基于机械加工的深孔加工技术探析

基于机械加工的深孔加工技术探析

机械加工中有三分之一的加工是孔加工，而深孔加工则占孔加工的四成，所以深孔加工是一种重要的加工形式。同时深孔加工的工艺较为特殊，不能直接观察成孔的过程和内部状况，所以必须对其工艺进行合理选择与设计，文章对深孔加工技术进行分析，阐述关键工艺对加工过程的影响。

标签：机械加工；深孔加工；工艺路线；刀具

1 机械加工中深孔加工的特征分析

机械加工中的深孔加工是针对孔深与直径之比（L/d≥5）较大的孔进行钻孔加工，因为孔的深度大直径小，因此工艺特征也较其他普通孔有所差异，特征如下：

1.1 加工难度大：深孔加工的过程多数都是在半封闭和全封闭的工况，不能直接观察刀具切削的过程和走刀的情况；深孔加工因为半径和孔深比例差异大，因此形成的金属屑不易排出，容易堵塞而影响加工；钻头长度大刚性也就低，容易出现抖动和偏孔的情况，且表面精度不易保证；散热也是影响加工的重要因素，相对封闭的孔内易导致温度升高而造成钻头磨损。

1.2 运动方式：在加工中工件与刀具的运行与进给方式有多种选择，如工件转动而刀具进给；工件固定而刀具旋转进给；工件与刀具按照相反的方向进行旋转并进行进给；工件旋转并进给而刀具静止，此方式很少应用。

1.3 深孔加工的排屑：在加工中应用的排屑方式有两种，一种是外排屑，冷却液进入空心钻杆从切削区域将切屑带出，从加工零件的孔和钻杆外壁排除；一种是内排屑：冷却液从零件的孔和钻杆外壁进入，经过切削区域带出切屑，从空心钻杆的孔中排除；两种方式中通常先考虑选择内排屑的方式，此类方式不会对孔壁形成二次摩擦，而影响加工表面质量，钻杆的刚性也高。

2 机械加工中深孔加工技术的分析

2.1 工艺路线的设计与选择

机械加工中工艺路线是必要的指导思路，深孔加工也不例外，首先应综合考虑深孔加工方法和刀具的适应性，针对加工零件的特征选择相关工艺方法，同时还应考虑零件的材料性质，针对其特征再精细设计工艺过程。其次，对加工过程进行段落划分，通常分为：粗加工、半精加工、精加工、光整加工，进行工艺设计，选择合适的技术措施，并以此提高加工效率和质量，如果质量要求和薄壁零件、工余量不大的则不需要分段。第三，工艺路线的设计，深孔加工的工艺路线应按照其结构特征和加工方法、设备因素等来设置，因为深孔刀具技术的发展，深孔加工已经进入了精密加工时代，集中安排工序可以优化加工的过程，从而避

免多次装夹而出现误差。最后，合理控制加工余量，深孔零件的加工余量与其他孔不同，余量应增加，不同刀具和刀具角度余量也不同，如单刃铰刀比多刃铰刀余量大，偏角大的比偏角小的余量大等，所以在加工中必须按照相应的工艺和质量要求来设计余量。

2.2 深孔加工的刀具选择

按照不同的深孔表面要求，选择适应的刀具也十分重要。在加工中常见的刀具有：扁钻、麻花钻、外排屑深孔钻、内排屑深孔钻、喷吸钻、枪钻、复合刀具等。具体应用情况如下：

（1）扁钻：从结构上分为整体扁钻和装配扁钻，整体扁钻结构相对简单，生产与加工容易，对硬度高的铸件和锻件适用。装配式扁钻刀杆的刚性大，刀片则是高速钢或者合金，可实现快速更换，且可以打磨成各种形状，切削液容易导入，加工范围广，适用于自动化加工。

（2）麻花钻：该刀具应用广泛，通常在粗加工阶段应用。

（3）外排屑深孔钻：通常是单双刃深孔钻，原理是高压油进入到钻杆孔，经过腰孔进入到切削区域，迫使碎屑随着切削液从V型的导槽和工件壁之间排出。这种深孔钻刀面为0°，方便加工。没有横刃，钻尖与轴线形成一个角度，钻孔中钻尖形成小圆锥，可以让切屑断裂，容易排出。切削部分形状对孔的公差、切屑成型、切削液压力、刀具寿命、偏离角度等都会对其成孔过程产生影响。

（4）内排屑钻头：钻头和钻杆之间有螺纹连接，工作时高压切削液从钻杆外圆和工件壁之间注入，切削同时产生的切屑从钻杆的中心排出。

（5）喷吸钻：主要是利用切削液产生的喷射效应来排出切屑，通常该钻有内外两根管，其中三分之二的切削液从内外管的空隙和钻头前部流入到切削区域，起到导向和冷却、润滑的效果，并可以将切屑从孔内排出，另外的三分之一，切削液从内管后部喷射，产生快速的喷射流，形成一个低压区域由此与前端配合形成压差，起到一个喷吸效果，提高了钻削的效率。

2.3 定位选择

深孔加工与其他成孔加工一样都需要保证定位基准，在实践中锥面定位是常见的方式，主要应用在回转体、中小直径孔、管坯镗孔等；也可采用内锥面定位，是应用在中等直径的内排切削加工方式；而小孔直径的外排切削加工或枪钻加工则可以利用外锥面定位。如果采用锥面定位必须注意对直线度和余量的保证，必须在钻孔、镗孔前的端面进行内外锥面的处理。对于大直径深孔则利用外圆进行定位。如果采用圆定位，应在外圆上加工安装面、定位面、找正面，并保证三者之间是同心圆，对于非回转体则应利用安装面作为定位基准。

2.4 冷却润滑的保证

深孔加工中因为孔内在加工中相对封闭，因此容易造成温度急剧升高，因此必须进行降温处理，同时还应保证切削过程中润滑效果。所以必须利用润滑液来起到冷却与润滑作用。冷却液、润滑液必须进行合理的配合，使得工件在加工中保证质量并保证刀具寿命延长。另外，冷却液和润滑液在深孔加工中还可以起到冲刷、减震、消音等作用。钻削中因为孔径小且深度大，就会在加工中产生较大的抗力和阻力，克服这些阻力而顺利完成加工则会消耗较多的能量，同时切向和径向的力同时作用在导向块上，此时孔壁和刀具就会产生摩擦，摩擦能量就会产生热量和温度升高。这些热量只能借助于冷却措施来降低。同时冷却液的存在可以让导向块和孔壁之间形成一种液压支撑系统，以此有效降低导向块摩擦，也可降低摩擦力对功率的消耗，在节能方面也可以起到一定的作用。再有，润滑液和冷却液可以通过压力和流量来帮助清理切屑。利用冷却液将工作区域的切屑冲刷到加工区以外，实现清理排屑的效果，保证成孔过程的顺利进行。因为在工作区域和钻杆内部、外部充满了油性的液体，从而减少了切削过程中的摩擦、震动等，降低了噪声。2.5 排屑处理

深孔加工中因为成孔的空间相对封闭，因此形成的切屑很难排除，沉积切屑会影响加工的过程和质量。尤其是内排屑钻的过程中，排屑受到空间和环境的影响，只有有限的空间可以利用进行排屑，所以排屑工作难度大不易开展。从切削的角度看，深孔成孔排屑的问题集中在切屑的处理上，如分屑、断屑、排屑三个连续过程。针对不同的材料会形成不同特征的切屑，形状、宽窄、弯曲程度、尺寸等都会影响排屑的效果。所以在深孔加工中排屑问题是重要的工艺指标。然而深孔加工中排屑通道过长，工作中属于半封闭的状态，切削热量大散热难度也大。所以在深孔成孔工艺中必须考虑冷却与排屑两个系统，以内排屑深孔钻工艺为例，该工艺具备较为明显的优势，最主要的是具有外冷内排屑和自身导向，能够加工直径6-80mm深孔。在成孔过程中，工件首先进行旋转，钻头借助螺纹与钻杆进行连接，封油头在刀架的带动下开始成孔，使得导向装置进入到工件中。内排屑深孔钻进的过程中，切屑在钻杆内实现排屑，不会在孔壁和刀具之间发生摩擦，这样可以最大限度地保证加工表面的质量和精度。该技术采用的钻杆外径要大于外排屑装置，因此刚性得到了提高，且增加了供给量，成孔的效率也得到了大幅提高。内排的原理就是在切削液的压力作用下，从孔壁和钻杆外表面寻觅空隙，进入到切削区域的冷却和润滑部位，将前端的切屑冲入到钻杆内，然后从钻杆后部排除。此类排除切屑的方式容易实现，且兼具冷却和润滑的效果。同时也可保证钻杆的稳定，但是因为需要独立设置内排屑供液系统，加工造价稍高。

3 深孔加工中应用的设备

深孔加工中往往利用专业的设备来完成工件加工，主要按照运动模式进行选择，通常是工件旋转辅助刀具进行轴向进给，使得加工工艺可以顺利完成。其中最为重要的设备就是机床的选择。机床是整个加工工艺的基础，主要由主轴箱、进给箱、刀具夹装设备、机床主体、中心架、移动辅助装置共同构成。主轴箱是支撑主轴，控制旋转和移动不同级的转变，卡盘和拨盘等附属部件通常安装在主轴的右端，转轴多为空心，内部有锥孔，这样可以为夹装细长的刀具提供设置环境。进给箱是利用丝杆将电机产生的动能传递到刀具上，推动刀具完成直线运动。