深孔加工技術(shù)

什么是深孔？

在機械制造加工中，一般將孔深超過孔徑10倍的圓柱孔稱為深孔。深孔按孔深（L）與孔徑（D）之比（L/D）的大小來區(qū)分，通?？煞譃橐话闵羁?、中等深孔及特殊深孔三種。（Ps：L/D的比值越大加工起來就越困難。）

深孔按L/D比值分類：

（1）L/D=10～20，屬于一般深孔。常在鉆床或車床上用長麻花鉆加工。（2）L/D=20～30，屬于中等深孔。常在車床上加工。（3）L/D=30～100，屬于特殊深孔。必須使用深孔鉆在深孔鉆床或?qū)Ｓ迷O(shè)備上加工。

深孔加工的特點

1.刀桿受孔徑的限制，直徑小、長度大，造成剛性差、強度低，切削時易產(chǎn)生振動、波紋和錐度而影響深孔的直線度和表面粗糙度。

2.在鉆孔和擴孔時，冷卻潤滑液在沒有采用特殊裝置的情況下，難于輸入到切削區(qū)，使刀具耐用度降低，而且排屑也困難。

3.在深孔的加工過程中，不能直接觀察刀具切削情況，只能憑工作經(jīng)驗聽切削時的聲音、看切屑、手摸振動與工件溫度以及觀儀表（油壓表和電表），來判斷切削過程是否正常。

4.切屑排除困難，必須采用可靠的手段進行斷屑及控制切屑的長短與形狀，以利于順利排除，防止切屑堵塞。

5.為了保證深孔在加工過程中順利進行和達到應(yīng)要求的加工質(zhì)量，應(yīng)增加刀具內(nèi)（或外）排屑裝置、刀具引導(dǎo)和支承裝置和高壓冷卻潤滑裝置。

6.刀具散熱條件差，切削溫度升高，使刀具的耐用度降低。

深孔鉆鉆頭的類型和結(jié)構(gòu)

深孔鉆按排屑方式分為外排屑和內(nèi)排屑兩種。外排屑有槍鉆、整體合金深孔鉆（可分為有冷卻孔和無冷卻孔兩種）；內(nèi)排屑又分為BTA深孔鉆、噴吸鉆和DF系統(tǒng)深孔鉆三種。深孔鉆的類型和使用范圍如下表所示。

1.槍鉆

槍鉆因最初主要用于軍事工業(yè)中槍管、炮管的加工，因而得名。槍鉆是一種有效的深孔加工刀具，其加工范圍很廣，從模具鋼材、玻璃纖維、特氟龍等塑料到高強度合金（如P20和鉻鎳鐵合金）的深孔加工。在公差和表面粗糙度要求較嚴的深孔加工中，槍鉆可保證孔的尺寸精度、位置精度和直線度。

槍鉆系統(tǒng)的工作原理：切削液通過尾架上的輸油入口進入鉆桿內(nèi)部，到達鉆頭頭部進行冷卻潤滑，并將切屑從鉆頭外部V型槽中排出，該系統(tǒng)主要用于小直徑（孔徑小于20mm）的深孔加工。

槍鉆應(yīng)用范圍：槍鉆（外排屑深孔鉆）主要用于加工孔φ2～20mm、長徑比L/D＞100、精度IT8～IT10，表面粗糙度值Ra=12.5～3.2μm的深孔，生產(chǎn)效率低于內(nèi)排屑深孔鉆。

2.BTA內(nèi)排屑深孔鉆

由于槍鉆鉆桿為非對稱形，故抗扭剛性差，只能傳遞有限的扭矩，因此槍鉆只適用于加工小直徑孔的零件。為適應(yīng)更復(fù)雜的大直徑深孔的加工要求，于是應(yīng)運而生地產(chǎn)生了內(nèi)排屑深孔鉆技術(shù)。內(nèi)排屑由于切屑是從鉆管內(nèi)排出，不與已加工表面刮擦接觸，表面加工質(zhì)量比槍鉆加工較高，加工孔徑范圍也更大。

BTA系統(tǒng)中鉆頭與鉆桿為中空圓柱體，其工作原理如下圖所示，切削液經(jīng)加壓從入口進入授油器后通過鉆桿與孔壁形成的密封環(huán)狀空間，流向切削部分進行冷卻潤滑，并將切屑壓入鉆頭上的出屑口，經(jīng)鉆桿內(nèi)腔從出口排出。

內(nèi)排屑深孔鉆適于加工直徑20mm以上、長徑比不大于100的深孔，加工精度為IT7～IT10級，加工表面的表面粗糙度Ra3.2～1.6μm，生產(chǎn)效率是外排屑的3倍以上。

BTA內(nèi)排屑深孔鉆的主要缺點：必須使用專用的機床設(shè)備，機床還須設(shè)置一個油液切屑分離裝置，通過重力沉淀或電磁分離手段，使切削液分離并循環(huán)利用。另外在切削過程中，工件與授油器之間形成一個高壓區(qū)，所以在鉆削之前必須在工件與授油器間形成可靠的密封。

3.噴吸鉆

內(nèi)排屑深孔鉆系統(tǒng)存在著環(huán)形油液通道損失大的缺點，加工時需采用較高的壓力和流速，為此市場上又研制出來一種生產(chǎn)效率高、加工質(zhì)量更好的鉆削技術(shù)——噴吸鉆。

噴吸鉆利用流體力學(xué)的噴吸效應(yīng)原理發(fā)明的雙管內(nèi)排屑深孔鉆削方法，其采用兩根同心的鉆桿，通過連接器將刀具連接到機床上，其噴吸鉆系統(tǒng)采用雙層管刀桿，切削液經(jīng)加壓后從入口進入，其中2/3的切削液進入內(nèi)、外鉆桿間的環(huán)形空間，流向切削部分進行冷卻和潤滑，并將切屑推入鉆桿內(nèi)腔。

其余1/3的切削液，從內(nèi)鉆桿上月牙狀噴嘴高速噴入內(nèi)鉆桿，在內(nèi)鉆桿內(nèi)腔形成一個低壓區(qū)，對攜帶切屑的切削液產(chǎn)生抽吸作用，在噴、吸雙重作用下，促使切屑快速從出口排出。

噴吸鉆的供油情況是通過旋轉(zhuǎn)連接器，導(dǎo)向座主要是支撐作用，可以不需要緊貼工件。這樣對五軸加工有極大的好處。因為我們一般在五軸加工上都會碰到非平面，導(dǎo)向座沒法緊貼工件。加上噴吸鉆在加工時會產(chǎn)生真空效果，能達到排屑，在使用上更加靈活。

噴吸鉆主要適用于加工長徑比不超過100、直徑范圍在18～65mm的孔，精度在IT9～IT11級。

4.DF系統(tǒng)深孔鉆

DF系統(tǒng)深孔鉆又稱單管噴射鉆，DF為英文DoubleFeeder的縮寫，原意是雙進油裝置。DF系統(tǒng)深孔鉆是20世紀(jì)70年代中期由日本冶金股份有限公司首先研制而成的一種孔加工刀具。它是在普通噴射鉆的基礎(chǔ)上發(fā)展而成，將普通BTA內(nèi)排屑深孔鉆推出切屑與噴射鉆吸出切屑的方法相結(jié)合的一種加工系統(tǒng)。因其一個鉆桿由切削液支托，振動減少，排屑空間較大，加工效率高、精度好，可用于高精度深孔加工；生產(chǎn)效率是槍鉆的3～6倍，比BTA內(nèi)排屑鉆高3倍，但是使用成本較高。

由以上的各種鉆頭需要的相關(guān)配置可以看出，無論哪一種排屑方式均由工件、刀具、專用輔具、機床和控制系統(tǒng)等要素組成。其中，專用輔具取決于所采取的切削液供給方式、排屑方式和工件與刀具之間的相對運動方式?？梢?，深孔加工需要專用設(shè)備和專用輔具，因此其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴。

1.深孔加工操作要點

主軸和刀具導(dǎo)向套、刀桿支撐套、工件支承套等中心線的同軸度應(yīng)符合要求；切削液系統(tǒng)應(yīng)暢通正常；工件的加工端面上不應(yīng)有中心孔，并避免在斜面上鉆孔；切屑形狀應(yīng)保持正常，避免生成直帶狀切屑；采用較高速度加工通孔，當(dāng)鉆頭即將鉆透時，應(yīng)降速或停機以防損壞鉆頭。2.深孔加工切削液注意要點

深孔加工過程中會產(chǎn)生大量的切削熱，并不易擴散，需要供給充足的切削液潤滑冷卻刀具。一般選用1∶100的乳化液或極壓乳化液；需要較高加工精度和表面質(zhì)量或加工韌性材料時，選用極壓乳化液或高濃度極壓乳化液，切削油的運動黏度通常選用（40℃）10~20cm2/s，切削液流速為15~18m/s；加工直徑較小時選用黏度低的切削油；要求精度高的深孔加工，可選用切削油配比為40%極壓硫化油+40%煤油+20%氯化石蠟。切削液的壓力和流量與孔徑及加工方式有著密切的關(guān)系，具體參考如下表所示。

3.使用深孔鉆注意事項

1）工件端面與工件軸心線垂直，以保證端面密封可靠。2）正式加工前在工件孔位上預(yù)鉆一個淺孔，引鉆時可起導(dǎo)向定心作用。3）為保證刀具使用壽命，最好采用自動走刀。4）進液器、活動中心支承中的各導(dǎo)向元件如有磨損，應(yīng)及時更換，以免影響鉆孔精度?？偨Y(jié)深孔加工在機械加工領(lǐng)域中占有非常重要的地位，約占孔加工量的40%。新型高硬度和高價值難加工深孔工件的不斷出現(xiàn)，使得加工工件在加工深度、加工精度以及加工效率上要求的不斷提高，作為關(guān)鍵工序和加工難點，只有掌握了深孔的概念，深孔加工的特點和難點，深入了解各種深孔鉆鉆頭的類型、結(jié)構(gòu)及使用范圍，才能更好提高深孔加工的效率。什么叫深孔?深孔是指孔深與孔徑比L/d≥5的孔，是機械加工中的一道難題，尤其是大深徑比的深孔加工，難點在于刀具細長，剛性差、強度低，易引起刀具偏斜，且散熱困難，排屑不易，經(jīng)常產(chǎn)生直徑變大、出現(xiàn)錐形或孔偏斜等現(xiàn)象，從而達不到質(zhì)量要求。本文介紹的航空發(fā)動機某噴嘴類零件，孔徑為Ф6mm，孔深為105mm，深徑比達17：1。超大的深徑比更增加了此零件的加工難度，為了加工出合格孔，需制定合理的加工方案，選擇合適的加工設(shè)備和刀具。筆者經(jīng)過試件的試切加工，選擇合適的加工參數(shù)，最終確定了合理的加工方法。一、零件簡介如圖1所示，某噴嘴類零件，總長為105mm，桿部內(nèi)孔為φ6+0.12mm，壁厚為2mm，表面粗糙度為Ra3.2μm，深徑比為17：1，屬于深孔加工的零件，其材料為難加工的GH4169。這類高溫合金孔加工相對于一般鋼材切削加工，刀具壽命要低50%以上，且加工效率低，成本高。高溫合金孔加工主要難點是：①切削力大，消耗機床功率大;②孔加工是半封閉的切削，產(chǎn)生的高切削熱和切屑難以及時排出，遠離刀尖，刀具磨損更為劇烈;③用普通的鉆削方法難以保證高溫合金孔的精度要求。④高溫合金孔加工中，刀具磨損比加工普通鋼材快得多，且需要切削性能更好的刀具材料。為了解決以上加工難點，加工此深孔時，必須選擇合適的加工設(shè)備和刀具，保證零件的加工精度。二、加工工藝設(shè)計和分析零件深孔加工選用常規(guī)的鉆削方式，需加長麻花鉆，而且要斷屑加工，不僅加工精度低、表面粗糙度差,加工效率低、操作者勞動強度大、質(zhì)量難以保證，而且很容易引起堵屑或折斷鉆頭，造成更大的加工困難，因此刀具最好選擇深孔加工專用刀具。設(shè)備的選用考慮到本公司產(chǎn)品類型多，深孔加工產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異大，且生產(chǎn)批量較小，不可能購置深孔加工專用機床，為了更好地保證深孔精度要求，結(jié)合工廠實際，選擇合適的加工設(shè)備來滿足深孔加工的技術(shù)要求。1.刀具的選擇深孔加工的刀具有多種，如槍鉆、噴吸鉆、套料鉆、硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位深孔鉆、內(nèi)排屑深孔鉆和亞干式深孔加工系統(tǒng)等類型。噴吸鉆適用于經(jīng)改裝的車床、臥式加工中心，易加工工件材料;套料鉆、內(nèi)排屑深孔鉆的鉆孔直徑不適合鉆加工Ф6mm的小孔;硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位深孔鉆一般最小鉆削直徑為Ф20mm;而亞干式深孔加工系統(tǒng)主要是利用壓縮空氣進行排屑和冷卻，使用霧化切削液進行潤滑，需專用的加工設(shè)備，不適合本廠的加工情況。而槍鉆適用于加工Ф2～Ф20mm、長徑比L/D>100、表面粗糙度Ra6.3～Ra0.4μm、精度H7～H10級的深孔。經(jīng)對上述幾種深孔加工刀具的對比及本廠的實際情況，研究決定采用槍鉆進行此深孔的加工。槍鉆的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。槍鉆由硬質(zhì)合金鉆尖、鉆桿和刀柄三部分組成。槍鉆鉆尖上開有油孔，以加強鉆頭冷卻潤滑和使切屑順利排出，并選擇韌性和抗振性均較佳的硬質(zhì)合金作為基體，表面可涂TiC或TiN，以提高鉆頭的硬度和耐磨性;鉆桿一般選用40Cr無縫鋼管。其原理是高壓油由鉆桿后部中孔注入，經(jīng)腰形孔到達切削區(qū)后迫使切屑隨切削液由V型槽與工件孔壁間空間排出，故稱外排屑。此類深孔鉆前角一般為0°，以便制造。它無橫刃，鉆尖偏離軸線，鉆孔時鉆尖前方形成小圓錐，可使切屑在鉆尖處斷離為兩段，使之較易排出。2.設(shè)備

槍鉆是用來鉆削回轉(zhuǎn)工件中心上的孔，加工時，通常是工件旋轉(zhuǎn)，鉆頭作直線進給，較適用于加工中心及配備高壓冷卻系統(tǒng)的車床與立式機床、刀具或工件旋轉(zhuǎn)場合。綜合考慮槍鉆加工的應(yīng)用場合及公司現(xiàn)有設(shè)備情況，在此零件加工時，筆者選擇了車銑復(fù)合加工中心，此設(shè)備既可實現(xiàn)零件旋轉(zhuǎn)，又配備高壓內(nèi)冷系統(tǒng)，滿足槍鉆的應(yīng)用場合?？梢赃M行鉆孔加工。3.槍鉆引導(dǎo)孔加工槍鉆屬于非平衡鉆頭，不平衡的槽形意味著切削力不平衡。為了減少鉆頭周邊的徑向切削力，需要靠導(dǎo)套或引導(dǎo)孔分擔(dān)。典型的槍鉆機床上配有槍鉆引導(dǎo)套，而本例所選的車銑加工中心不是槍鉆專用機床，沒有配備導(dǎo)套，且沒有夾具，無法設(shè)計導(dǎo)套。因此，筆者考慮用鉆削引導(dǎo)孔的方式來平衡槍鉆切削力。通過大量實驗數(shù)據(jù)得出：槍鉆引導(dǎo)孔的深度應(yīng)為1～2倍槍鉆直徑，直徑應(yīng)比槍鉆鉆頭直徑大0.004～0.012mm較合適。4.工藝試驗與分析深孔加工工序草圖如圖3所示，由圖3可知，用軟三爪裝夾，以定位，夾緊，按車端面→鉆導(dǎo)向孔→鉆深孔的順序進行零件的深孔加工。鉆導(dǎo)向孔時，以不同廠家的鉆頭按不同切削參數(shù)進行試驗加工;鉆深孔時，我們選擇了伊斯卡的槍鉆，以不同的加工方法和不同的切削參數(shù)進行了多個孔的鉆削試驗。1)引導(dǎo)孔加工鉆引導(dǎo)孔時，在滿足槍鉆引導(dǎo)作用的前提下，筆者也兼顧了刀具成本問題，分別選擇進口的伊斯卡中空內(nèi)冷合金鉆頭和國產(chǎn)的四平合金鉆頭進行了試切加工。經(jīng)過多個孔的試驗加工，發(fā)現(xiàn)進口刀具切削參數(shù)比國產(chǎn)刀具要高許多，轉(zhuǎn)速可以達到2500r/min，進給率為50mm/min，而且較耐磨損，但費用較高;國產(chǎn)刀具的切削參數(shù)偏低，轉(zhuǎn)速為600r/min，進給率僅為20mm/min，加工效率遠低于進口刀具，費用同樣遠遠低于進口刀具的費用。經(jīng)試驗，兩種刀具的加工質(zhì)量相似。因為此零件的批量小且加工件數(shù)少，在滿足加工質(zhì)量的前提下，我們選擇了費用較低的四平合金鉆頭。2)深孔加工深孔加工我們采用了兩種加工方案進行試驗加工：一種是進入導(dǎo)向孔和退出深孔時，均采取小于鉆削時轉(zhuǎn)數(shù)和進給率的方法進行深孔加工;另一種是以較低轉(zhuǎn)數(shù)和進給率反轉(zhuǎn)進入導(dǎo)向孔，以零轉(zhuǎn)數(shù)和G0的速度快速退出深孔的加工方法。經(jīng)過試驗加工發(fā)現(xiàn)：第一種加工方法加工效率低且零件表面質(zhì)量差，而第二種加工方法，加工效率高且質(zhì)量較好。因此，在保證足夠冷卻壓力的情況下，選擇第二種加工方法進行了刀具壽命試驗。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，1把槍鉆加工到第4件零件時，加工聲音異常，于是調(diào)低進給倍率為90%，繼續(xù)加工，可順利完成第4件和第5件的加工，但加工到第6件時，加工到孔深78mm時，鉆頭折斷。經(jīng)過試驗，在調(diào)低進給倍率的情況下，1把槍鉆最多加工5件零件，可防止鉆頭折斷。在某些加工范圍內(nèi)，槍鉆能解決麻花鉆不能解決的深孔和高精度孔加工問題，可鉆出一個直線度高、表面粗糙度好的孔。而且在固定所有因素，如主軸轉(zhuǎn)速、進給速度和冷卻液壓力后，深孔鉆這個工序便成為一個簡易的“標(biāo)準(zhǔn)”工序，不受操作員技術(shù)的影響，只要是一個高質(zhì)量的槍鉆便可在生產(chǎn)過程中提供一致的表現(xiàn)。它不僅適用于專用槍鉆機床，同時在高壓內(nèi)冷和導(dǎo)向滿足的情況下也適用于車銑復(fù)合加工中心和數(shù)控車床，經(jīng)濟適用性強，有一定的推廣價值。所謂深孔是加工孔徑比超過7倍徑的一種孔加工方式（非標(biāo)準(zhǔn)）。深孔的特征是深度與直徑的比率至少高達7:1。它適用于在不同尺寸中創(chuàng)建所需深度的孔，數(shù)控加工材料從鋁、鋼、鈦合金、鑄鐵等材料，應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛。深孔鉆孔是工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用的技術(shù)，但它的起源是需要對直槍進行高精度鉆孔，其深度與直徑的比率可達100:1。后來，該技術(shù)不斷進步并擴展到其他應(yīng)用，包括制造汽車零件（如凸輪軸、曲軸、燃油軌和燃油噴射器體）、注塑成型中的低孔、航空航天零件（如起落架）、石油和天然氣領(lǐng)域的不同零件、通用工程部件（如液壓缸）等。1深孔鉆削的類型01槍鉆工藝這種深孔鉆孔方法使用帶有薄切削刀具的機器在工件上鉆孔，鉆孔精度高且更直。槍鉆的引入徹底改變了鉆孔行業(yè)，因為它們比傳統(tǒng)鉆頭的精度更高。槍鉆由直槽切削刃和單個內(nèi)部冷卻液孔組成。因此，可以通過內(nèi)孔供應(yīng)加壓冷卻液，同時通過柄內(nèi)的單槽槍鉆去除切屑。因此，材料去除與鉆孔同時發(fā)生。但是，可能能夠使用標(biāo)準(zhǔn)CNC槍鉆機執(zhí)行深孔操作，具體取決于孔的深度與直徑之比，可以使用特殊工具來實現(xiàn)更高的精度。專門的深孔鉆孔系統(tǒng)可以實現(xiàn)更大的直徑，約為400:1。02BTA噴吸鉆于20世紀(jì)40年代推出了BTA鉆孔。該工藝涉及在孔中插入一種特殊的空心工具，在操作過程中將加壓冷卻液推入鉆孔工具外部的孔中。然后，它會通過鉆頭內(nèi)的孔排出切屑。此外，BTA工具或單管系統(tǒng)由一根固定在螺紋可轉(zhuǎn)位刀頭上的空心鉆管組成，具體尺寸取決于需要鉆孔的直徑和深度。BTA工具的直徑范圍為20–200mm，深度可達約400毫米。噴射鉆或雙管系統(tǒng)通常用于加工中心和傳統(tǒng)機床。它提供的鉆孔深度約為100xD。盡管是BTA鉆井系統(tǒng)的變體，但它沒有密封件來防止工件上的切削液流出。因此，這種鉆孔技術(shù)適用于斜孔或不連續(xù)的部件。此外，必須通過內(nèi)管和鉆桿之間的環(huán)形空間輸送金屬加工液。然后，流體從鉆頭側(cè)面流出，流過鉆頭以冷卻和潤滑鉆頭。切削液將切屑推過內(nèi)鉆桿的內(nèi)部空腔，以便有效清除。最好將一些流體引入較細的管環(huán)噴嘴中。03加長麻花鉆加長麻花鉆是一種專門設(shè)計用于加工深孔或難以到達的孔的切削工具。相比標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆，它的鉆體顯著長于標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆，通常在5到30倍鉆徑之間，適用于加工深孔或難以到達的部位。通常采用高性能材料，如高速鋼、含鈷高速鋼等，部分加長麻花鉆還會使用涂層技術(shù)以提高耐磨性和壽命。2深孔鉆的主要優(yōu)點01精密度和準(zhǔn)確度由于深孔鉆削操作是自動化的，因此可以實現(xiàn)鉆孔的深度與直徑的精確比。因此，深鉆是獲得尺寸精確符合航空航天和國防等行業(yè)要求的孔的理想選擇。02改善表面光潔度深孔鉆削工藝提供了更好的表面光潔度比使用麻花鉆的傳統(tǒng)方法更省力。深鉆需要使用專門的工具和設(shè)置來實現(xiàn)高壓冷卻液流動和有效的排屑，從而確?？椎淖吭奖砻尜|(zhì)量。因此，這種出色的表面光潔度可減輕摩擦和磨損，確保運動部件的耐用性和正常性能。