精密深孔加工技術(shù)的探索與研究

王浩宇，李明森，姜萍萍

（1.吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春航空液壓控制有限公司，長(zhǎng)春 130051）

在機(jī)械加工車削過程中，大部分工件都要加工精密孔。精密深孔的加工方法的解決能基本解決閥體和閥套孔、套筒、液壓作動(dòng)筒、柱塞孔等深孔加工問題。

1 深孔加工存在的問題

（1）深孔加工處于封閉或半封閉的狀態(tài)下，故不能直接觀察到刀具的切削情況；（2）切屑不易排出；（3）切削熱不易傳散；（4）加工刀具剛性差。

2 現(xiàn)有的加工方法

2.1 加長(zhǎng)麻花鉆鉆深孔

加長(zhǎng)麻花鉆一般用于長(zhǎng)徑比小于或等于10的孔的加工，在鉆削中帶有導(dǎo)向時(shí)，切屑不易排出；加長(zhǎng)麻花鉆加工精度較差，僅用于預(yù)孔粗加工，并在單件或小批生產(chǎn)時(shí)使用。

2.2 槍鉆鉆深孔

槍鉆通常由鉆頭、鉆桿、鉆柄三部分組成。槍鉆為單刃外排屑深孔鉆，最早用于加工槍管，故稱為槍鉆。鉆孔時(shí)，切削液以高壓（2.5～10MPa）從鉆柄、鉆桿內(nèi)注入，通過切削部分（鉆頭）通油孔送入切削區(qū)，進(jìn)行冷卻和潤滑，并匯同切屑從鉆頭和鉆桿的V形槽中排出。槍鉆用于直徑2～20mm，最大可達(dá)50mm，深徑比20～100的深孔（最大可達(dá)250），加工精度H8～H10，表面粗糙度Ra3.2～0.8μm，在刀具及工作條件較好的情況下，使用槍鉆可在一次走刀加工出精密孔，加工精度可達(dá)H6～7級(jí)，表面粗糙度Ra0.4～0.25μm。如圖1所示，槍鉆主要用于在工件實(shí)體上鉆孔。

圖1 槍鉆的典型結(jié)構(gòu)

2.3 噴射鉆鉆孔

噴射鉆（又叫噴吸鉆）由鉆頭，管狀內(nèi)、外鉆桿，連接器和導(dǎo)套組成。切削液用泵注入，大部分通過內(nèi)、外鉆桿的間隙進(jìn)入切削區(qū)，起冷卻、潤滑和排屑作用；小部分從內(nèi)鉆桿尾端月牙槽內(nèi)返回；造成噴吸效應(yīng)，形成低壓吸屑，為順利排屑創(chuàng)造條件。其液壓力常為1～2MPa。由于它具有內(nèi)鉆桿，使排屑空間減小，故對(duì)斷屑要求較嚴(yán)，切屑應(yīng)成“C”狀或瓦片狀。噴射鉆常用于直徑18～65mm，長(zhǎng)徑比在100以內(nèi)的深孔加工。加工精度可達(dá)H7，表面粗糙度在Ra0.4～1.6μm范圍內(nèi)，如圖2所示。噴射鉆是新穎的內(nèi)排屑深孔加工用刀具。它把人們習(xí)慣依靠切削液推出切屑的深孔加工方法，轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽壳邢饕何銮行嫉男路椒?。其噴吸效?yīng)可避免切削液飛濺，只要配以適當(dāng)?shù)那邢饕汗┙o系統(tǒng)，即可在普通車床等多種機(jī)床作精密深孔加工。由于噴射鉆結(jié)構(gòu)較復(fù)雜和使用時(shí)需改裝機(jī)床，故一般適用于大批或大量生產(chǎn)。

圖2 噴射鉆結(jié)構(gòu)示意圖

3 深孔加工工藝的研究

氮化鋼套筒零件如圖3所示，材料為30Cr3MoA，孔徑為Φ9.4+0.120，盲孔孔深為200±0.2，孔對(duì)外圓跳動(dòng)在0.05mm以內(nèi)，表面粗糙度Ra3.2μm。

3.1 套筒零件加工難點(diǎn)分析

通常用加長(zhǎng)麻花鉆頭在普通車床上進(jìn)行加工，由于零件材料硬度較高，加長(zhǎng)麻花鉆頭結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，剛度差，強(qiáng)度低，同時(shí)加工過程中散熱困難，鉆頭易磨損，排屑通道長(zhǎng)而狹窄，切屑排出困難，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)刀具折斷，孔直徑變大，出現(xiàn)錐形孔等現(xiàn)象，從而達(dá)不到加工質(zhì)量的要求。

普通車床精度低，鉆孔時(shí)加長(zhǎng)麻花鉆過長(zhǎng)，擺動(dòng)過大，底孔的同軸度無法保證。所以擴(kuò)深孔時(shí)既要保證尺寸和粗糙度，又要校正孔與外圓的同軸度，增加了擴(kuò)深孔的難度。一直以來，擴(kuò)深孔都是以分組階梯式擴(kuò)孔方式來加工，加工周期長(zhǎng)，合格率低。隨著產(chǎn)量的提高，不能滿足質(zhì)量要求。

圖3 套筒零件圖

3.2 套筒零件的加工方法

3.2.1 傳統(tǒng)深孔加工工藝

加工順序與方法：定中心—鉆底孔φ6.5×200—擴(kuò)深孔φ9.4×200。鉆底孔工序圖見圖4，擴(kuò)深孔工序圖見圖5。

圖4 鉆底孔工序圖

圖5 擴(kuò)深孔工序圖

3.2.2 精密深孔加工的方法

（1）從設(shè)備入手，解決設(shè)備精度問題

選擇帶有深孔鉆功能的數(shù)控車床，主要是利用深孔鉆頭的油孔將高壓泵泵出的冷卻液（油）及時(shí)送達(dá)深孔鉆頭工作表面處，冷卻過程的同時(shí)，防止悶車現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)將切屑及時(shí)排出，以防止切屑劃傷已加工表面。

（2）設(shè)計(jì)一種適合深孔加工的深孔鉆刀具

通過對(duì)三種加工深孔的刀具（麻花鉆、槍鉆、噴射鉆）進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)麻花鉆加工精度較差，僅用于預(yù)孔粗加工，并在單件或小批生產(chǎn)時(shí)使用，現(xiàn)有加工方法即為加長(zhǎng)麻花鉆鉆孔，不能滿足圖紙要求。噴射鉆是新穎的內(nèi)排屑深孔加工用刀具。它把人們習(xí)慣依靠切削液推出切屑的深孔加工方法，轉(zhuǎn)變?yōu)橐揽壳行家何銮行嫉男路椒āＦ鋰娢?yīng)可避免切削液飛濺，故只要配以適當(dāng)?shù)那邢饕汗┙o系統(tǒng)，即可在普通車床等多種機(jī)床作精密深孔加工。噴射鉆也可用于實(shí)體工件的鉆孔。由于噴射鉆結(jié)構(gòu)較復(fù)雜和使用時(shí)需改裝機(jī)床，故一般適用于大批量生產(chǎn)。只有槍鉆符合精密深孔加工要求，槍鉆用于直徑2～20mm，最大可達(dá)50mm，深徑比20～100的深孔（最大可達(dá)250），加工精度H8～H10，表面粗糙度Ra3.2μm，但是需要帶有高壓泵泵油的機(jī)床。

（3）工藝試驗(yàn)手段

用槍鉆在數(shù)控車床上加工深孔，選用夾簧裝夾零件、切削油冷卻、主軸轉(zhuǎn)速700～900r/min，進(jìn)給量0.013～0.017mm/r。

加工工步：鉆引導(dǎo)孔—鏜引導(dǎo)孔—鉆深孔。

3.2.3 試驗(yàn)方案

（1）試驗(yàn)方案一

加工工序如圖6所示。

圖6 方案一的加工工序圖

試驗(yàn)結(jié)果顯示：用加長(zhǎng)麻花鉆鉆底孔，孔尺寸φ 9.4+0.120×200合格，技術(shù)條件超差，跳動(dòng)值為0.25mm左右；用槍鉆擴(kuò)深孔，如圖7所示，孔尺寸合格，技術(shù)條件合格，孔表面粗糙度為Ra6.3μm，排屑問題解決，切屑是斷續(xù)的，不符合槍鉆加工零件特點(diǎn)，未達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。在加工第5件時(shí)，有打刀現(xiàn)象發(fā)生。槍鉆為中間有油孔鉆頭，成本極高，零件加工經(jīng)濟(jì)性差。方案一失敗。

圖7 槍鉆照片

（2）試驗(yàn)方案二

基于方案一試驗(yàn)結(jié)果，考慮將擴(kuò)深孔合并于鉆底孔工序，進(jìn)行工藝試驗(yàn)。將擴(kuò)深孔合并于粗鉆深孔工序，使用帶有高壓泵泵油機(jī)構(gòu)的數(shù)控車床，加工工步如圖8所示：

圖8 方案二的加工工序圖

試驗(yàn)結(jié)果顯示：深孔尺寸φ 9.4+0.120×200、孔對(duì)基準(zhǔn)A的跳動(dòng)值為0.05mm、粗糙度為Ra1.6μm均符合圖紙要求。

為了使加工尺寸趨于穩(wěn)定，從裝夾、冷卻液、轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量等方面優(yōu)化加工參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果證明：裝夾方式選用夾簧裝夾零件、冷卻液選用切削油、主軸轉(zhuǎn)速選擇700～900r/min，進(jìn)給量選擇0.013～0.017mm/r時(shí)加工的零件各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)一致性較好。

3.2.4 結(jié)論分析

設(shè)備選擇分析：帶有高壓泵泵油機(jī)構(gòu)的數(shù)控車床能滿足槍鉆的加工特點(diǎn)，數(shù)控車床的旋轉(zhuǎn)刀架能同時(shí)裝夾中心鉆、鉆頭、鏜刀、锪鉆、槍鉆等多把刀具，加工時(shí)互不干涉，數(shù)控車床的主軸精度能保證零件加工中技術(shù)條件的要求，同時(shí)通過數(shù)控程序控制加工工步，提高加工效率。

裝夾方式分析：用夾簧裝夾零件時(shí)，裝夾力比軟爪裝夾大，夾簧與主軸同軸精度高，既能符合加工時(shí)鉆頭切削的力度，又能保證孔與裝夾基準(zhǔn)的同軸度；

鉆鏜引導(dǎo)孔分析：槍鉆總長(zhǎng)度為300mm左右，直接加工時(shí)切削位置與鉆柄位置距離過長(zhǎng)，鉆桿較細(xì)，擺動(dòng)過大，易使鉆頭折斷，先鉆鏜引導(dǎo)孔可以起到校正孔位置的作用，同時(shí)防止孔口位置偏斜和鉆頭折斷現(xiàn)象的發(fā)生。引導(dǎo)孔直徑比孔直徑小0.10mm，防止鏜孔位置與鉆孔交接處產(chǎn)生接痕；

冷卻液分析：用冷卻液與冷卻油分別進(jìn)行了試驗(yàn)，冷卻液冷卻時(shí)排出來的屑為細(xì)屑，出現(xiàn)抱死和打刀現(xiàn)象，而用冷卻油時(shí)排出的切屑是連續(xù)條狀的切屑，同時(shí)冷卻油的潤滑作用要比冷卻液強(qiáng)，能加工出較好的內(nèi)孔粗糙度；

轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量分析：由于數(shù)控車床加工深孔時(shí)，零件由主軸帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，刀具不轉(zhuǎn)，所以進(jìn)給量與轉(zhuǎn)速是要配合在一起進(jìn)行研究的。高轉(zhuǎn)速加工的零件由于轉(zhuǎn)速過高，排屑不及時(shí)，切屑易黏附在孔壁上，使得內(nèi)孔表面產(chǎn)生溝痕；轉(zhuǎn)速過低時(shí)有打刀的現(xiàn)象發(fā)生，經(jīng)過對(duì)幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示：只有在轉(zhuǎn)速為800r/min，進(jìn)給量為0.015mm/r時(shí)，零件深孔滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)論

數(shù)控車床與槍鉆配合加工精密深孔的加工方法，提高了精密深孔加工精度，保證了零件質(zhì)量，同時(shí)可為實(shí)驗(yàn)室和中小企業(yè)的精密深孔加工提供方法借鑒。

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