熊艷倫，湯佳駿，劉　煒（廣州市蘊(yùn)泰精密機(jī)械有限公司，廣州　510530）

深孔加工技術(shù)研究綜述

熊艷倫，湯佳駿，劉煒
（廣州市蘊(yùn)泰精密機(jī)械有限公司，廣州510530）

機(jī)械加工過程中，深孔是加工難度最高的工序之一。深孔的加工對加工設(shè)備提出了很高的要求，因此研究其加工方法十分必要。本文對深孔加工的概念、特點(diǎn)、技術(shù)及工藝和應(yīng)用等方面進(jìn)行了介紹，并分析了深孔加工的發(fā)展趨勢。

深孔加工，制造技術(shù)，工藝

0　引言

機(jī)械加工中的深孔，一般指零件內(nèi)孔的長度與直徑之比大于5的孔，其幾何特征決定了它是機(jī)械加工中難度最高的加工過程之一。深孔加工對刀具提出了很高的要求，一般刀具很難同時(shí)保證孔的長度和精度要求。另外，近年來難加工材料（例如高強(qiáng)度合金材料）的運(yùn)用給深孔加工提出了更高的要求。20世紀(jì)60年代前，深孔加工主要用于槍炮的生產(chǎn)，但近年來逐步向能源、汽車、航空航天等領(lǐng)域擴(kuò)展。我國深孔加工的基礎(chǔ)比較薄弱，因此迫切需要對深孔加工技術(shù)進(jìn)行深入的研究［1］。本文對深孔加工技術(shù)的特點(diǎn)、技術(shù)手段、關(guān)鍵技術(shù)及工藝方法和實(shí)際應(yīng)用、現(xiàn)今發(fā)展的水平等進(jìn)行分析，并預(yù)測其發(fā)展的趨勢。

1　深孔加工技術(shù)概述

1.1技術(shù)特點(diǎn)及難點(diǎn)

深孔加工屬于機(jī)械加工的范疇，與普通孔的加工相比，有很多特點(diǎn)及難點(diǎn)。分析深孔加工的特點(diǎn)，才能更好地選擇不同的深孔加工方法。首先是切削運(yùn)動(dòng)方式不同，普通孔加工通常是工件固定，刀具同時(shí)作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。而深孔加工采用的切削運(yùn)動(dòng)有多種：工件旋轉(zhuǎn)、刀具進(jìn)給；工件不動(dòng)、刀具旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給；工件與刀具相對旋轉(zhuǎn)、刀具進(jìn)給；工件旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給、刀具不動(dòng)。其中以第一種方式居多［2］。

在加工過程中，深孔加工有很多難點(diǎn)。例如加工時(shí)孔軸線容易歪斜、細(xì)長刀桿剛度差、容易產(chǎn)生讓刀誤差等［3］。更嚴(yán)重的問題是，加工過程在深孔中進(jìn)行，人難以觀察到刀具切削過程，因此對于加工狀態(tài)的判斷只能通過聽切削聲音，觀察切削狀態(tài)和機(jī)床狀態(tài)參數(shù)來間接得到［4］。加工孔排屑通道長而直徑較小，排屑困難，極可能損壞刀具及工件［5］，加上散熱困難，刀具容易因?yàn)榭變?nèi)溫度過高而加劇磨損速度［6］。

1.2現(xiàn)有的加工方法

深孔加工方法按排屑方式可分為外排屑和內(nèi)排屑兩種。外排削指的是切削液由鉆桿中間進(jìn)入，經(jīng)鉆頭頭部小孔噴射到切削區(qū)，然后帶著切屑從鉆桿外部的V形槽中排出的方法，主要有槍鉆、深孔偏鉆和深孔麻花鉆等；內(nèi)排削指的是切削液從鉆桿與孔壁的間隙處進(jìn)入，靠切削液的壓力將切屑從鉆桿的內(nèi)孔排出的方法，主要有BTA深孔鉆、噴射鉆和DF深孔鉆三種。外排屑效率較低，加工精度難以保證，而且切屑會(huì)與已加工表面接觸產(chǎn)生劃痕而破壞表面質(zhì)量，而內(nèi)排屑深孔鉆則可以克服這個(gè)缺點(diǎn)。另外，現(xiàn)有深孔加工系統(tǒng)更加重視排屑與冷卻的平衡優(yōu)化，近年來開發(fā)了一些新的特種加工手段，例如電火花加工、激光加工、電解加工、超聲加工等［7］。對于精度要求比較高的孔，需要進(jìn)行精加工，是在鉆孔、擴(kuò)孔之后進(jìn)行的第二次加工，此時(shí)排屑問題已經(jīng)不重要，重點(diǎn)是要提高加工精度［8］。

2　深孔加工技術(shù)的現(xiàn)狀

2.1關(guān)鍵技術(shù)

由深孔加工的加工方法可以看出，其關(guān)鍵技術(shù)有以下幾點(diǎn)：

2.1.1設(shè)備選擇

主要是機(jī)床的選擇，為了保障深孔加工的精度，需要合理選擇夾具、主軸等，在保證機(jī)床刀桿剛度等參數(shù)的要求的同時(shí)，機(jī)床有效加工行程也需要足夠大。

2.1.2工藝路線選擇

要充分考慮具體加工方法、工件特性等，合理安排粗加工、半精加工、精加工、光整加工等階段［9］。

2.1.3刀具選擇

選定工藝路線之后，要根據(jù)工藝特點(diǎn)合理選擇刀具，例如槍管主要使用槍鉆加工。槍鉆分三部分：刀頭用來鉆削，通常在鉆頭圓周上設(shè)置導(dǎo)向塊，鉆頭頂端一般設(shè)有油孔，通過焊接與鉆桿相連；鉆桿外徑略小于鉆頭，必須具有高強(qiáng)度和韌性；鉆柄位于鉆桿底部，用于與機(jī)床相連［9］。文獻(xiàn)［10］提出了一種三導(dǎo)向塊的BTA刀具，并用概率方法研究了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下此刀具相對于兩導(dǎo)向塊刀具的優(yōu)勢。結(jié)果表明此刀具穩(wěn)定性、加工效率和精度更高。

2.1.4定位

深孔加工的定位與普通孔加工一樣，常采用錐面定位。另外，進(jìn)行錐面定位時(shí)，要保證直線度，在鉆孔及鏜孔前需要對端面外錐面進(jìn)行處理［11］。

2.1.5排屑

深孔加工時(shí)由于空間狹小，切屑較難排出，從而影響加工質(zhì)量。另外，不同的材料也會(huì)形成不同的切屑。比較好的工藝是內(nèi)排屑深孔工藝，可加工直徑在6～80 mm的深孔［12］。

2.1.6冷卻潤滑

由于深孔加工的空間狹小，使熱量難以擴(kuò)散，工件溫度急劇升高；況且切屑過程也需要保證潤滑。所以，采用潤滑液同時(shí)解決這兩個(gè)問題。這種液體也能起到延長刀具壽命，降低噪音和振動(dòng)等作用［12］。

2.2加工工藝

目前世界上有很多學(xué)者進(jìn)行深孔加工的工藝研究，以下為幾個(gè)實(shí)例。

文獻(xiàn)［13］給出了一種套筒零件的加工工藝研究，材料為30Cr3MoA，盲孔深度為200 mm±0.2 mm。若采用普通加長麻花鉆加工，由于細(xì)長的鉆頭剛度差，散熱困難等原因，鉆頭磨損很快，加工質(zhì)量較低，因此需將冷卻液送到工作面，例如可利用噴射鉆的方法加工。

文獻(xiàn)［14］對難加工材料的精密深孔加工方法進(jìn)行了研究。主要研究刀具的幾何形狀和切削參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度）對加工表面質(zhì)量的影響，最終通過改進(jìn)BTA鉆頭使得最優(yōu)切削參數(shù)下孔的加工偏差問題達(dá)到了最小化，并成功加工出了直徑10～20 mm，公差等級為IT 7～9，表面粗糙度Ra 0.2～1.6 μm的深孔。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，刀具幾何形狀對加工深孔的質(zhì)量有顯著的影響。進(jìn)行難加工材料的深孔鉆削時(shí)，可以通過提高鉆頭頭部的穩(wěn)定性和提高導(dǎo)向塊拋光精度來獲得良好的表面粗糙度、尺寸精度和圓跳動(dòng)。主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對孔的尺寸精度和表面質(zhì)量有很大的影響：主軸轉(zhuǎn)速越大，表面光潔度越高，孔的尺寸波動(dòng)越小；而對于進(jìn)給速度，存在一個(gè)最佳值，使尺寸精度和表面質(zhì)量最優(yōu)。另外，沿孔深方向孔徑逐漸減小，表面光潔度逐漸下降，這是由于刀具磨損所致。

文獻(xiàn)［15］也對BTA深孔加工過程進(jìn)行了研究，文中采用了基于計(jì)算機(jī)的方法研究BTA深孔加工過程的機(jī)理，研究重點(diǎn)是切屑變形、切削力和刀具磨損之間的關(guān)聯(lián)，建立了深孔加工的加工模型，并用計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行評估和驗(yàn)證。結(jié)果表明，中心切削刃切出的切屑變形最大，用三刃鉆頭得到的切削力和切屑變形的變化趨勢是相同的；切屑變形隨進(jìn)給速率的增大而增大，隨工件和刀具的轉(zhuǎn)速增大而減小。該文還描述了BTA深孔加工中的對其他力（如軸向力）的測量和分析，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了軸向力的經(jīng)驗(yàn)公式。該文的研究為BTA深孔鉆工藝的在線檢測和控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

隨著對環(huán)保的要求越來越高，需要減少切削液的使用，因此便產(chǎn)生了干式和亞干式深孔加工。即將部分切削液霧化并與氣體混合制成冷卻液，采用低溫冷風(fēng)法和油氣噴射法進(jìn)行冷卻［16］。深孔干鉆削是干加工工藝中最難的工藝。文獻(xiàn)［17］描述了噴吸鉆的工作原理，及利用壓縮空氣代替切削液的深孔加工方法，并對鉆頭的幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。然而對于孔加工來說，切屑較多，熱量較大，完全不采用切削液的加工難以實(shí)現(xiàn)，需要采用亞干式加工。采用亞干式切削經(jīng)濟(jì)實(shí)用，氣體溫度、流量均可調(diào)節(jié)，以應(yīng)對不同加工環(huán)境，也在一定程度上減少了污染［18］。文獻(xiàn)［19］中給出了干式、亞干式加工的關(guān)鍵技術(shù)研究，通過合理使用冷卻和潤滑霧化氣體，采用負(fù)壓排屑裝置，合理設(shè)計(jì)刀具參數(shù)，以及合理選用切削液，可以使得加工效果精度達(dá)到IT 11～12級，表面粗糙度Ra達(dá)到6.3～3.2。

由于機(jī)械加工的研究不斷深入，特種加工方法也越來越多地得到運(yùn)用，例如電火花加工。文獻(xiàn)［20］給出了一種內(nèi)噴霧電介質(zhì)燒蝕深孔加工方法，它采用了連續(xù)脈沖和間歇性供氧的方法。其中“霧”是氧和水的混合物，用混合物作為電介質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量用于提高蝕除過程的效率；無氧時(shí)修整蝕除表面。文中對采用內(nèi)噴霧電介質(zhì)燒蝕技術(shù)、內(nèi)噴霧電火花加工技術(shù)和純氧環(huán)境的間歇式電火花加工技術(shù)進(jìn)行深孔加工作比較試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了各種技術(shù)的加工機(jī)理、加工效率、電極相對磨損率、加工質(zhì)量和精度。結(jié)果表明，間歇式電火花加工能量過大以至于難以控制，而且容易導(dǎo)致短路，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；內(nèi)噴霧電介質(zhì)燒蝕技術(shù)的效率為內(nèi)噴霧電火花加工技術(shù)的5.45倍，而且刀具相對磨損率下降了82%，可以達(dá)到很好的表面質(zhì)量和很高的加工精度；高壓氣霧可以起到冷卻和抑制電火花燒蝕的作用，可以提高燒蝕反應(yīng)的可控性和穩(wěn)定性，維持穩(wěn)定的燒蝕過程；內(nèi)噴霧電介質(zhì)燒蝕技術(shù)繼承了間歇式電火花加工技術(shù)的特性，包含內(nèi)噴霧電火花燒蝕和水中普通電火花燒蝕兩個(gè)過程。

文獻(xiàn)［21］探究了通過使用快速響應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電極來提高小直徑深孔電火花加工速度的方法，提出了一種結(jié)合傳統(tǒng)的電火花加工機(jī)床的電磁驅(qū)動(dòng)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床。該機(jī)床可提高電火花加工深孔的速度，其中的電磁驅(qū)動(dòng)電機(jī)可以同時(shí)起到使電極旋轉(zhuǎn)和快速定位的作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與普通電極不旋轉(zhuǎn)的電火花加工相比，該機(jī)床加工 φ0.5 mm×4 mm和φ1.0 mm×4 mm的通孔時(shí)，加工速度分別提高了125%和 337%；使用快速響應(yīng)聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工，以800 r/min轉(zhuǎn)速加工φ0.5 mm×4mm通孔的加工速率最大提升 343%，以 600 r/min轉(zhuǎn)速加工 φ1.0 mm×4 mm通孔的加工速率最大提升433%。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明，用聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工深孔的長徑比越大，電極旋轉(zhuǎn)的影響越明顯。

文獻(xiàn)［22］對金屬深孔電火花加工的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提出的一種具有電介質(zhì)涂層保護(hù)套的工具電極的EDM系統(tǒng)，該文測定了最優(yōu)脈寬、電極尖端與保護(hù)套最優(yōu)間距和電極進(jìn)給控制的最優(yōu)振幅。結(jié)果表明，加工0.75～0.80 mm孔徑時(shí)，脈寬 40 μs、尖端間距7 mm、振幅40 μm時(shí)加工效果最優(yōu)。此優(yōu)化相比以前的參數(shù)提高了約35%的加工速度，降低了約40%的電極損耗。

3　深孔加工技術(shù)的應(yīng)用

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，深孔加工的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，在軍工、航天、石油化工機(jī)械等領(lǐng)域都有運(yùn)用。

文獻(xiàn)［23］介紹了槍鉆在深孔加工中的應(yīng)用，并分析了使用槍鉆時(shí)機(jī)床及切削液的選擇問題。文獻(xiàn)［24］給出了槍鉆在汽車制動(dòng)泵主缸深孔加工機(jī)床中的運(yùn)用，并設(shè)計(jì)了加工過程中的排屑方式、主軸轉(zhuǎn)速、主軸電機(jī)的功率及冷卻系統(tǒng)等。文獻(xiàn)［25］詳細(xì)設(shè)計(jì)了活塞桿的深孔加工設(shè)備和工藝，對以往的工藝進(jìn)行改進(jìn)，并采用了合適的裝夾方式、刀具材料和切削參數(shù)，提高了生產(chǎn)率。文獻(xiàn)［26，27］、分別研究了船用中高速柴油機(jī)和重機(jī)進(jìn)氣管的深孔加工技術(shù)。文獻(xiàn)［28］介紹了水泥機(jī)械的深孔加工技術(shù)，由于其工件質(zhì)量很大，可達(dá)數(shù)十噸，因此其深孔加工有著特殊的難點(diǎn)，另外其孔徑范圍差別很大，因此同一零件需要用不同種類的深孔加工手段。該文根據(jù)工藝需求對舊機(jī)床進(jìn)行了改造，實(shí)現(xiàn)了提升深孔加工綜合效益的目標(biāo)。特種加工方面，文獻(xiàn)［29］給出了鈦合金材料的超聲和電火花深孔加工方法。由于鈦合金材料用普通機(jī)械加工方法難以加工，即便是較為合適用于其加工的電火花加工方法，在加工深孔時(shí)由于其低導(dǎo)熱性和高韌性使得加工效果也不理想。因此文中將超聲振動(dòng)加入電火花加工過程，并分析其作用，提出了一種結(jié)合超聲波與微細(xì)電火花的四軸機(jī)床。另外，文獻(xiàn)［30］對多孔陶瓷燃燒板的深孔加工進(jìn)行了研究。

4　深孔加工技術(shù)的發(fā)展趨勢

從最早的鉆削槍管使用的槍鉆，到后來出現(xiàn)的BTA鉆、噴吸鉆、DF鉆等，深孔加工工藝的優(yōu)化方法不斷產(chǎn)生，例如新型刀具材料、結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向塊布置，排屑裝置等，并在優(yōu)化過程中不斷增強(qiáng)環(huán)保意識，逐漸向高效率、高精度、高可靠等方向發(fā)展［31］。

同時(shí)，深孔加工技術(shù)還逐漸引入學(xué)科交叉的思想。例如特種加工，它徹底改變了深孔加工的原理，利用電能使材料汽化或液化達(dá)到去除材料的目的。數(shù)控加工的發(fā)展也使得小批量、多品種的深孔加工成為了可能，并結(jié)合了計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越使得工人的操作得到簡化［32］。

為了節(jié)省資源和減少污染物排放，對于加工的綠色化也提出了更高的要求，新型綠色加工技術(shù)主要有3種：采用綠色切削液、干式切削、準(zhǔn)干式切削。由于干式切削技術(shù)難度較大，因此暫時(shí)難以推廣；準(zhǔn)干式切削使用微量切削液，可較大程度減少污染，而且技術(shù)難度大大小于干式切削，因此受到更多關(guān)注；采用具有生態(tài)性能的冷卻潤滑劑，也可實(shí)現(xiàn)綠色切削，并且其對人體健康無影響［33］。

5　結(jié)語

本文通過對深孔加工概念、特點(diǎn)和基本方法的介紹，并重點(diǎn)通過對現(xiàn)有關(guān)于深孔加工關(guān)鍵技術(shù)、工藝及應(yīng)用文獻(xiàn)資料的調(diào)研，給出現(xiàn)今技術(shù)發(fā)展的概況和未來的發(fā)展方向。正是由于深孔加工的困難性和應(yīng)用上的普遍性，才迫切需要對其理論和技術(shù)進(jìn)行更加深入的研究。隨著科技的進(jìn)步，深孔加工技術(shù)將會(huì)朝著高精度、高效率、環(huán)境友好方向不斷發(fā)展，并且在更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域上發(fā)揮作用。

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Summary of the Research on Deep Hole Processing Technology

Xiong YanLun，Tang JiaJun，LiuWei
（Guangzhou YunTai Precision machinery Co.，Ltd，Guangzhou 510530，China））

In the machining process，the deep hole is one of the construction that is most difficult to process. Deep hole machiningmakes a very high demand of the machiningequipments.Therefore，the studies of its processing method is necessary.In this paper，the concept，features，technology，processes and applications of deep hole machining were introduced，and finally the development trend of deep hole machiningis analysed.

deep hole machining，manufacturing technology，process

廣東省中國科學(xué)院全面戰(zhàn)略合作項(xiàng)目編號（2011A090100026）。

熊艷倫（1985—），男，工程師，從事深孔液壓元件設(shè)計(jì)與開發(fā)。E-mail:13826112675@163.com