深孔加工技术研究综述
2017-7-18 来源： 广州市蕴泰精密机械有限公司 作者：熊艳伦，汤佳骏，刘 炜
摘 要：机械加工过程中，深孔是加工难度最高的工序之一。深孔的加工对加工设备提出了很高的要求，因此研究其加工方法十分必要。本文对深孔加工的概念、特点、技术及工艺和应用等方面进行了介绍，并分析了深孔加工的发展趋势。
关键词：深孔加工，制造技术，工艺
0 引言
机械加工中的深孔，一般指零件内孔的长度与直径之比大于 5 的孔，其几何特征决定了它是机械加工中难度最高的加工过程之一。深孔加工对刀具提出了很高的要求，一般刀具很难同时保证孔的长度和精度要求。另外，近年来难加工材料 （例如高强度合金材料） 的运用给深孔加工提出了更高的要求。20 世纪 60 年代前，深孔加工主要用于枪炮的生产，但近年来逐步向能源、汽车、航空航天等领域扩展。我国深孔加工的基础比较薄弱，因此迫切需要对深孔加工技术进行深入的研究[1]。本文对深孔加工技术的特点、技术手段、关键技术及工艺方法和实际应用、现今发展的水平等进行分析，并预测其发展的趋势。
1 、深孔加工技术概述
1.1 技术特点及难点
深孔加工属于机械加工的范畴，与普通孔的加工相比，有很多特点及难点。分析深孔加工的特点，才能更好地选择不同的深孔加工方法。首先是切削运动方式不同，普通孔加工通常是工件固定，刀具同时作进给运动与旋转运动。而深孔加工采用的切削运动有多种：工件旋转、刀具进给；工件不动、刀具旋转与进给；工件与刀具相对旋转、刀具进给；工件旋转与进给、刀具不动。其中以第一种方式居多[2]。
在加工过程中，深孔加工有很多难点。例如加工时孔轴线容易歪斜、细长刀杆刚度差、容易产生让刀误差等[3]。更严重的问题是，加工过程在深孔中进行，人难以观察到刀具切削过程，因此对于加工状态的判断只能通过听切削声音，观察切削状态和机床状态参数来间接得到[4]。加工孔排屑通道长而直径较小，排屑困难，极可能损坏刀具及工件[5]，加上散热困难，刀具容易因为孔内温度过高而加剧磨损速度[6]。
1.2 现有的加工方法
深孔加工方法按排屑方式可分为外排屑和内排屑两种。外排削指的是切削液由钻杆中间进入，经钻头头部小孔喷射到切削区，然后带着切屑从钻杆外部的 V 形槽中排出的方法，主要有枪钻、深孔偏钻和深孔麻花钻等；内排削指的是切削液从钻杆与
孔壁的间隙处进入，靠切削液的压力将切屑从钻杆的内孔排出的方法，主要有 BTA 深孔钻、喷射钻和DF 深孔钻三种。外排屑效率较低，加工精度难以保证，而且切屑会与已加工表面接触产生划痕而破坏表面质量，而内排屑深孔钻则可以克服这个缺点。另外，现有深孔加工系统更加重视排屑与冷却的平衡优化，近年来开发了一些新的特种加工手段，例如电火花加工、激光加工、电解加工、超声加工等[7]。对于精度要求比较高的孔，需要进行精加工，是在钻孔、扩孔之后进行的第二次加工，此时排屑问题已经不重要，重点是要提高加工精度[8]。
2 、深孔加工技术的现状
2.1 关键技术
由深孔加工的加工方法可以看出，其关键技术有以下几点：
2.1.1 设备选择
主要是机床的选择，为了保障深孔加工的精度，需要合理选择夹具、主轴等，在保证机床刀杆刚度等参数的要求的同时，机床有效加工行程也需要足够大。
2.1.2 工艺路线选择
要充分考虑具体加工方法、工件特性等，合理安排粗加工、半精加工、精加工、光整加工等阶段[9]。
2.1.3 刀具选择
选定工艺路线之后，要根据工艺特点合理选择刀具，例如枪管主要使用枪钻加工。枪钻分三部分：刀头用来钻削，通常在钻头圆周上设置导向块，钻头顶端一般设有油孔，通过焊接与钻杆相连；钻杆外径略小于钻头，必须具有高强度和韧性；钻柄位于钻杆底部，用于与机床相连[9]。文献[10]提出了一种三导向块的 BTA 刀具，并用概率方法研究了静态和动态情况下此刀具相对于两导向块刀具的优势。结果表明此刀具稳定性、加工效率和精度更高。
2.1.4 定位
深孔加工的定位与普通孔加工一样，常采用锥面定位。另外，进行锥面定位时，要保证直线度，在钻孔及镗孔前需要对端面外锥面进行处理[11]。
2.1.5 排屑
深孔加工时由于空间狭小，切屑较难排出，从而影响加工质量。另外，不同的材料也会形成不同的切屑。比较好的工艺是内排屑深孔工艺，可加工直径在 6～80 mm 的深孔[12]。
2.1.6 冷却润滑
由于深孔加工的空间狭小，使热量难以扩散，工件温度急剧升高；况且切屑过程也需要保证润滑。所以，采用润滑液同时解决这两个问题。这种液体也能起到延长刀具寿命，降低噪音和振动等作用[12]。
2.2 加工工艺
目前世界上有很多学者进行深孔加工的工艺研究，以下为几个实例。
文献[13]给出了一种套筒零件的加工工艺研究，材料为 30Cr3MoA，盲孔深度为 200 mm±0.2 mm。若采用普通加长麻花钻加工，由于细长的钻头刚度差，散热困难等原因，钻头磨损很快，加工质量较低，因此需将冷却液送到工作面，例如可利用喷射钻的方法加工。
文献[14]对难加工材料的精密深孔加工方法进行了研究。主要研究刀具的几何形状和切削参数 （主轴转速和进给速度） 对加工表面质量的影响，最终通过改进 BTA 钻头使得最优切削参数下孔的加工偏差问题达到了最小化，并成功加工出了直径 10～20mm，公差等级为 IT 7～9，表面粗糙度 Ra 0.2～1.6μm 的深孔。实验结果表明，刀具几何形状对加工深孔的质量有显著的影响。进行难加工材料的深孔钻削时，可以通过提高钻头头部的稳定性和提高导向块抛光精度来获得良好的表面粗糙度、尺寸精度和圆跳动。主轴转速和进给速度对孔的尺寸精度和表面质量有很大的影响：主轴转速越大，表面光洁度越高，孔的尺寸波动越小；而对于进给速度，存在一个最佳值，使尺寸精度和表面质量最优。另外，沿孔深方向孔径逐渐减小，表面光洁度逐渐下降，这是由于刀具磨损所致。
文献[15]也对 BTA 深孔加工过程进行了研究，文中采用了基于计算机的方法研究 BTA 深孔加工过程的机理，研究重点是切屑变形、切削力和刀具磨损之间的关联，建立了深孔加工的加工模型，并用计算机采集系统采集的数据进行评估和验证。结果表明，中心切削刃切出的切屑变形最大，用三刃钻头得到的切削力和切屑变形的变化趋势是相同的；切屑变形随进给速率的增大而增大，随工件和刀具的转速增大而减小。该文还描述了 BTA 深孔加工中的对其他力 （如轴向力） 的测量和分析，并根据实验数据建立了轴向力的经验公式。该文的研究为 BTA深孔钻工艺的在线检测和控制系统的进一步发展奠定了坚实的基础。
随着对环保的要求越来越高，需要减少切削液的使用，因此便产生了干式和亚干式深孔加工。即将部分切削液雾化并与气体混合制成冷却液，采用低温冷风法和油气喷射法进行冷却[16]。深孔干钻削是干加工工艺中最难的工艺。文献[17]描述了喷吸钻的工作原理，及利用压缩空气代替切削液的深孔加工方法，并对钻头的几何参数进行了优化。然而对于孔加工来说，切屑较多，热量较大，完全不采用切削液的加工难以实现，需要采用亚干式加工。采用亚干式切削经济实用，气体温度、流量均可调节，以应对不同加工环境，也在一定程度上减少了污染[18]。文献[19]中给出了干式、亚干式加工的关键技术研究，通过合理使用冷却和润滑雾化气体，采用负压排屑装置，合理设计刀具参数，以及合理选用切削液，可以使得加工效果精度达到 IT 11~12 级，表面粗糙度 Ra 达到 6.3~3.2。
由于机械加工的研究不断深入，特种加工方法也越来越多地得到运用，例如电火花加工。文献[20]给出了一种内喷雾电介质烧蚀深孔加工方法，它采用了连续脉冲和间歇性供氧的方法。其中“雾”是氧和水的混合物，用混合物作为电介质，化学反应产生的能量用于提高蚀除过程的效率；无氧时修整蚀除表面。文中对采用内喷雾电介质烧蚀技术、内
喷雾电火花加工技术和纯氧环境的间歇式电火花加工技术进行深孔加工作比较试验，重点研究了各种技术的加工机理、加工效率、电极相对磨损率、加工质量和精度。结果表明，间歇式电火花加工能量过大以至于难以控制，而且容易导致短路，影响系统稳定性；内喷雾电介质烧蚀技术的效率为内喷雾电火花加工技术的 5.45 倍，而且刀具相对磨损率下
降了 82％，可以达到很好的表面质量和很高的加工精度；高压气雾可以起到冷却和抑制电火花烧蚀的作用，可以提高烧蚀反应的可控性和稳定性，维持稳定的烧蚀过程；内喷雾电介质烧蚀技术继承了间歇式电火花加工技术的特性，包含内喷雾电火花烧蚀和水中普通电火花烧蚀两个过程。
文献[21]探究了通过使用快速响应的旋转电极来提高小直径深孔电火花加工速度的方法，提出了一种结合传统的电火花加工机床的电磁驱动五轴联动机床。该机床可提高电火花加工深孔的速度，其中的电磁驱动电机可以同时起到使电极旋转和快速定位的作用。实验结果表明，与普通电极不旋转的电火花 加工相比， 该机 床加 工 φ0.5 mm ×4 mm 和φ1.0 mm×4 mm 的通孔时，加工速度分别提高了125％和 337％；使用快速响应联动机床加工，以800 r/min 转速加工 φ0.5 mm×4mm 通孔的加工速率 最 大 提 升 343% ， 以 600 r/min 转 速 加 工 φ1.0mm×4 mm 通孔的加工速率最大提升 433%。上述实验结果还表明，用联动机床加工深孔的长径比越大，电极旋转的影响越明显。
文献[22]对金属深孔电火花加工的参数进行了优化，提出的一种具有电介质涂层保护套的工具电极的 EDM 系统，该文测定了最优脉宽、电极尖端与保护套最优间距和电极进给控制的最优振幅。结果表明，加工 0.75～0.80 mm 孔径时，脉宽 40 μs、尖端间距 7 mm、振幅 40 μm 时加工效果最优。此优化相比以前的参数提高了约 35%的加工速度，降低了约 40%的电极损耗。
3 、深孔加工技术的应用
随着工业化进程的不断推进，深孔加工的应用范围不断扩展，在军工、航天、石油化工机械等领域都有运用。
给出了枪钻在汽车制动泵主缸深孔加工机床中的运用，并设计了加工过程中的排屑方式、主轴转速、主轴电机的功率及冷却系统等。文献[25]详细设计了活塞杆的深孔加工设备和工艺，对以往的工艺进行改进，并采用了合适的装夹方式、刀具材料和切削参数，提高了生产率。文献[26，27]、分别研究了船用中高速柴油机和重机进气管的深孔加工技术。文献[28]介绍了水泥机械的深孔加工技术，由于其工件质量很大，可达数十吨，因此其深孔加工有着特殊的难点，另外其孔径范围差别很大，因此同一零件需要用不同种类的深孔加工手段。该文根据工艺需求对旧机床进行了改造，实现了提升深孔加工综合效益的目标。特种加工方面，文献[29]给出了钛合金材料的超声和电火花深孔加工方法。由于钛合金材料用普通机械加工方法难以加工，即便是较为合适用于其加工的电火花加工方法，在加工深孔时由于其低导热性和高韧性使得加工效果也不理想。因此文中将超声振动加入电火花加工过程，并分析其作用，提出了一种结合超声波与微细电火花的四轴机床。另外，文献[30]对多孔陶瓷燃烧板的深孔加工进行了研究。
4 、深孔加工技术的发展趋势
从最早的钻削枪管使用的枪钻，到后来出现的BTA 钻、喷吸钻、DF 钻等，深孔加工工艺的优化方法不断产生，例如新型刀具材料、结构，导向块布置，排屑装置等，并在优化过程中不断增强环保意识，逐渐向高效率、高精度、高可靠等方向发展[31]。同时，深孔加工技术还逐渐引入学科交叉的思想。例如特种加工，它彻底改变了深孔加工的原理，
利用电能使材料汽化或液化达到去除材料的目的。数控加工的发展也使得小批量、多品种的深孔加工成为了可能，并结合了计算机技术的发展，越来越使得工人的操作得到简化[32]。
为了节省资源和减少污染物排放，对于加工的绿色化也提出了更高的要求，新型绿色加工技术主要有 3 种：采用绿色切削液、干式切削、准干式切削。由于干式切削技术难度较大，因此暂时难以推广；准干式切削使用微量切削液，可较大程度减少污染，而且技术难度大大小于干式切削，因此受到更多关注；采用具有生态性能的冷却润滑剂，也可
实现绿色切削，并且其对人体健康无影响[33]。
5 、结语
本文通过对深孔加工概念、特点和基本方法的介绍，并重点通过对现有关于深孔加工关键技术、工艺及应用文献资料的调研，给出现今技术发展的概况和未来的发展方向。正是由于深孔加工的困难性和应用上的普遍性，才迫切需要对其理论和技术进行更加深入的研究。随着科技的进步，深孔加工技术将会朝着高精度、高效率、环境友好方向不断
发展，并且在更广泛的工业领域上发挥作用。
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