高精度細長孔的數(shù)控加工研究

1、高精度細長孔的數(shù)控加工研究摘要: 目前世界上利用外排屑(如槍鉆)深孔鉆削技術，可鉆削的孔徑小到f2mm。而內(nèi)排屑深孔鉆削的孔徑很少有小于f16mm的，且多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的BTA鉆削系統(tǒng)。由于槍鉆結(jié)構為不對稱形狀，質(zhì)心偏離中軸，這給制造、重磨都帶來一定的困難，也使造價增高。 另外，其結(jié)構剛度和扭轉(zhuǎn)強度低(同直徑的圓形鉆桿扭轉(zhuǎn)剛度是槍鉆的2.3倍)，使其使用的鉆削速度降低，進給量小。采用單管內(nèi)排屑噴吸鉆(SED)鉆削系統(tǒng)，鉆削小深孔直徑可小到f3.7mm。我工藝所采用SED技術，進行了孔徑(mm)f16、f12、f10、f8、f7.62、f5.7、f3.7的小深孔鉆削加工，鉆削過程平穩(wěn)，排屑流暢，孔

2、的尺寸形狀精度和孔壁表面粗糙度均能滿意，在上述孔徑范圍內(nèi)，完全可以替代槍鉆對小深孔進行鉆削加工。由于其剛度好，可加大進給量和鉆削速度，使生產(chǎn)效率、鉆孔質(zhì)量和經(jīng)濟效益均有所提高，顯示了一定的技術優(yōu)勢。關鍵詞：高精度 細長孔 數(shù)控加工一、孔的定義與分類根據(jù)國家標準GB18001979的規(guī)定：孔主要指圓柱形的內(nèi)表面。由此可知，廣義的孔泛指包容面。孔通?？砂慈缦路椒ǚ诸悾?（1）按形狀來分。有圓柱孔、圓錐孔、鼓形孔、多邊形孔、花鍵孔和其它異形孔以及特形孔（如彎曲孔）等。其中，以圓柱孔使用最為廣泛。 （2）按形態(tài)來分。有通孔及盲孔（不通孔）；深孔（指孔的深度L與孔徑D之比超過5的孔，L/D簡稱深徑比或長

3、徑比；L/D=520屬一般深孔，L/D2030屬中等深孔，L/D30100稱為特殊深孔）及淺孔。 （3）按孔徑的大小來分。有大孔（D100mm）、普通孔(D=10100mm)、小孔(D=110mm)和微孔(D1mm的孔)。 （4）按加工機理來分。有機械加工、特種加工（見表1）、機電復合加工等。盡管特種加工方法較多，但目前由于設備比較昂貴和加工效率不高等原因，所以無論是現(xiàn)在還是可預見的未來，傳統(tǒng)的機械加工仍將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（如鉆孔和粗鏜后的孔）、半精孔（如擴孔、粗鉸、半精鏜的孔）和精密孔（如精鉸、精拉、精磨、珩磨、研磨后的孔）等。 精密孔通常是指

4、公差等級在IT7IT6級以上，表面粗糙度Ra 0.80.4m的孔，它的幾何形狀精度（如圓度、圓柱度、軸線直線度等）一般規(guī)定在其尺寸公差帶的1/21/3范圍內(nèi)。 隨著航空航天、汽車、高速列車、風電、電子、家電、能源、模具、液壓、機床及精密機械等裝備制造業(yè)的迅速發(fā)展和產(chǎn)品的更新?lián)Q代，精密孔的應用日益增多。例如液壓系統(tǒng)中廣泛使用的各種閥孔、高壓油缸筒都是一些典型的精密孔?？准庸び捎谄渥陨淼奶攸c，加工難度較大，而精密孔加工的難度更大。二、孔加工的特點孔加工是一種比較復雜的工藝過程，加工時必須妥善解決排屑、冷卻潤滑和導向等問題。孔加工的主要特點是： （一）由于受被加工工件孔徑尺寸、長度和形狀的制約，故切

5、削刀具相應較細長，剛性差，并且大多呈懸臂裝夾的方式，加工容易引起刀具的偏斜和震動。 1、切屑排除比較困難。要改善容屑與排屑條件，勢必要增大容屑槽，但這樣將會使刀具的強度和剛度降低。 2、切削液難以引入到切削區(qū)，切屑、刀具與工件孔壁之間的摩擦很大，切削溫度很高，尤其是在加工深孔時。所以，切削液在孔加工中具有特殊的重要作用。切削液的合理選擇和正確使用，對孔的加工質(zhì)量、刀具壽命和切削效率等有極大的影響。 3.孔加工常用的切削液供液方法有澆注法和高壓內(nèi)冷卻法兩種。前者最為簡單，但供液效果差，且切削液消耗量大。內(nèi)冷卻法多用于油孔鉆、深孔鉆、噴吸鉆、套料刀和單刃鏜鉸刀等孔加工刀具上，需在刀具上作出高壓內(nèi)冷

6、卻的供液（油）通道孔，油氣混合物通過此通道被輸送到切削區(qū)，此法消耗的切削液用量少，但刀具結(jié)構較復雜。目前，隨著刀具制造技術的進步，國內(nèi)外各刀具公司已推出了各種帶高壓內(nèi)冷卻供液（油）通道孔刀具的新品，為采用內(nèi)冷卻法創(chuàng)造了條件。例如，ISCAR公司推出的包括DR、DZ和DS系列的機夾硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片淺孔鉆，德國MAPAL公司的涂層硬質(zhì)合金單刃鉸刀（切削速度高達150-400m/min），日本三菱公司的硬質(zhì)合金小鉆頭等，它們都有提供通向射流應用區(qū)域的高壓切削液通道孔，并且規(guī)格越來越小。據(jù)報道，國外一家公司生產(chǎn)的硬質(zhì)合金小鉆頭，其直徑可小到3-4.5mm，油孔直徑為0.4-0.6mm。 （二）切削液

7、采用近乎干式切削的“汽束”噴霧冷卻法的特點1、“汽束”噴霧冷卻是以一定壓力（0.31MPa）的空氣使切削液霧化，并以很高的速度噴向切削區(qū)域，使在該區(qū)域高溫下呈霧化狀的切削液滴很快汽化。由于液體在汽化時會吸收大量熱量，因而可使切削區(qū)域內(nèi)的溫度大幅度下降，同時切削液還能帶走切削區(qū)域和空間的熱量和粉末，改善作業(yè)環(huán)境。實踐證明，在使用等量切削液情況下，“汽束”噴霧冷卻在相同時間內(nèi)所吸收的熱量是澆注法的1000倍。所以，它不但可提高刀具使用壽命，而且可使切削液的消耗大大減少。據(jù)德國格林（Guhring）公司試驗證實，在汽車生產(chǎn)線上采用“汽束”噴霧冷卻，每班只需耗用半杯油，并且可用廉價的工廠再生油?！捌?/p>

8、”噴霧冷卻既適用于自動生產(chǎn)線上，也適用于一般的金屬切削加工中。圖1所示為在普通鉆床上利用“汽束”供給切削液的一種裝置。該裝置由貯液箱1（包括工作部I和溢流部II）、過濾器2和3、集液盤5、噴嘴6、箱蓋8、噴吸器9、氣閥11、節(jié)氣閥12、水管13及管道4、7和10等組成。工作時，開動氣閥11，壓縮空氣將以Pc=0.4MPa的壓力從管路中壓出，產(chǎn)生高壓氣流。高壓氣流在水管13的上部通過時會產(chǎn)生負壓，而將切削液從貯液箱中吸出，并擊成霧滴狀。上述高壓氣流帶著微小液滴的切削液滲透到切削區(qū)，在高溫下會迅速汽化，吸收大量的熱量，從而能有效地降低切削溫度。而在集液盤中收集的廢液經(jīng)過濾后可流回貯液箱繼續(xù)使用。節(jié)

9、氣閥12是用來改變管路中的壓力，以便調(diào)節(jié)切削液的流量。而氣閥11則可利用電信號（通過直流電壓U=24V）操縱。使用表明，該裝置結(jié)構簡單，使用方便。 加工時不能直接觀察刀具的切削情況，尤其在加工微孔和深孔時。所以，自動監(jiān)測控制較其它加工方式更為重要。 2、孔的尺寸精度、幾何形狀精度、相互位置精度和表面粗糙度常因孔加工的特殊性而難于控制，但是一旦試驗成功，較其它加工方式反而能更有規(guī)律性地保持。 三、影響加工精度的因素（一）加工精度包括三個方面內(nèi)容： 尺寸精度 指加工后零件的實際尺寸與零件尺寸的公差帶中心的相符合程度。 形狀精度 指加工后的零件表面的實際幾何形狀與理想的幾何形狀的相符合程度。 位置精

10、度 指加工后零件有關表面之間的實際位置與理想位置相符合程度。 在機械加工中，機床、夾具、工件和刀具構成一個完整的系統(tǒng)，稱為工藝系統(tǒng) 工藝系統(tǒng)中的各組成部分，包括機床、刀具、夾具的制造誤差、安裝誤差、使用中的磨損都直接影響工件的加工精度。也就是說，在加工過程中工藝系統(tǒng)會產(chǎn)生各種誤差，從而改變刀具和工件在切削運動過程中的相互位置關系而影響零件的加工精度。這些誤差與工藝系統(tǒng)本身的結(jié)構狀態(tài)和切削過程有關，產(chǎn)生加工誤差的主要因素有：（二）系統(tǒng)的幾何誤差 1、加工原理誤差 加工原理誤差是由于采用了近似的加工運動方式或者近似的刀具輪廓而產(chǎn)生的誤差，因在加工原理上存在誤差，故稱加工原理誤差。只要原理誤差在允許

11、范圍內(nèi)，這種加工方式仍是可行的。2、機床的幾何誤差 機床的制造誤差、安裝誤差以及使用中的磨損，都直接影響工件的加工精度。其中主要是機床主軸回轉(zhuǎn)運動、機床導軌直線運動和機床傳動鏈的誤差。 3、刀具的制造誤差及磨損 刀具的制造誤差、安裝誤差以及使用中的磨損，都影響工件的加工精度。刀具在切削過程中，切削刃、刀面與工件、切屑產(chǎn)生強烈摩擦，使刀具磨損。當?shù)毒吣p達到一定值時，工件的表面粗糙度值增大，切屑顏色和形狀發(fā)生變化，并伴有振動。刀具磨損將直接影響切削生產(chǎn)率、加工質(zhì)量和成本。 4、夾具誤差 夾具誤差包括定位誤差、夾緊誤差、夾具安裝誤差及對刀誤差等。這些誤差主要與夾具的制造和裝配精度有關。下面將對夾具

12、的定位誤差進行詳細的分析。 工件在夾具中的位置是以其定位基面與定位元件相接觸（配合）來確定的。然而，由于定位基面、定位元件工作表面的制造誤差，會使各工件在夾具中的實際位置不相一致。加工后，各工件的加工尺寸必然大小不一，形成誤差。這種由于工件在夾具上定位不準而造成的加工誤差稱為定位誤差。它包括基準位移誤差和基準不重合誤差。在采用調(diào)整法加工一批工件時，定位誤差的實質(zhì)是工序基準在加工尺寸方向上的最大變動量。 5、工藝系統(tǒng)的受力變形由機床、夾具、工件、刀具所組成的工藝系統(tǒng)是一個彈性系統(tǒng)，在加工過程中由于切削力、傳動力、慣性力、夾緊力以及重力的作用，會產(chǎn)生彈性變形，從而破壞了刀具與工件之間的準確位置，產(chǎn)

13、生加工誤差。例如車削細長軸時（圖3-53），在切削力的作用下，工件因彈性變形而出現(xiàn)“讓刀”現(xiàn)象。隨著刀具的進給，在工件的全長上切削深度將會由多變少，然后再由少變多，結(jié)果使零件產(chǎn)生腰鼓形。四、小深孔加工技術的難點和對策 深孔鉆削加工就有相當?shù)碾y度，內(nèi)排屑小深孔鉆削的難點就更加突出。（一）排屑難度排屑小深孔鉆屑時切屑，要經(jīng)過鉆桿內(nèi)的排屑通道排出，孔徑越小，其排屑就越困難。例如，要鉆削f8mm的深孔，鉆桿外徑是f5.2 mm，鉆桿內(nèi)徑僅有f44.2 mm，而鉆桿長一般達5001500 mm。因此，在鉆削過程中，發(fā)生堵屑是經(jīng)常的。為使排屑流暢，鉆頭切削刃上設計出合理的斷屑和分屑臺，保證可靠斷屑十分重要

14、。但小深孔的進給量很小，實現(xiàn)C形斷屑對于某些韌性材料是不可能的，鉆屑常常是柔軟的小帶狀，鉆削過程中作為冷卻和沖刷切屑的切削液壓力產(chǎn)生波動或壓力下降時，切屑瞬時滯流、折疊而堵塞，進而導致鉆刃損壞和鉆桿扭斷。為徹底解決這一問題，可以從斷屑和排屑兩方面采取措施。最有效的斷屑方法是采用振動斷屑技術，能穩(wěn)定地得到所需要的切削形狀。增加切削液對鉆屑的排屑作用力，是SED鉆削系統(tǒng)的特點，高壓切削液一路進入授油器，潤滑冷卻鉆削區(qū)和刀具，并以3MPa4.5 MPa的壓力迫使切屑進入排屑通道，并將切屑推出；另一路切削液進入可調(diào)式負壓抽屑裝置，形成負壓，對切屑產(chǎn)生吸力，吸出切屑。切屑在推和吸的雙重作用下能順利排出。

15、實踐證明，即使鉆屑呈帶狀，且從鉆削開始到加工結(jié)束一直保持連綿不斷，都能保證排屑流暢順利。（二）鉆桿剛度不足深孔鉆削的鉆桿細而長，小深孔鉆削的鉆桿更是細長，其剛度很低，因此，在設計小深孔刀具時，應當盡可能提高刀具(包括鉆頭和鉆桿)整體的剛度。在傳統(tǒng)設計中，鉆桿與鉆頭采用了方牙螺紋聯(lián)接方式。這要在管壁很薄的鉆桿上切出方牙螺紋，勢必更使細長鉆桿的強度和剛度下降。 如；鉆削f5.7mm深孔，鉆桿外徑只能取f4mm，在壁厚不足1mm上再挖去一個方牙螺紋的深度0.25mm，螺紋聯(lián)接處的強度和剛度大大下降，在鉆削中，鉆桿常在螺紋聯(lián)接處扭斷。即使用小進給量以降低鉆削扭矩，也不能防止扭斷事故。為解決這一問題，對

16、于鉆削孔徑f12mm以下孔的鉆桿和鉆頭的聯(lián)接。（三）制造困難 1、鉆桿和鉆頭若采用傳統(tǒng)的螺紋聯(lián)接，要在鉆削小深孔的刀具鉆桿孔內(nèi)車制方牙內(nèi)螺紋，螺紋車刀要比鉆桿內(nèi)徑還要小，并且要刃磨出有嚴格尺寸的刀刃；方牙螺紋的螺距大，車制時又不能直觀加工狀況，操作很困難。鉆頭部的制造更為困難，除在柄部車削出方牙螺紋外，還要在直徑不大的刀頭上銑削出供裝焊硬質(zhì)合金導條和刀片的凹槽和一個排屑通道。之后，硬質(zhì)合金導條、刀片與刀頭體的高溫焊接還會引起過熱、變形。因此，制造出合格的小深孔鉆削刀具在工藝、操作上是有相當技術難度的。采用措施后，使制造工藝相對簡單多了。鉆頭部的制造全部改用粉末冶金硬質(zhì)合金小鉆頭，只要一次性投資

17、，制作出一個粉末冶金小鉆頭的模具，就可得到鉆削小深孔的硬質(zhì)合金鉆頭的刀坯，工藝簡單，且刀具的重磨性好，正常使用能重磨34次，在總體上使刀具成本下降。我們把這種全新結(jié)構的小深孔刀具稱為單管內(nèi)排屑噴吸鉆。2.小深孔鉆削時的切削速度和機床。使用硬質(zhì)合金加工刀具切削一般合金鋼材的切削速度最低在70m/min，而我國過去生產(chǎn)的小深孔加工機床，一般最高轉(zhuǎn)速為2500r/min，且不能進行無級變速和無級進給，顯然不能適應小深孔鉆削的工藝技術要求。1992年我所自己設計并組織生產(chǎn)了ZK21162型數(shù)控雙軸深孔鉆床(內(nèi)、外排屑)和ZK2112型數(shù)控深孔鉆床，最高轉(zhuǎn)速達到600010 000 r/min。尤其是ZK2112型數(shù)控鉆床，具有深孔鉆削加工的3種運動方式：1)工件轉(zhuǎn)動，刀具進給；2)工件轉(zhuǎn)動，刀具轉(zhuǎn)動并進給；3)工件不動，刀具轉(zhuǎn)動并進給。這種機床還帶有負壓抽吸裝置。這種新型機床的開發(fā)，拓寬了深孔加工的范圍，也可把深孔加工技術提高到一個新的水平。3.GT、CAD技術在深孔加工中的應用。利用當代計算機工具發(fā)展起來的成組技術(GT)和計算機輔助設