高精度細(xì)長(zhǎng)孔的數(shù)控加工研究

1、高精度細(xì)長(zhǎng)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(shù)，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(gòu)為不對(duì)稱(chēng)形狀，質(zhì)心偏離中軸，這給制造、重磨都帶來(lái)一定的困難，也使造價(jià)增高。 另外，其結(jié)構(gòu)剛度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)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(jìn)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(shù)，進(jìn)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(guò)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(mǎn)意，在上述孔徑范圍內(nèi)，完全可以替代槍鉆對(duì)小深孔進(jìn)行鉆削加工。由于其剛度好，可加大進(jìn)給量和鉆削速度，使生產(chǎn)效率、鉆孔質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益均有所提高，顯示了一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。關(guān)鍵詞：高精度 細(xì)長(zhǎng)孔 數(shù)控加工一、孔的定義與分類(lèi)根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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?？淄ǔ？砂慈缦路椒ǚ诸?lèi)： （1）按形狀來(lái)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(lái)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(guò)5的孔，L/D簡(jiǎn)稱(chēng)深徑比或長(zhǎng)

3、徑比；L/D=520屬一般深孔，L/D2030屬中等深孔，L/D30100稱(chēng)為特殊深孔）及淺孔。 （3）按孔徑的大小來(lái)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(jī)理來(lái)分。有機(jī)械加工、特種加工（見(jiàn)表1）、機(jī)電復(fù)合加工等。盡管特種加工方法較多，但目前由于設(shè)備比較昂貴和加工效率不高等原因，所以無(wú)論是現(xiàn)在還是可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，傳統(tǒng)的機(jī)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(kuò)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(jí)在IT7IT6級(jí)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(xiàn)直線(xiàn)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(chē)、高速列車(chē)、風(fēng)電、電子、家電、能源、模具、液壓、機(jī)床及精密機(jī)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(yīng)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(diǎn)，加工難度較大，而精密孔加工的難度更大。二、孔加工的特點(diǎn)孔加工是一種比較復(fù)雜的工藝過(guò)程，加工時(shí)必須妥善解決排屑、冷卻潤(rùn)滑和導(dǎo)向等問(wèn)題?？准庸さ闹饕攸c(diǎn)是： （一）由于受被加工工件孔徑尺寸、長(zhǎng)度和形狀的制約，故切

5、削刀具相應(yīng)較細(xì)長(zhǎng)，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(dòng)。 1、切屑排除比較困難。要改善容屑與排屑條件，勢(shì)必要增大容屑槽，但這樣將會(huì)使刀具的強(qiáng)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(shí)。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(duì)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(jiǎn)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(guò)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(gòu)較復(fù)雜。目前，隨著刀具制造技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)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(jī)夾硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位刀片淺孔鉆，德國(guó)MAPAL公司的涂層硬質(zhì)合金單刃鉸刀（切削速度高達(dá)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(yīng)用區(qū)域的高壓切削液通道孔，并且規(guī)格越來(lái)越小。據(jù)報(bào)道，國(guó)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(diǎn)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(shí)會(huì)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(shí)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(shí)踐證明，在使用等量切削液情況下，“汽束”噴霧冷卻在相同時(shí)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(guó)格林（Guhring）公司試驗(yàn)證實(shí)，在汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)上采用“汽束”噴霧冷卻，每班只需耗用半杯油，并且可用廉價(jià)的工廠(chǎng)再生油?！捌?/p>

8、”噴霧冷卻既適用于自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)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(guò)濾器2和3、集液盤(pán)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(shí)，開(kāi)動(dòng)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(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生負(fù)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(huì)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(pán)中收集的廢液經(jīng)過(guò)濾后可流回貯液箱繼續(xù)使用。節(jié)

9、氣閥12是用來(lái)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(hào)（通過(guò)直流電壓U=24V）操縱。使用表明，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。 加工時(shí)不能直接觀(guān)察刀具的切削情況，尤其在加工微孔和深孔時(shí)。所以，自動(dòng)監(jiān)測(cè)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(yàn)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(gè)方面內(nèi)容： 尺寸精度 指加工后零件的實(shí)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(shí)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(guān)表面之間的實(shí)際位置與理想位置相符合程度。 在機(jī)械加工中，機(jī)床、夾具、工件和刀具構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，稱(chēng)為工藝系統(tǒng) 工藝系統(tǒng)中的各組成部分，包括機(jī)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(shuō)，在加工過(guò)程中工藝系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生各種誤差，從而改變刀具和工件在切削運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相互位置關(guān)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(gòu)狀態(tài)和切削過(guò)程有關(guān)，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(yùn)動(dòng)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(chēng)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(jī)床的幾何誤差 機(jī)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(jī)床主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、機(jī)床導(dǎo)軌直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)和機(jī)床傳動(dòng)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(guò)程中，切削刃、刀面與工件、切屑產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦，使刀具磨損。當(dāng)?shù)毒吣p達(dá)到一定值時(shí)，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(dòng)。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(duì)刀誤差等。這些誤差主要與夾具的制造和裝配精度有關(guān)。下面將對(duì)夾具

12、的定位誤差進(jìn)行詳細(xì)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(lái)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(huì)使各工件在夾具中的實(shí)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(zhǔn)而造成的加工誤差稱(chēng)為定位誤差。它包括基準(zhǔn)位移誤差和基準(zhǔn)不重合誤差。在采用調(diào)整法加工一批工件時(shí)，定位誤差的實(shí)質(zhì)是工序基準(zhǔn)在加工尺寸方向上的最大變動(dòng)量。 5、工藝系統(tǒng)的受力變形由機(jī)床、夾具、工件、刀具所組成的工藝系統(tǒng)是一個(gè)彈性系統(tǒng)，在加工過(guò)程中由于切削力、傳動(dòng)力、慣性力、夾緊力以及重力的作用，會(huì)產(chǎn)生彈性變形，從而破壞了刀具與工件之間的準(zhǔn)確位置，產(chǎn)

13、生加工誤差。例如車(chē)削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)（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(jìn)給，在工件的全長(zhǎng)上切削深度將會(huì)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(shù)的難點(diǎn)和對(duì)策 深孔鉆削加工就有相當(dāng)?shù)碾y度，內(nèi)排屑小深孔鉆削的難點(diǎn)就更加突出。（一）排屑難度排屑小深孔鉆屑時(shí)切屑，要經(jīng)過(guò)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(zhǎng)一般達(dá)5001500 mm。因此，在鉆削過(guò)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(shè)計(jì)出合理的斷屑和分屑臺(tái)，保證可靠斷屑十分重要

14、。但小深孔的進(jìn)給量很小，實(shí)現(xiàn)C形斷屑對(duì)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(guò)程中作為冷卻和沖刷切屑的切削液壓力產(chǎn)生波動(dòng)或壓力下降時(shí)，切屑瞬時(shí)滯流、折疊而堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致鉆刃損壞和鉆桿扭斷。為徹底解決這一問(wèn)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(dòng)斷屑技術(shù)，能穩(wěn)定地得到所需要的切削形狀。增加切削液對(duì)鉆屑的排屑作用力，是SED鉆削系統(tǒng)的特點(diǎn)，高壓切削液一路進(jìn)入授油器，潤(rùn)滑冷卻鉆削區(qū)和刀具，并以3MPa4.5 MPa的壓力迫使切屑進(jìn)入排屑通道，并將切屑推出；另一路切削液進(jìn)入可調(diào)式負(fù)壓抽屑裝置，形成負(fù)壓，對(duì)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(shí)踐證明，即使鉆屑呈帶狀，且從鉆削開(kāi)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(xì)而長(zhǎng)，小深孔鉆削的鉆桿更是細(xì)長(zhǎng)，其剛度很低，因此，在設(shè)計(jì)小深孔刀具時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡可能提高刀具(包括鉆頭和鉆桿)整體的剛度。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shì)必更使細(xì)長(zhǎng)鉆桿的強(qiáng)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(gè)方牙螺紋的深度0.25mm，螺紋聯(lián)接處的強(qiáng)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(jìn)給量以降低鉆削扭矩，也不能防止扭斷事故。為解決這一問(wèn)題，對(duì)

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(chē)制方牙內(nèi)螺紋，螺紋車(chē)刀要比鉆桿內(nèi)徑還要小，并且要刃磨出有嚴(yán)格尺寸的刀刃；方牙螺紋的螺距大，車(chē)制時(shí)又不能直觀(guān)加工狀況，操作很困難。鉆頭部的制造更為困難，除在柄部車(chē)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(dǎo)條和刀片的凹槽和一個(gè)排屑通道。之后，硬質(zhì)合金導(dǎo)條、刀片與刀頭體的高溫焊接還會(huì)引起過(guò)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(dāng)技術(shù)難度的。采用措施后，使制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)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(gè)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(jiǎn)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(gòu)的小深孔刀具稱(chēng)為單管內(nèi)排屑噴吸鉆。2.小深孔鉆削時(shí)的切削速度和機(jī)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(guó)過(guò)去生產(chǎn)的小深孔加工機(jī)床，一般最高轉(zhuǎn)速為2500r/min，且不能進(jìn)行無(wú)級(jí)變速和無(wú)級(jí)進(jìn)給，顯然不能適應(yīng)小深孔鉆削的工藝技術(shù)要求。1992年我所自己設(shè)計(jì)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(dá)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(yùn)動(dòng)方式：1)工件轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具進(jìn)給；2)工件轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具轉(zhuǎn)動(dòng)并進(jìn)給；3)工件不動(dòng)，刀具轉(zhuǎn)動(dòng)并進(jìn)給。這種機(jī)床還帶有負(fù)壓抽吸裝置。這種新型機(jī)床的開(kāi)發(fā)，拓寬了深孔加工的范圍，也可把深孔加工技術(shù)提高到一個(gè)新的水平。3.GT、CAD技術(shù)在深孔加工中的應(yīng)用。利用當(dāng)代計(jì)算機(jī)工具發(fā)展起來(lái)的成組技術(shù)(GT)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)