高精度细长孔的数控加工研究

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很少有小于f16mm的，且多数仍采用传统的BTA钻削系统。由于枪钻结构为不对称形状，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降低，进给量小。采用单管内排屑喷吸钻(SED)钻削系统，钻削小深孔直径可小到f3.7mm。我工艺所采用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，孔的尺寸形状精度和孔壁表面粗糙度均能满意，在上述孔径范围内，完全可以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。

关键词：高精度细长孔数控加工

一、孔的定义与分类

根据国家标准GB1800—1979的规定：孔主要指圆柱形的内表面。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）按形状来分。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称为特殊深孔）及浅孔。

（3）按孔径的大小来分。有大孔（D﹥100mm）、普通孔(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，但目前由于设备比较昂贵和加工效率不高等原因，所以无论是现在还是可预见的未来，传统的机械加工仍将是孔加工的主要手段。

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）和精密孔（如精铰、精拉、精磨、珩磨、研磨后的孔）等。精密孔通常是指公差等级在IT7~IT6级以上，表面粗糙度Ra﹤0.8~0.4m的孔，它的几何形状精度（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、机床及精密机械等装备制造业的迅速发展和产品的更新换代，精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、高压油缸筒都是一些典型的精密孔。孔加工由于其自身的特点，加工难度较大，而精密孔加工的难度更大。

二、孔加工的特点

孔加工是一种比较复杂的工艺过程，加工时必须妥善解决排屑、冷却润滑和导向等问题。孔加工的主要特点是：

（一）由于受被加工工件孔径尺寸、长度和形状的制约，故切削刀具相应较细长，刚性差，并且大多呈悬臂装夹的方式，加工容易引起刀具的偏斜和震动。

1、切屑排除比较困难。要改善容屑与排屑条件，势必要增大容屑槽，但这样将会使刀具的强度和刚度降低。

2、切削液难以引入到切削区，切屑、刀具与工件孔壁之间的摩擦很大，切削温度很高，尤其是在加工深孔时。所以，切削液在孔加工中具有特殊的重要作用。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影响。

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，为采用内冷却法创造了条件。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，并且规格越来越小。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3-4.5mm，油孔直径为0.4-0.6mm。

（二）切削液采用近乎干式切削的“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，并以很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很快汽化。由于液体在汽化时会吸收大量热量，因而可使切削区域内的温度大幅度下降，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。实践证明，在使用等量切削液情况下，“汽束”喷雾冷却在相同时间内所吸收的热量是浇注法的1000倍。所以，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，在汽车生产线上采用“汽束”喷雾冷却，每班只需耗用半杯油，并且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所示为在普通钻床上利用“汽束”供给切削液的一种装置。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1

2、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，吸收大量的热量，从而能有效地降低切削温度。而在集液盘中收集的废液经过滤后可流回贮液箱继续使用。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则可利用电信号（通过直流电压U=24V）操纵。使用表明，该装置结构简单，使用方便。加工时不能直接观察刀具的切削情况，尤其在加工微孔和深孔时。所以，自动监测控制较其它