精密深孔加工技术的探索与研究

2014-12-07王浩宇李明森姜萍萍

长春理工大学学报（自然科学版） 2014年6期

关键词：深孔切削液数控车床

王浩宇，李明森，姜萍萍

（1.吉林省农业机械研究院，长春 130022；2.长春航空液压控制有限公司，长春 130051）

在机械加工车削过程中，大部分工件都要加工精密孔。精密深孔的加工方法的解决能基本解决阀体和阀套孔、套筒、液压作动筒、柱塞孔等深孔加工问题。

1 深孔加工存在的问题

（1）深孔加工处于封闭或半封闭的状态下，故不能直接观察到刀具的切削情况；（2）切屑不易排出；（3）切削热不易传散；（4）加工刀具刚性差。

2 现有的加工方法

2.1 加长麻花钻钻深孔

加长麻花钻一般用于长径比小于或等于10的孔的加工，在钻削中带有导向时，切屑不易排出；加长麻花钻加工精度较差，仅用于预孔粗加工，并在单件或小批生产时使用。

2.2 枪钻钻深孔

枪钻通常由钻头、钻杆、钻柄三部分组成。枪钻为单刃外排屑深孔钻，最早用于加工枪管，故称为枪钻。钻孔时，切削液以高压（2.5～10MPa）从钻柄、钻杆内注入，通过切削部分（钻头）通油孔送入切削区，进行冷却和润滑，并汇同切屑从钻头和钻杆的V形槽中排出。枪钻用于直径2～20mm，最大可达50mm，深径比20～100的深孔（最大可达250），加工精度H8～H10，表面粗糙度Ra3.2～0.8μm，在刀具及工作条件较好的情况下，使用枪钻可在一次走刀加工出精密孔，加工精度可达H6～7级，表面粗糙度Ra0.4～0.25μm。如图1所示，枪钻主要用于在工件实体上钻孔。

图1 枪钻的典型结构

2.3 喷射钻钻孔

喷射钻（又叫喷吸钻）由钻头，管状内、外钻杆，连接器和导套组成。切削液用泵注入，大部分通过内、外钻杆的间隙进入切削区，起冷却、润滑和排屑作用；小部分从内钻杆尾端月牙槽内返回；造成喷吸效应，形成低压吸屑，为顺利排屑创造条件。其液压力常为1～2MPa。由于它具有内钻杆，使排屑空间减小，故对断屑要求较严，切屑应成“C”状或瓦片状。喷射钻常用于直径18～65mm，长径比在100以内的深孔加工。加工精度可达H7，表面粗糙度在Ra0.4～1.6μm范围内，如图2所示。喷射钻是新颖的内排屑深孔加工用刀具。它把人们习惯依靠切削液推出切屑的深孔加工方法，转变为依靠切削液吸出切屑的新方法。其喷吸效应可避免切削液飞溅，只要配以适当的切削液供给系统，即可在普通车床等多种机床作精密深孔加工。由于喷射钻结构较复杂和使用时需改装机床，故一般适用于大批或大量生产。

图2 喷射钻结构示意图

3 深孔加工工艺的研究

氮化钢套筒零件如图3所示，材料为30Cr3MoA，孔径为Φ9.4+0.120，盲孔孔深为200±0.2，孔对外圆跳动在0.05mm以内，表面粗糙度Ra3.2μm。

3.1 套筒零件加工难点分析

通常用加长麻花钻头在普通车床上进行加工，由于零件材料硬度较高，加长麻花钻头结构细长，刚度差，强度低，同时加工过程中散热困难，钻头易磨损，排屑通道长而狭窄，切屑排出困难，经常会出现刀具折断，孔直径变大，出现锥形孔等现象，从而达不到加工质量的要求。

普通车床精度低，钻孔时加长麻花钻过长，摆动过大，底孔的同轴度无法保证。所以扩深孔时既要保证尺寸和粗糙度，又要校正孔与外圆的同轴度，增加了扩深孔的难度。一直以来，扩深孔都是以分组阶梯式扩孔方式来加工，加工周期长，合格率低。随着产量的提高，不能满足质量要求。

图3 套筒零件图

3.2 套筒零件的加工方法

3.2.1 传统深孔加工工艺

加工顺序与方法：定中心—钻底孔φ6.5×200—扩深孔φ9.4×200。钻底孔工序图见图4，扩深孔工序图见图5。

图4 钻底孔工序图

图5 扩深孔工序图

3.2.2 精密深孔加工的方法

（1）从设备入手，解决设备精度问题

选择带有深孔钻功能的数控车床，主要是利用深孔钻头的油孔将高压泵泵出的冷却液（油）及时送达深孔钻头工作表面处，冷却过程的同时，防止闷车现象的发生，同时将切屑及时排出，以防止切屑划伤已加工表面。

（2）设计一种适合深孔加工的深孔钻刀具

通过对三种加工深孔的刀具（麻花钻、枪钻、喷射钻）进行分析，发现麻花钻加工精度较差，仅用于预孔粗加工，并在单件或小批生产时使用，现有加工方法即为加长麻花钻钻孔，不能满足图纸要求。喷射钻是新颖的内排屑深孔加工用刀具。它把人们习惯依靠切削液推出切屑的深孔加工方法，转变为依靠切屑液吸出切屑的新方法。其喷吸效应可避免切削液飞溅，故只要配以适当的切削液供给系统，即可在普通车床等多种机床作精密深孔加工。喷射钻也可用于实体工件的钻孔。由于喷射钻结构较复杂和使用时需改装机床，故一般适用于大批量生产。只有枪钻符合精密深孔加工要求，枪钻用于直径2～20mm，最大可达50mm，深径比20～100的深孔（最大可达250），加工精度H8～H10，表面粗糙度Ra3.2μm，但是需要带有高压泵泵油的机床。

（3）工艺试验手段

用枪钻在数控车床上加工深孔，选用夹簧装夹零件、切削油冷却、主轴转速700～900r/min，进给量0.013～0.017mm/r。

加工工步：钻引导孔—镗引导孔—钻深孔。

3.2.3 试验方案

（1）试验方案一

加工工序如图6所示。

图6 方案一的加工工序图

试验结果显示：用加长麻花钻钻底孔，孔尺寸φ 9.4+0.120×200合格，技术条件超差，跳动值为0.25mm左右；用枪钻扩深孔，如图7所示，孔尺寸合格，技术条件合格，孔表面粗糙度为Ra6.3μm，排屑问题解决，切屑是断续的，不符合枪钻加工零件特点，未达到技术指标要求。在加工第5件时，有打刀现象发生。枪钻为中间有油孔钻头，成本极高，零件加工经济性差。方案一失败。

图7 枪钻照片

（2）试验方案二

基于方案一试验结果，考虑将扩深孔合并于钻底孔工序，进行工艺试验。将扩深孔合并于粗钻深孔工序，使用带有高压泵泵油机构的数控车床，加工工步如图8所示：

图8 方案二的加工工序图

试验结果显示：深孔尺寸φ 9.4+0.120×200、孔对基准A的跳动值为0.05mm、粗糙度为Ra1.6μm均符合图纸要求。

为了使加工尺寸趋于稳定，从装夹、冷却液、转速与进给量等方面优化加工参数。试验结果证明：装夹方式选用夹簧装夹零件、冷却液选用切削油、主轴转速选择700～900r/min，进给量选择0.013～0.017mm/r时加工的零件各项技术指标一致性较好。

3.2.4 结论分析

设备选择分析：带有高压泵泵油机构的数控车床能满足枪钻的加工特点，数控车床的旋转刀架能同时装夹中心钻、钻头、镗刀、锪钻、枪钻等多把刀具，加工时互不干涉，数控车床的主轴精度能保证零件加工中技术条件的要求，同时通过数控程序控制加工工步，提高加工效率。

装夹方式分析：用夹簧装夹零件时，装夹力比软爪装夹大，夹簧与主轴同轴精度高，既能符合加工时钻头切削的力度，又能保证孔与装夹基准的同轴度；

钻镗引导孔分析：枪钻总长度为300mm左右，直接加工时切削位置与钻柄位置距离过长，钻杆较细，摆动过大，易使钻头折断，先钻镗引导孔可以起到校正孔位置的作用，同时防止孔口位置偏斜和钻头折断现象的发生。引导孔直径比孔直径小0.10mm，防止镗孔位置与钻孔交接处产生接痕；

冷却液分析：用冷却液与冷却油分别进行了试验，冷却液冷却时排出来的屑为细屑，出现抱死和打刀现象，而用冷却油时排出的切屑是连续条状的切屑，同时冷却油的润滑作用要比冷却液强，能加工出较好的内孔粗糙度；

转速与进给量分析：由于数控车床加工深孔时，零件由主轴带动旋转，刀具不转，所以进给量与转速是要配合在一起进行研究的。高转速加工的零件由于转速过高，排屑不及时，切屑易黏附在孔壁上，使得内孔表面产生沟痕；转速过低时有打刀的现象发生，经过对几个参数进行了试验，试验结果显示：只有在转速为800r/min，进给量为0.015mm/r时，零件深孔满足技术指标要求。