加工、精加工时采用的精密线切割校正直线度，然后采用研磨工艺，由于受研磨套加工精度和刚度限制，圆柱度一直在0.003/100mm 左右，且制造成本较高。

       2.2 应用举例

       在为航空机载制造厂选用深孔加工设备时，加工零件的材质、结构特征以及精度都是应该注意的，同时要选择合适的工艺方法。

       如某作动器，为了简化结构，作动器中采用精密深盲孔的结构较多。该作动器的工作压力将达33MPa 以上，在保证偶件运动灵活性的同时，要求保证最小的泄露，甚至零泄露。在这种情况下，要求偶件孔（柱塞孔）的圆柱度小于0.001/100mm，配合间隙小于0.003mm，表面粗糙度Ra0.4μm。轴向柱塞泵转子结构示意图和轴向柱塞泵转子立体图分别参见图1 和2 所示。

       该作动器用的柱塞泵和民用柱塞泵区别很大，高可靠性、高强度、大流量的要求，决定了其材料几乎全为高强度不锈钢，因此，加工难度非常大。柱塞孔的加工难点是要保证多个柱塞孔的空间位置度和孔的圆柱度。

       ·孔径小：孔径为10mm，属于小孔加工；

       ·孔深：孔深长150mm，长径比等于15，属于深孔加工；

       ·要求精度高：要求圆柱度为0.001/100mm，配合间隙小于0.003mm，属于典型的精密加工。

       如上图所示，转子上沿圆周均匀分布了多个高精度柱塞孔，目前的加工主要采用镗孔加研磨工艺。由于镗孔工艺不可避免会产生锥度，而且对细长孔加工位置度难以保证。

       由于这些小直径深孔且均分布在壁厚方向，不易采用工件旋转刀具进给的加工方式，宜采用刀具旋转且进给或工件进给的深孔加工方式，因此选用如下加工工艺：

       粗加工（钻孔、扩孔）→半精加工（镗孔）→精加工（珩磨）

       说明如下：

       ①粗加工（用较高的生产率去除大量的加工余量）采用专用的深孔麻花钻，并进行特殊的刃磨，以保证良好的分屑效果和定心作用。由于孔径较小，需要超高的主轴转速，一般钻床无法胜任。且普通钻床加工时刀具直径过细造成刚度不足，会使加工后的孔直线度超差，给后续加工带来困难。因此在加工小深孔时，必须有专业化的小深孔加工工具和深孔机床装备。

       ②半精加工

       由于该孔直径为Φ10mm，比较适合采用镗削进行半精加工，进一步提高加工精度，为精加工作准备；③精加工（最终加工，光整加工，提高几何尺寸精度、改善表面粗糙度）

       原工艺采用研磨的手工光整手段，效率低，劳动强度大，并需要操作人员具有相当的技巧和经验，可改进为珩磨，利用珩磨头对工件进行表面精加工。一般采用卧式珩磨机，珩磨头只作旋转运动，工件作往复运动，由塞规式自动尺寸控制装置保证工件尺寸，尺寸精度可达0.005mm，可替代研磨。

       如图所示需选用加工孔深大于150mm、孔径涵盖Φ10mm 的深孔加工设备，同时需要达到加工孔的圆柱度小于0.001/100mm，配合间隙小于0.003mm。

       通过与国外设备厂商的沟通和参观学习后，在加工作动器的柱塞孔时，采用精密珩磨设备，进行内孔精加工，提高精密深孔的圆柱度和位置度。该设备最小可以磨削Φ0.8mm 的孔，最大可以磨削Φ36mm 的孔，深度可以达到200mm，粗糙度：Ra0.1～1.6mm；被加工孔圆度<0.001mm。

       3 设备选型需注意的因素

       选择加工设备时，应根据被加工工件的材料性能、形状、尺寸、加工余量、精度要求以及加工批量等进行选择。

       3.1 加工工件批量大小及加工工件材料

       一般来说，小批量的易加工材料，包括碳钢、一般合金钢，不管是轴类还是异型件都可用深孔钻系统进行深孔粗加工，该系统刀具采用枪钻，内冷外排屑。可方便的配置在普通车床、镗床等设备上，加工效率及加工精度远高于传统加工方法，适宜于中小批量零件的小直径深孔加工。选用通用性大的、功率小的单轴立式珩磨机床进行精密加工。对于大批量、高精度、难加工材料的小直径深孔加工则要选择多轴、自动化程度高的专用机床，如多轴珩磨机。

       3.2 加工工件外形、尺寸

       深孔加工依据被加工零件的外形又可分为回转轴类深孔加工机床和异型体深孔加工机床。

       异型体上的深孔加工一般选择F\G 系列的三坐标深孔钻床。（F 系列是工作台提供垂直方向的移动，行程小，适合小型工件的深孔加工；G 系列是机床横梁提供垂直方向的移动，工作台载重大，上下行程大，适合大工件的深孔加工。）

       3.3 加工工件的孔径、加工精度要求及钻削深度（及长径比）

       对于一般直径较大、孔深较浅的孔来说比较适合采用镗削加工；而对于直径较小、孔深较深的孔（直径小于Φ4mm，深径比≥10）较适合钻削加工。

       3.4 选用加工中心的需求

       当前，由于深孔机床的高速发展，小直径深孔加工向柔性复合化趋势发展，即一次装夹，完成钻、镗、车、铣和磨光等多刀工序。能够实现高效、精密和集中加工，避免零件多次装夹误差。先决条件是必须采用高速加工中心，而机床的高速化必须满足下列条件。

       ①配备高速回转主轴随着中心主轴的高速化，已可采用镗削工具对孔进行精密加工。小直径深孔加工需配备动平衡性能优异的高速主轴。

       ②主轴可直接供给冷却液在钻削过程中，加工小直径深孔必须特别注意排屑问题，最好选用带供油孔的钻头，以便进行稳定的加工。采用由主轴中心供给冷却液的方式，对于更换卡具的锁紧螺栓则更为方便。

       ③具有孔加工用CNC 工具插补功能CNC 切削的特点在于可以进行控制工具轨迹的合理加工，在对孔进行CNC 切削加工时，可采用螺旋切削、等高走刀、对切等工具插补方式。

       4 小直径深孔加工技术的发展趋势

       从20 世纪70 年代起，美国的零部件制造商开始采用内孔磨削的方法，用涨缩式珩磨加工阀孔，而与之相对应的轴则多采用配磨的方式以保证配合间隙。采用珩磨工艺与多次手工研磨的工艺相比，加工质量好，预留余量少，并且生产能力高。但是，珩磨也存在着其局限性。传统的珩磨加工有产生喇叭口，孔径尺寸较难控制等问题。

       国外的Single pass 精密孔加工技术，也称整体式珩磨技术，与传统的珩磨技术相比，具有更高的加工精度，更短的加工时间，更少的操作技能以及更低的加工成本，是未来精密深孔加工技术的一个重要发展方向。另外，为了适应种类愈来愈多，加工难度愈来愈大的小直径深孔加工，小直径深孔加工方法已由传统的切削加工方法发展到非传统的切削加工方法，前者是以机械力学为基础的单刃或多刃刀具的切削方法，后者是以附加能量（如热切削、低温切削、磁化切削和振动切削），附加介质（如添加气体切割或涂覆固体润滑剂切削）、高速切削、电解切削以及高能束与射流切削技术等[6]。

       传统小直径深孔加工采用机械方式去除多余材料，具有一些固定缺陷，例如刀具材料硬度必须高于工件硬度，切削力大，工件残留应力，容易变形，劳动强度大，加工环境恶劣等。当面临航空航天部件复杂型面、微元器件，或者工件超硬、超软、高精度、高质量、复杂形体机构时，传统机械加工难以达到要求。

       为此，许多研究者提出可采用超声波振动切削的方式。目前，正在探索一种应用范围广而且工艺合理的超声波振动切削模式，其中包括研究机床的适应特性等内容。随着这些问题的顺利解决，今后可望更好地实现L/D 值更大的小直径深孔加工，钻削的速度会更快，加工精度会更高。