汽車零件微小孔鉆削的工藝

朱炎標

摘 要：微小機械制造技術、電子技術等高端的技術產品在不斷的被精細化、集成化。而在汽車領域，零部件的微小孔也在這樣的情勢下迫使其加工精度要求逐漸變高。雖然常見的微小孔加工工藝的方法有很多種選擇，但是在汽車零件制造中我們主要采用的還是機械鉆孔的工藝。鉆削加工工藝在微小孔中的使用頻率極高，但是這種加工方式也存在著一定的難點。本文筆者會通過對鉆削工藝的難點作為切入點，并結合國外在汽車零件鉆削加工的情況加以闡述，希望為汽車的鉆削工藝提供一些新的思考方法。

關鍵詞：汽車零件；微小孔；鉆削工藝

1.微小孔鉆削的難點

事實上，鉆削加工是切削工藝中條件較為惡劣的一種方法，而加工過程中，將其運用到鉆削微小孔的工件中，特別是汽車零部件的噴油嘴微小孔時，由于微小的麻花鉆在構造上存在著缺陷，它集中了很多幾乎全部的鉆削過程中的難點，而且使得切削條件更加的惡劣，這也會加劇加工中的質量，在機械制造領域中它是需要深入研究和突破的技術上的難題。

1.1低剛度的微小孔鉆頭

在力學模型的角度上，鉆夾頭上的微小孔鉆頭可以將其近似于圓柱懸臂梁。由于孔徑減少而其與鉆孔長度的比例被增加，因此，鉆頭的剛度在這樣的形勢下會被下降。開始鉆削之后，鉆頭尖的部分容易在施工中產生鉆頭彎曲或者偏移的現象，這將會嚴重影響到孔鉆入的定位，以及孔徑尺寸和其加工形狀的精度。因此，為了緩解上述鉆頭剛度上存在的不足，微小孔頭中鉆芯的厚度需要被加大，當它的直徑超過了1mm那么鉆芯厚度和鉆頭直徑兩者之間的的比例會低于0.2，微小鉆頭所需要的的鉆芯厚度或保持在0.3與0.4的水平之間。一般的，如果鉆芯的厚度以及橫刃的寬度都較大，在鉆削條件較為惡劣的情況下，將會破壞入鉆時的位置定位，使得游動的情況變得更加的嚴重。

鉆削過程中橫刃在副前角的切削狀態中，而橫刃的的寬度越大，它的切削抗力便會越高，鉆頭的負荷會因此被加重。鉆頭螺旋槽的主要功能是為了導入切削液以及其他的排屑和容屑，但是如果存在螺旋槽較淺的情況，那么其可以容屑的能力就會表現的比較差，之后會造成排屑的困難，使得加工好的表面和切屑之間的刮擦現象加重，會影響到表面的加工質量，造成切屑堵塞的情況。這種狀況下切削液便無法被注入到切屑的區域，將會導致冷卻潤滑的效果降低。 出口毛刺現象與軸向的切削力量有較大的關系，而這種力量主要是來源于橫刃，橫刃的寬度越大，那么產生的軸向鉆削力就會提升，產生的出口毛刺現象便會加劇。

1.2微小孔鉆頭結構的形狀的影響

麻花鉆頭的結構形狀較為復雜，切削中的導向部分可以適當的減輕導向部分中與孔壁之間造成的摩擦。在加工過程中我們使用的標準麻花鉆在這部分的棱邊較為狹窄，從外圓向尾部形成了倒錐的現象，因此產生的副后刃面會比較狹窄以及副偏刃角會大于0°。這種鉆頭的在實際的應用中較為廣泛，可以用于提高在加工中的剛度和強度等【1】。一般鉆頭如果沒有棱邊以及倒錐，那么其在鉆削過程中便很容易發生導向部分和孔壁的摩擦，并且越來越嚴重。

2.微小孔鉆削工藝的發展

2.1高速鉆削

關于高速鉆削的理論是在1931年德國的物理學家Carl J.Salomon所提出的一項理論。在這項理論中提到，常規的切削范圍中，切削中產生的速度提高會導致切削溫度被抬升，但是當切削的速度保持在一定的數值時，他的溫度會降低，并且切削時所用的速度跟需要加工的材料種類有較大的關系。因此，這項理論也給我們較大的啟示，如果用刀具在高速區用高速的切削，那么其溫度會大幅度降低，并且可以大大的提高我們的加工效率。

根據現有的金屬切削理論，鉆削速度產生的鉆削力的變化是小于進給量產生的鉆削力的。如果將進給速度保持不變，將鉆削的速度提高那么將會降低鉆削的扭矩以及其軸向的進給力，從而緩解微小鉆頭的負荷，降低鉆頭在使用中被折斷的可能性。一般高速鉆削產生的主軸的轉速可以保持在超過10000rm/in的水平。在轉子動力學理論的指導下，我們知道，當主軸的轉動速度高于其固有角頻率的時候，會相應的增加主軸旋轉的穩定度，這樣可以產生自動對心的作用，能相應的增加入鉆的精度【2】。在1980年代初，日本的一些公司有研制出較高速的告微小加工機床以及數控微小孔加工機床，其中前者主軸速超過180000rm/in，而后者主軸轉速可以保持在120000rm/in以及20000rm/in之間水平。來自美國的National Jet公司宣布已經研發出可以達到40000rm/in的主軸轉速的微小孔鉆削主軸。在國內，河北機床廠也開始與北京理工大學進行合作，也成功研制出達到80000rim/min主軸轉速的微小孔高速鉆削機床，這項研發也在生產中得到了較廣泛的應用。在鉆削印刷的電路板中，如果條件合適，一般都會采用高速的鉆削工藝。不過由于這種鉆削工藝對主軸有較高的要求，因此國內外還是會選擇進度較高頻的主軸電機或者滿輪驅動自己空氣驚訝軸承的主軸。為了防止振動，高速鉆削是不能被應用在以機械傳動的主軸中。

2.2振動鉆削

振動鉆削的工藝是建立在目前的切削理論以及振動理論上的較為新興的鉆削方法，這也是振動切削的一種。這種方法與普通的鉆削方式的區別在于其整棟裝置可以讓鉆頭和工間兩者之間產生可控范圍中的相對運動【3】。一般的振動方式大概有三種，一種是軸向整棟，還有扭轉振動以及復合振動。軸向的振動方式在工藝中較容易被實現，產生的效果也較為明顯，是主要的振動方式。這三種振動方式的振動頻率可以在數百赫茲之間，因此我們也會將之稱為低頻的振動鉆削。

振動鉆削是對傳統鉆削方式的一種新穎的方法，它改變了原始的鉆削工藝的連續鉆削的過程，而是轉變成一種脈沖式的斷續鉆削的方式。如果主切削刃和工件并不分離，那么這之間的切削速度以及所產生的方向等數據都會產生周期變化。相反，如果兩者是分離狀態的，那么其切削的過程會變成斷續的切削形式。因此，在振動的參數、主軸轉速等都在合理的范圍內時，可以很好的幫助對鉆入位置的定位，并且可以減少所產生的毛刺，降低切削的溫度，大大的延長鉆頭的壽命。這種工藝也深受國內外學者的關注。

2.3噴油嘴的多工位鉆削方式

這種方式是運用中心鉆以及具有長短差異的鉆頭在不同的位置上鉆削同一個孔的一種方法。工藝加工過程中，會先用中心孔來鉆出所需要孔的位置，然后用配有較短的螺旋刃的鉆頭鉆到大概二分之一的孔深中，最后選用較長刃溝的鉆頭加深所需要的深度，以此可以來延長鉆頭的壽命并且還能保持中孔位的精度。目前這種多方位的鉆削方式被大量的應用到實際的加工過程中，國外一般對噴油嘴的加工都會采用這種方式。在瑞士也有公司研制戶噴孔在CNC3的微小孔鉆床。

3.結語

微小孔的鉆削技術由于條件不同，因此采用的鉆削方式也不同，并且在實踐過程中也會采用較多的加工方法并投入生產。但是目前關于鉆削方式的研究仍然還有很多問題，比如鉆頭在形狀、尺寸等上面的偏差都很容易導致工藝的不精。另外，在出口處的毛刺問題上，目前國內外都還沒有較為理想的方式來解決，特別是在內燃機的燃料噴嘴上，也在這部分除去小孔出口的毛刺，在操作過程中是非常困難的，而制造商針對這種問題也只能在鉆孔被加工完成后，用電解磨削的方式來將其周圍的毛刺去掉，如果不做好處理將會影響到噴嘴的噴射效果。為了將鉆削技術進行更細化的研究，筆者認為需要將這種工藝進行更加廣泛的應用，深入了解其運作的激勵，研究新材料在微小孔鉆削中的應用，將會對今后的鉆削工藝的進步有較大的幫助。

參考文獻：

[1]張鵬，李仙昊，張德遠. 實用化振動切削技術——微小孔振動鉆削工藝及裝備[J]. 新技術新工藝，2007，01：33-34+2.

[2]程軍，焦鋒. 微小孔鉆削工藝的研究現狀[J]. 機械工程師，2007，11：9-11.

[3]孫永泰. 汽車零件微小孔的鉆削工藝[J]. 天津汽車，2004，01：33-34.