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高精度细长孔的数控加工研究
摘要:目前世界上利用外排屑(如枪钻)深孔钻削技术，可钻削的孔径小到f2mm。而内排屑深孔钻削的孔径非常少有小于f16mm的，且多数仍采纳传统的BTA钻削系统。由于枪钻结构为不对称外形，质心偏离中轴，这给制造、重磨都带来一定的困难，也使造价增高。另外，其结构刚度和扭转强度低(同直径的圆形钻杆扭转刚度是枪钻的2.3倍)，使其使用的钻削速度落低，进给量小。采纳单管内排屑喷吸钻(SED)钻削系统，钻削小深孔直径可小到f。我工艺所采纳SED技术，进行了孔径(mm)f16、f12、f10、f8、f7.62、f5.7、f3.7的小深孔钻削加工，钻削过程平稳，排屑流畅，孔的尺寸外形精度和孔壁外表粗糙度均能满足，在上述孔径范围内，完全能够替代枪钻对小深孔进行钻削加工。由于其刚度好，可加大进给量和钻削速度，使生产效率、钻孔质量和经济效益均有所提高，显示了一定的技术优势。
要害词：高精度细长孔数控加工
一、孔的定义与分类
依据国家标准GB1800—1979的规定：孔要紧指圆柱形的内外表。由此可知，广义的孔泛指包容面。孔通常可按如下方法分类：
〔1〕按外形来分。有圆柱孔、圆锥孔、鼓形孔、多边形孔、花键孔和其它异形孔以及特形孔〔如弯曲曲折折孔〕等。其中，以圆柱孔使用最为广泛。
〔2〕按形态来分。有通孔及盲孔〔不通孔〕；深孔〔指孔的深度L与孔径D之比超过5的孔，L/D简称深径比或长径比；L/D=5~20属一般深孔，L/D﹥20~30属中等深孔，L/D﹥30~100称为特别深孔〕及浅孔。
〔3〕按孔径的大小来分。有大孔〔D﹥100mm〕、一般孔(D=10~100mm)、小孔(D=1~10mm)和微孔(D<1mm的孔)。
〔4〕按加工机理来分。有机械加工、特种加工〔见表1〕、机电复合加工等。尽管特种加工方法较多，但目前由于设备对照珍贵和加工效率不高等缘故，因此不管是现在依然可预见的将来，传统的机械加工仍将是孔加工的要紧手段。
表1孔加工的方法
〔5〕按加工精度分。有粗孔〔如钻孔和粗镗后的孔〕、半精孔〔如扩孔、粗铰、半精镗的孔〕和周密孔〔如精铰、精拉、精磨、珩磨、研磨后的孔〕等。周密孔通常是指公差等级在IT7~IT6级以上，外表粗糙度Ra﹤0.8~0.4m的孔，它的几何外形精度〔如圆度、圆柱度、轴线直线度等〕一般规定在其尺寸公差带的1/2~1/3范围内。
随着航空航天、汽车、高速列车、风电、电子、家电、能源、模具、液压、机床及周密机械等装备制造业的迅速开展和产品的更新换代，周密孔的应用日益增多。例如液压系统中广泛使用的各种阀孔、高压油缸筒基本上一些典型的周密孔。孔加工由于其自身的特点，加工难度较大，而周密孔加工的难度更大。
二、孔加工的特点
孔加工是一种对照复杂的工艺过程，加工时必须妥善解决排屑、冷却润滑和导向等咨询题。孔加工的要紧特点是：
〔一〕由于受被加工工件孔径尺寸、长度和外形的制约，故切削刀具相应较细长，刚性差，同时大多呈悬臂装夹的方式，加工轻易引起刀具的偏歪和震动。
1、切屑排除对照困难。要改善容屑与排屑条件，势必要增大容屑槽，但如此将会使刀具的强度和刚度落低。
2、切削液难以引进到切削区，切屑、刀具与工件孔壁之间的摩擦非常大，切削温度非常高，尤其是在加工深孔时。因此，切削液在孔加工中具有特别的重要作用。切削液的合理选择和正确使用，对孔的加工质量、刀具寿命和切削效率等有极大的妨碍。
3.孔加工常用的切削液供液方法有浇注法和高压内冷却法两种。前者最为简单，但供液效果差，且切削液消耗量大。内冷却法多用于油孔钻、深孔钻、喷吸钻、套料刀和单刃镗铰刀等孔加工刀具上，需在刀具上作出高压内冷却的供液〔油〕通道孔，油气混合物通过此通道被输送到切削区，此法消耗的切削液用量少，但刀具结构较复杂。目前，随着刀具制造技术的进步，国内外各刀具公司已推出了各种带高压内冷却供液〔油〕通道孔刀具的新品，为采纳内冷却法制造了条件。例如，ISCAR公司推出的包括DR、DZ和DS系列的机夹硬质合金可转位刀片浅孔钻，德国MAPAL公司的涂层硬质合金单刃铰刀〔切削速度高达150-400m/min〕，日本三菱公司的硬质合金小钻头等，它们都有提供通向射流应用区域的高压切削液通道孔，同时规格越来越小。据报道，国外一家公司生产的硬质合金小钻头，其直径可小到3。
〔二〕切削液采纳近乎干式切削的“汽束〞喷雾冷却法的特点
1、“汽束〞喷雾冷却是以一定压力〔0.3~1MPa〕的空气使切削液雾化，并以非常高的速度喷向切削区域，使在该区域高温下呈雾化状的切削液滴非常快汽化。由于液体在汽化时会汲取大量热量，因而可使切削区域内的温度大幅度下落，同时切削液还能带走切削区域和空间的热量和粉末，改善作业环境。实践证实，在使用等量切削液情况下，“汽束〞喷雾冷却在相同时刻内所汲取的热量是浇注法的1000倍。因此，它不但可提高刀具使用寿命，而且可使切削液的消耗大大减少。据德国格林〔Guhring〕公司试验证实，在汽车生产线上采纳“汽束〞喷雾冷却，每班只需耗用半杯油，同时可用廉价的工厂再生油。“汽束〞喷雾冷却既适用于自动生产线上，也适用于一般的金属切削加工中。图1所示为在一般钻床上利用“汽束〞需求切削液的一种装置。该装置由贮液箱1〔包括工作部I和溢流部II〕、过滤器2和3、集液盘5、喷嘴6、箱盖8、喷吸器9、气阀11、节气阀12、水管13及管道4、7和10等组成。工作时，开动气阀11，压缩空气将以Pc=0.4MPa的压力从管路中压出，产生高压气流。高压气流在水管13的上部通过时会产生负压，而将切削液从贮液箱中吸出，并击成雾滴状。上述高压气流带着微小液滴的切削液渗透到切削区，在高温下会迅速汽化，汲取大量的热量，从而能有效地落低切削温度。而在集液盘中收集的废液通过滤后可流回贮液箱接着使用。节气阀12是用来改变管路中的压力，以便调节切削液的流量。而气阀11那么可利用电信号〔通过直流电压U=24V〕操纵。使用讲明，该装置结构简单，使用方便。加工时不能直截了当看看刀具的切削情况，尤其在加工微孔和深孔时。因此，自动监测操纵较其它加工方式更为重要。
2、孔的尺寸精度、几何外形精度、相互位置精度和外表粗糙度常因孔加工的特别性而难于操纵，然而一旦试验成功，较其它加工方式反而能更有规律性地维持。
三、妨碍加工精度的因素
〔一〕加工精度包括三个方面内容：
●尺寸精度指加工后零件的实际尺寸与零件尺寸的公差带中心的相符合程度。
●外形精度指加工后的零件外表的实际几何外形与理想的几何外形的相符合程度。
●位置精度指加工后零件有关外表之间的实际位置与理想位置相符合程度。
在机械加工中，机床、夹具、工件和刀具构成一个完整的系统，称为工艺系统工艺系统中的各组成局部，包括机床、刀具、夹具的制造误差、安装误差、使用中的磨损都直截了当妨碍工件的加工精度。也确实是基本讲，在加工过程中工艺系统会产生各种误差，从而改变刀具和工件在切削运动过程中的相互位置关系而妨碍零件的加工精度。这些误差与工艺系统本身的结构状态和切削过程有关，产生加工误差的要紧因素有：
〔二〕系统的几何误差
1、加工原理误差
加工原理误差是由于采纳了近似的加工运动方式或者近似的刀具轮廓而产生的误差，因在加工原理上存在误差，故称加工原理误差。只要原理误差在答应范围内，这种加工方式仍是可行的。
2、机床的几何误差
机床的制造误差、安装误差以及使用中的磨损，都直截了当妨碍工件的加工精度。其中要紧是机床主轴回转运动、机床导轨直线运动和机床传动链的误差。
3、刀具的制造误差及磨损
刀具的制造误差、安装误差以及使用中的磨损，都妨碍工件的加工精度。刀具在切削过程中，切削刃、刀面与工件、切屑产生强烈摩擦，使刀具磨损。当刀具磨损到达一定值时，工件的外表粗糙度值增大，切屑颜色和外形发生变化，并伴有振动。刀具磨损将直截了当妨碍切削生产率、加工质量和本钞票。
4、夹具误差
夹具误差包括定位误差、夹紧误差、夹具安装误差及对刀误差等。这些误差要紧与夹具的制造和装配精度有关。下面将对夹具的定位误差进行具体的分析。
工件在夹具中的位置是以其定位基面与定位元件相接触〔配合〕来确定的。然而，由于定位基面、定位元件工作外表的制造误差，会使各工件在夹具中的实际位置不相一致。加工后，各工件的加工尺寸必定大小不一，形成误差。这种由于工件在夹具上定位不准而造成的加工误差称为定位误差。它包括基准位移误差和基准不重合误差。在采纳调整法加工一批工件时，定位误差的实质是工序基准在加工尺寸方向上的最大变动量。
5、工艺系统的受力变形
由机床、夹具、工件、刀具所组成的工艺系统是一个弹性系统，在加工过程中由于切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重力的作用，会产生弹性变形，从而破坏了刀具与工件之间的正确位置，产生加工误差。例如车削细长轴时〔图3-53〕，在切削力的作用下，工件因弹性变形而出现“让刀〞现象。随着刀具的进给，在工件的全长上切削深度将会由多变少，然后再由少变多，结果使零件产生腰鼓形。
四、小深孔加工技术的难点和对策
深孔钻削加工就有相当的难度，内排屑小深孔钻削的难点就更加突出。
〔一〕排屑难度
排屑小深孔钻屑时切屑，要通过钻杆内的排屑通道排出，孔径越小，其排屑就越困难。例如，要钻削f8mm的深孔，钻杆外径是f5.2mm，钻杆内径仅有f4～4.2mm，而钻杆长一般达500～1500mm。因此，在钻削过程中，发生堵屑是经常的。为使排屑流畅，钻头切削刃上设计出合理的断屑和分屑台，保证可靠断屑十分重要。但小深孔的进给量非常小，实现C形断屑关于某些韧性材料是不可能的，钻屑经常是柔软的小带状，钻削过程中作为冷却和冲刷切屑的切削液压力产生动摇或压力下落时，切屑瞬时滞流、折叠而堵塞，进而导致钻刃损坏和钻杆扭断。为完全解决这一咨询题，能够从断屑和排屑两方面采取措施。最有效的断屑方法是采纳振动断屑技术，能稳定地得到所需要的切削外形。增加切削液对钻屑的排屑作用力，是SED钻削系统的特点，高压切削液一路进进授油器，润滑冷却钻削区和刀具，并以3MPa～4.5MPa的压力迫使切屑进进排屑通道，并将切屑推出；另一路切削液进进可调式负压抽屑装置，形成负压，对切屑产生吸力，吸出切屑。切屑在推和吸的双重作用下能顺利排出。实践证实，即使钻屑呈带状，且从钻削开始到加工结束一直维持连绵起伏，都能保证排屑流畅顺利。
〔二〕钻杆刚度缺乏
深孔钻削的钻杆细而长，小深孔钻削的钻杆更是细长，其刚度非常低，因此，在设计小深孔刀具时，应当尽可能提高刀具(包括钻头和钻杆)整体的刚度。在传统设计中，钻杆与钻头采纳了方牙螺纹联接方式。这要在管壁非常薄的钻杆上切出方牙螺纹，势必更使细长钻杆的强度和刚度下落。如；钻削f5.7mm深孔，钻杆外径只能取f4mm，在壁厚缺乏1mm上再挖往一个方牙螺纹的深度0.25mm，螺纹联接处的强度和刚度大大下落，在钻削中，钻杆常在螺纹联接处扭断。即使用小进给量以落低钻削扭矩，也不能防止扭断事故。为解决这一咨询题，关于钻削孔径f12mm以下孔的钻杆和钻头的联接。
〔三〕制造困难
1、钻杆和钻头假设采纳传统的螺纹联接，要在钻削小深孔的刀具钻杆孔内车制方牙内螺纹，螺纹车刀要比钻杆内径还要小，同时要刃磨出有严格尺寸的刀刃；方牙螺纹的螺距大，车制时又不能直看加工状况，操作非常困难。钻头部的制造更为困难，除在柄部车削出方牙螺纹外，还要在直径不大的刀头上铣削出供装焊硬质合金导条和刀片的凹槽和一个排屑通道。之后，硬质合金导条、刀片与刀头体的高温焊接还会引起过热、变形。因此，制造出合格的小深孔钻削刀具在工艺、操作上是有相当技术难度的。采纳措施后，使制造工艺相对简单多了。钻头部的制造全部改用粉末冶金硬质合金小钻头，只要一次性投资，制作出一个粉末冶金小钻头的模具，就可得到钻削小深孔的硬质合金钻头的刀坯，工艺简单，且刀具的重磨性好，正常使用能重磨3～4次，在总体上使刀具本钞票下落。我们把这种全新结构的小深孔刀具称为单管内排屑喷吸钻。
2.小深孔钻削时的切削速度和机床。使用硬质合金加工刀具切削一般合金钢材的切削速度最低在70m/min，而我国过往生产的小深孔加工机床，一般最高转速为2500r/min，且不能进行无级变速和无级进给，显然不能习惯小深孔钻削的工艺技术要求。1992年我所自己设计并组织生产了ZK2116×2型数控双轴深孔钻床(内、外排屑)和ZK2112型数控深孔钻床，最高转速到达6000～10000r/min。尤其是ZK2112型数控钻床，具有深孔钻削加工的3种运动方式：1)工件转动，刀具进给；2)工件转动，刀具转动并进给；3)工件不动，刀具转动并进给。这种机床还带有负压抽吸装置。这种新型机床的开发，拓宽了深孔加工的范围，也可把深孔加工技术提高到一个新的水平。
3.GT、CAD技术在深孔加工中的应用。利用当代计算机工具开展起来的成组技术(GT)和计算机辅助设计(CAD)，大大推动了机械加工技术的进步。在推进小深孔加工技术的进步和开展方面，成功地采纳GT、CAD的报导也许多。如对深孔刀具及其辅具利用GT技术建立分类编码系统，并在此根底上开展相应的CAD系统软件的研制开发，为深孔刀具的系列化、标准化奠定根底。同时，CAD软件的研制和应用，使深孔钻的设计过程通过计算机实现，不仅大大提高了设计速度，还防止和减少了设计中的错误。我院工艺研究所在利用GT和CAD技术方面也取得了非常好的成果，成功地开发出了设计深孔刀具的CAD系统，能利用CAD系统对枪钻、单管内排屑喷吸钻、机夹深孔镗刀等等深孔加工刀具进行设计和选型。