第1章緒論
機(jī)械制造業(yè)中的深孔加工已經(jīng)應(yīng)用到很多領(lǐng)域，如航空航天、船舶
、石油勘探
、醫(yī)療器械
、模具制造等
。隨著行業(yè)技術(shù)的發(fā)展和新材料的出現(xiàn)
，在各種難加材料上進(jìn)行深孔加工的問(wèn)題尤顯突出，深孔加工已成為機(jī)械加工中一道必不可少的關(guān)鍵性工序
。深孔加工是在封閉或封閉狀態(tài)下進(jìn)行的
，在切削過(guò)程中不能直接觀察到刀具的切削情況，并且切削熱不易傳散
、切屑不易排出
、工藝系統(tǒng)剛性差等現(xiàn)象，直接影響零件的加工質(zhì)量
。深孔加工一直是機(jī)械加工的難點(diǎn)
，目前對(duì)難加工材料的深孔加工技術(shù)的研究還沒(méi)有取得突破性進(jìn)展。本章主要介紹深孔加工基礎(chǔ)知識(shí)
。
1.1
深孔加工技術(shù)簡(jiǎn)介
1.1.1
深孔的定義
孔加工有淺孔加工和深孔加工，以及介于兩者之間的中深孔加工。一般將孔深L與孔徑d之比大于5，即L/d>5時(shí)，稱為深孔；L/d<5時(shí)，稱為淺孔。為何如此規(guī)定呢?一般實(shí)心料上的孔加工采用標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆進(jìn)行鉆削，麻花鉆的螺旋角如圖1.1所示。麻花鉆結(jié)構(gòu)中，直徑d、螺旋角
β和螺旋槽導(dǎo)程P之間的關(guān)系為
在生產(chǎn)實(shí)踐中，為了保證切屑順利排出，麻花鉆一次鉆到底時(shí)（中途不退出的鉆孔深度L
通常不超過(guò)螺旋槽導(dǎo)程P的3/4，即
L<3P/4，代入式
(1.1)得
一般條件下，麻花鉆的壽命隨螺旋角的增大而增大。螺旋角越大
，則前角越大，切削更輕快
，轉(zhuǎn)矩和軸向力更小
，有利于排屑
。但螺旋角過(guò)大，會(huì)削弱切削刃強(qiáng)度
，使散熱條件惡化
，容易產(chǎn)生崩刃，同時(shí)會(huì)增大排屑路程和排屑阻力
。通當(dāng)根據(jù)被加工材料的性能來(lái)選擇合適的麻花鉆螺旋角
。H
型螺旋角(10°~15°)適用于加工硬材料，如硬塑料、黃銅等：
N型螺旋角(15°~36°)適用于加工普通材料如中碳鋼、低碳鋼等：
W型螺旋角(38°~45°)適用于加工軟材料，如不銹鋼、軟鋁、紫銅等。常用的麻花鉆螺旋角β推薦在25°~30°，由式(1.2)可得L/d<4.08~5.05通常麻花鉆的鉆孔深度和孔徑之比不超過(guò)5，因此，工程上把L/d>5的孔稱為深孔?div id="d48novz" class="flower left">隨著機(jī)械技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品中出現(xiàn)大量長(zhǎng)徑比L/d>50的深孔，生產(chǎn)中常將長(zhǎng)徑比L/d>50的深孔稱為超細(xì)長(zhǎng)深孔。作為機(jī)械加工的關(guān)鍵性工序
，超細(xì)長(zhǎng)深孔加工難度比較高，常規(guī)加工工藝難以滿足生產(chǎn)需求
，成為現(xiàn)代機(jī)械加工的瓶頸之一
。因此，超細(xì)長(zhǎng)深孔加工工藝是機(jī)械加工研究的重要課題
。
1.1.2深孔加工技術(shù)的發(fā)展歷程
深孔加工技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段[1,2]
；
(1)20世紀(jì)初期，西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家軍事部門發(fā)明了單刃鉆
，因用于加工槍孔而取名槍鉆，也稱月牙鉆或外排屑深孔鉆
。
(2)1943年，德國(guó)的
Beisher研制出了畢斯涅耳系統(tǒng)(即內(nèi)排屑深孔鉆削系統(tǒng))，后經(jīng)深孔加工國(guó)際孔加工協(xié)會(huì)加以完善并命名為
BTA鉆孔法。
(3)1963年，瑞典山特維克公司發(fā)明了噴吸鉆
，巧妙應(yīng)用噴吸效應(yīng)，可以采了排屑過(guò)程
。用較低的切削液壓力
，使切屑在推、吸效應(yīng)下排出
，降低了系統(tǒng)的密封性
，改善
(4)20世紀(jì)70年代中期，由日本冶金股份有限公司研制的單管雙進(jìn)油(double）兩者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。
（feeder,DF)
鉆，增加了一個(gè)具有噴吸效應(yīng)的油壓頭，成功把
BTA鉆孔法與噴吸鉆
(5)20世紀(jì)80年代，我國(guó)研究人員在總結(jié)歸納傳統(tǒng)深孔加工技術(shù)的基礎(chǔ)上
，發(fā)明了單管內(nèi)排屑噴吸鉆技術(shù)（即
SIED技術(shù)）。該技術(shù)完善了DF鉆的抽屑設(shè)計(jì)。使抽屑能力有所提高
，而且對(duì)內(nèi)排屑鉆頭進(jìn)行了優(yōu)化
。以上五種不同階段的深孔加工技術(shù)在鉆桿結(jié)構(gòu) 、供油方式
、刀具制造成本等方面具有各自的特點(diǎn)，適用的孔徑范圍
、深度范圍
、加工精度和表面質(zhì)量各不相同。
1.1.3 深孔加工技術(shù)的研究方向
深孔加工技術(shù)是一項(xiàng)多學(xué)科交叉的綜合應(yīng)用技術(shù) ，目前在理論和應(yīng)用方面都還不夠成熟
，迫切需要對(duì)其理論和技術(shù)進(jìn)行更加深入的研究。隨著數(shù)字化技術(shù)
、傳感技術(shù)、信息技術(shù)等的快速發(fā)展和不斷融合
，深孔加工技術(shù)將朝智能化
、多樣化、環(huán)境友好的方向不斷發(fā)展
。
1.深孔刀具磨損與破損研究
數(shù)控機(jī)床、加工中心、自動(dòng)線生產(chǎn)中
，不僅要求深孔加工刀具高效耐用
，而且需要特別穩(wěn)定可靠
。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及新型難加工材料的日益增多
，對(duì)深孔加工的精度
、生產(chǎn)效率提出了更高的要求，而且出現(xiàn)一些長(zhǎng)徑比大于 500
，甚至
1000以上的深孔，使得刀具的切削路線相當(dāng)長(zhǎng)，對(duì)刀具的耐用度提出了更高的要求
。對(duì)深孔刀具磨損與破損的研究是提高深孔刀具耐用度的一項(xiàng)主要研究課題
，以研究金屬切削過(guò)程中的摩擦與磨損為基礎(chǔ)的
“金屬切削摩擦學(xué)”和“摩擦物理
學(xué)”等新興學(xué)科已初步形成(31。
2. 切削加工方法的研究
為適應(yīng)種類越來(lái)越多、加工難度越來(lái)越高的新工程材料的深孔加工
，傳統(tǒng)的切削加工方法已發(fā)展出了非傳統(tǒng)切削加工方法。傳統(tǒng)切削加工方法是以機(jī)械力學(xué)為基礎(chǔ)的單刃或者多刃刀具的切削加工方法
，非傳統(tǒng)切削加工方法是利用化學(xué)
、物理（電、聲
、光
、熱、磁）等方法對(duì)工件材料進(jìn)行加工的方法
，如熱切削法
、低溫切削法、磁化切削法和振動(dòng)切削法等非傳統(tǒng)切削加工方法可以改善切屑形態(tài)
、切削力
、刀具耐用度及已加工表面質(zhì)量等。例如
，低溫切削時(shí)
，刀具的熱磨損對(duì)它的耐用度和已加工表面質(zhì)量影響最大，當(dāng)工件材料的溫度降到-20℃
時(shí) ，可以抑制積屑瘤的產(chǎn)生
，同時(shí)改變切削區(qū)的摩擦狀態(tài)，避免已加工表面出現(xiàn)鱗刺
、犁溝
，減少表面微裂紋，提高表面質(zhì)量
4] 。深孔電加工和深孔超聲波振動(dòng)加工運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)單
、無(wú)變形、毛刺少、刀具費(fèi)用少
，主要用于高硬度
、高強(qiáng)度的難加工材料加工，特別適用于大批量生產(chǎn)
。
3.深孔刀具材料的研究
隨著航天 、航空、海上石油鉆探及高溫
、高壓技術(shù)的飛速發(fā)展
，出現(xiàn)了超高強(qiáng)度、高硬度
、耐高溫
、抗蠕變的特殊合金，切削這類材料十分困難
。某些工程材料雖然有優(yōu)良的物理機(jī)械性能
，但是因?yàn)楹茈y切削或無(wú)法切削，無(wú)法在工業(yè)中應(yīng)用
。因此
，研究開(kāi)發(fā)新型刀具材料十分緊迫。研究和開(kāi)發(fā)趨勢(shì)有以下方面：新型的陶瓷刀具材料
，如s-8
氫化硅陶瓷刀片 ，硬度為
89~91HRA ，切削速度可高達(dá)
1828m/min；耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性都很好的新型陶瓷刀具材料；聚晶塊和復(fù)合式刀片，其切削速度高、表面粗糙度小、精度好；刀具多層耐磨涂覆技術(shù)。多涂層工藝是在硬質(zhì)合金基體上依次涂上結(jié)合層、過(guò)渡層和耐磨層，各層極薄并經(jīng)反復(fù)
涂覆S。例如，Widalon TK15刀片，涂有13層，幾乎可以在各種切削條件下使用 。深孔加工技術(shù)從產(chǎn)生以來(lái)經(jīng)過(guò)了數(shù)代科研人員的改良，獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步
，
但是深孔加工自身固有的加工缺陷卻始終存在，如切屑排出困難，切削液難于輸
送 ，不便于觀察等
。如何進(jìn)一步減小這些缺陷對(duì)工件加工及加工質(zhì)量的影響是今
后研究的重中之重。
1.1.4 難加工材料超細(xì)長(zhǎng)精密深孔加工的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題
超細(xì)長(zhǎng)深孔往往體現(xiàn)為：長(zhǎng)徑比大 ，L/d>50
；尺寸精度高，大于
IT7 ；表面粗糙度小
，
Ra<1.6μm。同時(shí)一些新材料的使用 ，如高強(qiáng)度
、高硬度的難加工材料（鈦合金、純鈦
、無(wú)氧銅
、高溫鎳基合金、沉淀硬化不銹鋼
、鈹青銅等）給深孔加
工帶來(lái)了一系列技術(shù)上的困難，從而形成了難加工材料超細(xì)長(zhǎng)精密深孔加工技術(shù)。
難加工材料超細(xì)長(zhǎng)精密深孔加工技術(shù)是國(guó)內(nèi)外深孔加工領(lǐng)域的主要關(guān)注對(duì)象，其研究主要包括以下幾個(gè)方面。
1. 難加工材料超細(xì)長(zhǎng)鉆削和鏜削工藝
難加工材料超細(xì)長(zhǎng)鉆削和鏜削的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：
(1)超細(xì)長(zhǎng)深孔鉆削和鏜削方式。超細(xì)長(zhǎng)深孔鉆削方式通常有四種：槍鉆鉆孔法、BTA 鉆孔法、噴吸鉆鉆孔法和DF鉆孔法。一般大孔徑（孔徑大于 20mm）選擇BTA 鉆孔法，小孔徑（孔徑小于或等于20mm）選擇槍鉆鉆孔法。例如，對(duì)鎳基高溫合金 GH4169材料進(jìn)行超細(xì)長(zhǎng)深孔鉆削，鉆孔孔徑為36mm，長(zhǎng)度為5440mm，長(zhǎng)徑比達(dá)151，選擇BTA鉆孔法6。
(2)刀具材料和刀具幾何參數(shù)。根據(jù)難加工材料的切削特性，通過(guò)理論優(yōu)化進(jìn)行刀具材料和刀具幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)。例如，高溫鎳基合金GH4169材料、鈦合金材料和4145H 鉆鋌鋼材料超細(xì)長(zhǎng)深孔鉆削，選用的刀片材料決定了整個(gè)鉆削過(guò)程能否正常進(jìn)行。從刀具的角度上講，難加工材料斷屑性能非常差，刀具的角度直接影響斷屑性能和刀刃的強(qiáng)度，應(yīng)采用合理的刀具幾何角度問(wèn)。
(3)超細(xì)長(zhǎng)深孔軸心線偏斜問(wèn)題。深孔軸心線偏斜問(wèn)題是目前存在的一個(gè)技術(shù)難題。當(dāng)鉆孔長(zhǎng)徑比大于50時(shí)，深孔軸心線的偏斜一般無(wú)法預(yù)測(cè)和控制?div id="jfovm50" class="index-wrap">？纵S心線偏斜到一定程度后，開(kāi)始急劇變化
，此時(shí)
，孔直線度大大超差，鉆頭甚至?xí)墓ぜ虚g
“水平”鉆出，造成工件報(bào)廢，鉆頭損壞，經(jīng)濟(jì)損失較大。超細(xì)長(zhǎng)深孔鉆削過(guò)程中孔軸心線偏斜的控制主要涉及兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題：第一個(gè)是深孔鉆削過(guò)程中孔軸心線偏斜量的測(cè)量問(wèn)題；第二個(gè)是發(fā)現(xiàn)被加工孔軸心線偏斜后的糾偏措施問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題使用超聲波測(cè)厚儀連續(xù)在線檢測(cè)回轉(zhuǎn)體深孔零件的壁厚，通過(guò)測(cè)量零件壁厚來(lái)判斷深孔刀具是否走偏及其偏斜量；第二個(gè)問(wèn)題可通過(guò)兩種途徑進(jìn)行糾偏，采用附加外力糾偏法控制孔的軸心線的偏斜，即工件上附加外力糾偏和刀具上附加外力糾偏。
(4)切屑形態(tài)的控制。難加工材料在超細(xì)長(zhǎng)深孔鉆削和鏜削時(shí)，由于切削路線比較長(zhǎng)，材料性能優(yōu)良，因此切屑的處理尤為重要。根據(jù)金屬切削的切屑形態(tài)理論和斷屑理論，通過(guò)力學(xué)斷屑機(jī)理和幾何斷屑機(jī)理實(shí)現(xiàn)切屑形態(tài)的控制和斷屑目的，解決超細(xì)長(zhǎng)深孔鉆削過(guò)程中排屑難、堵屑以及刀具失效問(wèn)題。
2. 難加工材料超細(xì)長(zhǎng)精密深孔加工方法
難加工材料超細(xì)長(zhǎng)精密深孔加工主要表現(xiàn)為尺寸精度和表面質(zhì)量的控制。將強(qiáng)力珩磨技術(shù)用于超細(xì)長(zhǎng)精密深孔加工工藝中，結(jié)合理論建模和試驗(yàn)研究的方法，設(shè)計(jì)新型珩磨頭，合理選取油石磨粒和珩磨用量，實(shí)現(xiàn)難加工材料超細(xì)長(zhǎng)精密深孔加工中的尺寸精度和表面質(zhì)量的控制。深孔珩磨技術(shù)已成為一種精密、高效的加工技術(shù)，又稱為強(qiáng)力珩磨技術(shù)。強(qiáng)力珩磨技術(shù)在精密深孔加工領(lǐng)域效果極佳。強(qiáng)力珩磨在磨削工件時(shí)壓力大，是普通珩磨的5~7
倍；加工余量大，是普通珩磨的
10~20倍；磨削效率高
，是集磨削、精整和修光三位一體的精密加工工藝
。強(qiáng)力珩磨工藝可以省去粗鏜
、浮動(dòng)鏜、精鏜等工序
，在粗鉆或粗鏜后直接進(jìn)行珩磨
，對(duì)珩磨前工序要求不高。采用強(qiáng)力珩磨技術(shù)的加工質(zhì)量一般優(yōu)于普通珩磨工藝
，尺寸精度可達(dá)
IT5，表面粗糙度
Ra為0.2um。強(qiáng)力珩磨技術(shù)能有效解決難加工材料超細(xì)長(zhǎng)精密深孔加工問(wèn)題，其關(guān)鍵問(wèn)題是珩磨頭的設(shè)計(jì)
、珩磨油石的選擇和珩磨工藝參數(shù)的確定。
3.深孔加工機(jī)床及結(jié)構(gòu)
雖然深孔加工機(jī)床的種類很多，但都不具有通用性
。為了實(shí)現(xiàn)難加工材料超細(xì)長(zhǎng)深孔的鉆削和精加工，出現(xiàn)了大長(zhǎng)徑比的臥式深孔鉆鏜床
、深孔槍鉆機(jī)床
、深孔珩磨機(jī)床、數(shù)控三坐標(biāo)深孔鉆鏜床等新的深孔加工機(jī)床型號(hào)和機(jī)床結(jié)構(gòu)
。例如
，數(shù)控三坐標(biāo)深孔鉆鏜床應(yīng)用現(xiàn)代化數(shù)控技術(shù)和伺服技術(shù)，綜合外排屑系統(tǒng)和內(nèi)排屑系統(tǒng)以及DF
系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體和非回轉(zhuǎn)體類零件上的超細(xì)長(zhǎng)深孔鉆削，長(zhǎng)徑比L/d達(dá)400，鉆孔直徑范圍為6~32mm，最大鉆孔深度為2500mm。加工系統(tǒng)主要以內(nèi)排屑深孔加工系統(tǒng)(BTA系統(tǒng))為主，同時(shí)兼顧外排屑深孔加工系統(tǒng)（槍鉆系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)一機(jī)雙系統(tǒng)，擴(kuò)大了機(jī)床的工藝范圍，可根據(jù)生產(chǎn)需要選用
BTA鉆頭和槍鉆鉆頭。排屑系統(tǒng)采用負(fù)壓抽屑裝置(DF系統(tǒng))，解決了超細(xì)長(zhǎng)深孔鉆削
排屑困難問(wèn)題，減小了排屑系統(tǒng)的壓力，增大了鉆孔直徑范圍
，最小直徑可達(dá)6mm
結(jié)構(gòu)和控制采用直線導(dǎo)軌加三軸伺服控制，以實(shí)現(xiàn)主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的無(wú)級(jí)變速主軸轉(zhuǎn)速范圍為
200~3000r/min，刀具進(jìn)給速度為10~800mm/min，達(dá)到超細(xì)長(zhǎng)深孔鉆削的工藝要求
。
4.貴重金屬的套料技術(shù)
貴重金屬深孔套料技術(shù)以環(huán)形切削方式在實(shí)體材料上加工孔。加工后能留下料芯，可以節(jié)約材料
，減少機(jī)床的動(dòng)力消耗。深孔套料中要注意的主要問(wèn)題之一是切屑的控制和刀頭結(jié)構(gòu)的選擇
。通常采用理論建模和試驗(yàn)的方法
，研究典型貴重金屬材料（鈦合金、無(wú)氧銅
、鋁合金）的加工性能
，確定深孔套料刀具的結(jié)構(gòu)、刀片材料
、幾何參數(shù)和切削用量
，實(shí)現(xiàn)貴重金屬材料的套料加工。例如
，鈦合金材料的深孔套料加工
，套料孔徑為70~300mm
，料芯芯軸直徑為40~270mm.長(zhǎng)度為3000mm；無(wú)氧銅
(TU1)深孔套料加工，套料孔徑為
70~200mm，料芯芯軸直徑為40~160mm
