高精度深长孔加工方法.docx

1、高精度深长孔加工方法学 院: 机械工程学院 专业班级:学 号:姓 名:高精度深长孔的精细加工一、历史背景枪钻与内排屑深孔钻两种加工孔的刀具分别出现于20世纪30年代初和40年代初的欧洲兵工厂，这并非历史的偶然。其主要历史背景是：一次世界大战19141918年首次使战争扩大到世界规模。帝国主义列强为瓜分殖民地而需要大量现代化的枪炮特别是枪械和小口径火炮的需求量极大。而继续使用传统的扁钻、麻花钻、单刃炮钻，已经完全不能满足大量生产新式武器的要求，迫切需要进展根本性的技术更新。于是高精度深长孔的制造就成为了一个摆在制造者面前的一个首要问题，并且一直延续到了现今。第一次世界大战中的火炮二、传统加工工艺

2、与存在的问题在现代机械加工中，也经常会遇到一些深孔的加工，例如长径比(L/D)10，精度要求高，内孔粗糙度一般为Ra0.40.8的典型深孔零件，过去我们采用的传统工艺路线一般是：钻孔(加长标准麻花钻)扩孔(双刃镗扩孔刀)铰孔(标准六刃铰刀)研磨此工艺虽可达到精度要求，但也存在诸多缺点，特别是在最初工序采用加长麻花钻钻孔时，切削刃越靠近中心，前脚就越大。假如钻头刚性差，如此震动更大，外表形状误差难以控制，加工后孔的直线度误差，钻头易产生不均匀的磨损等现象，生产效率和产品合格率低，而且研磨抛光时，工作环境比拟脏，由于钻孔工序的缺点，而带来的影响难以在后面的工序中克制，形状误差不能得以修正，因此加工

3、质量差。传统深孔的加工流程三、工艺路线与刀具的改良本着提高生产效率提高产品合格率的原如此，结合深孔加工的一些特性，对加工工艺与刀具进展了改良，改良后的工艺路线是：钻孔(BTA钻)扩孔(BTA扩)铰孔(单刃铰刀)研磨1、钻孔与扩孔刀具与工艺的改良单管内排屑深孔钻的由来单管内排屑深孔钻产生于枪钻之后。其历史背景是:枪钻的发明，使小深孔加工中自动冷却润滑排屑和自导向问题获得了满意的解决，但由于存在钻头与钻杆难于快速拆装更换和钻杆刚性不足、进给量受到严格限制等先天缺陷，而不适用于较大直径深孔的加工。如能改为内排屑，如此可以保持钻头和枪杆为中空圆柱体，使钻头快速拆装和提高刀具刚性问题同时得到解决。20世

4、纪内排屑深孔钻的开展，可概括出以下6项里程碑式的成果：单出屑口单管内排肩深孔钻根本结构的形成。用硬质合金取代工具钢和高速钢做切削刃与导向条，使加工效率大幅度提髙。由单出屑口单切削刃开展成双出屑口的错齿结构。错齿焊接式结构进一步开展为硬质合金刀片机夹结构，最后开展为机夹可转位涂层刀片结构并实现了专业化制造。双管喷吸钻和DF系统喷吸钻的问世。SIED抽屑器和SIED刀具系列的发明。最初的内排屑深孔钻结构有三种模式。图是由双刃麻花钻演变而成的内排屑莫尔斯钻头。为了易于排屑，在麻花钻的对称切削刃后刀面上磨出间隔有序的分屑刃。这种钻头的柄部由于和刀杆同属圆柱体，可以很方便地实现可快速拆装的方牙螺纹连接。

5、为了保持钻头与钻杆的同轴度，同时在受力情况下有足够的结合刚度，在连接螺纹的前后方各设一个互一样轴的短圆柱面俗称“制口。这种可拆卸的钻柄结构，一举克制了枪钻与钻杆不可拆卸的弊端，成为内排屑深孔刀具柄部的通用模式。图为一种比莫尔斯钻更加完善的内排屑深孔钻头又名“维列梅丘克整体深孔钻。钻头由整体的合金工具钢或高速钢制成，其切削刃部继承了枪钻的单边刃自导向结构，柄部如此借鉴了莫尔斯钻头和枪钻：当钻头直径大于22mm时采用方牙螺纹连接;钻头直径小于等于22mm时采用钻柄与钻杆对焊。这种钻头曾采用两种分屑方法以克制排屑故障：图2.2(a)为在后刀面磨出分屑刃(二三个；图2.2(b)_为在前刀面磨出分削刃，

6、其中前者应用最多。直到20世纪末,我国和国外一些兵工厂都仍有其应用，可认为它是现代内排屑深孔钻的原创结构。这种内排屑深孔钻的最大缺点是制造本钱高，而且工效低(平均切削速度不超过20m/min)，不易重磨。到二战后期的1942年,德国人Beisner设计出一种带3片硬质合金镶片(一片为切削刃，其余2片为导向条组成的单出屑口内排屑深孔钻(图2.3)。其外刃后刀面上磨出一二个分屑刃，外刃前刀面磨有断屑台。钻头有一个封闭的空腔，后部有制口和方牙螺纹，与钻杆相应的外制口和外方牙螺纹构成快速连接副。直到Beisnei钻头的出现，内排屑深孔钻都是单出屑口的结构。这种内排屑钻头的明显优点在于钻头和枪杆的快速拆

7、卸功能和远大于枪钻的刚度，因而可以采用更大的进给量，工效高于枪钻。但在实际应用中很快就暴露出以下各种缺陷：钻头出屑口通道面积不足，对切屑的宽度和形态要求苛刻，必须根据工件材质的变化刃磨出与之相适应的断屑台高度、宽度和过渡圆角R，使切屑成为“C形，并且_屑宽度不大于钻头直径的1/3。曾经有不少史料报道过这种单出屑口的内排屑硬质合金深孔钻的极限加工记录(例如，最小钻孔直径达令6mm，达到的钻孔深度超过孔径的300倍等。但是，这些实验记录与生产实践中的应用效果并不能相提并论。要求操作人员根据不同的工件材质、钻头直径、进给量大小相应地控制断屑台尺寸参数和分屑刃参数，并且在切削刃重磨时，保持断屑台的参数

8、不变，这在实践中几乎是行不通的。基于上述原因，当时欧洲的跨国研究机构“钻镗孔与套料协会对这种内排屑钻头加以总结后，推出了由双出屑口单管内排屑深孔钻和扩孔钻、套料钻三种内排屑深孔刀具组成的BTA刀具系列。20世纪60年代后，BTA刀具根本上由瑞典SANDVIK/COROMANT公司独家生产，单出屑口的实体钻结构一律由双出屑口结构取代，又称为STS(Single-TubeSystem,单管钻钻头。STS钻采用18.465mm焊接刀片结构，65180mm的大直径钻头采取机夹可转位刀片的组装结构，分别见图2.4(a)、2.4(b)。焊接刀片型BTA钻原来为可重磨式，其切削刀片和导向条较长。但由于断屑台

9、的刃磨涉与工件材质、进给量等复杂因素，加上刀具为错齿结构，中间齿的切削刃与其他齿的切削刃不在一个圆锥面上(关于这方面的论述，详见本章以下各节，因而一般企业用户根本不具备重磨条件，不得不在一次使用后尚可重磨的情况下将钻头报废。20世纪80年代后，这种焊片式钻头一律改为短刀齿的一次性使用Disposible)产品。BTA扩钻由BTA实体钻所派生，其排屑方法与实体钻一样。BTA扩钻的主要用途是对工件已有的粗孔无缝管孔、铸孔等进展加工，也可对已钻出的较小孔进展扩大。目前，以商品形式提供的BTA扩钻，一律采用机夹可转位刀片型结构,仅有一片刀齿，见图2.5。直径大于100mm的扩钻，如此设计成一种结构更复

10、杂的直径可调式机夹结构。图2.6为BTA套料钻，其直径为120250mm,可套出料心32.5142.5mm,全部为机夹可转位结构。套料钻用于在大型棒料上钻出120mm以上的深孔。2、BTA刀具的工作原理单管内排屑深孔机床的根本配置见图2.7。不论是实体钻、扩钻或套料钻，都采用一样的供油和排屑方式。钻头的柄部有方牙螺纹与钻杆相连接。具有一定压力的切削液进人输油器5后通过钻杆外部的环状空隙流向切削刃部钻杆与输油器的右端有密封，将切削刃上形成的切屑反向压人钻头的出屑口，经钻杆的中空内腔向后排出，直至积屑盘。切削液经过滤网回落到油箱中，经过假如干层过滤网后，重新被供油泵抽出，反复使用。20世纪70年代

11、以前，内排屑深孔钻床主要用于加工管形工件，绝大多数深孔机床属于主轴带工件旋转、刀具进给或刀具与主轴反向旋转工件进给的运动方式。80年代以后，在固定工件上钻系列孔、坐标孔的事例越来越多，工件固定、刀具旋转并进给的内排屑深孔机床已经很常见。图2.8(a)、(b)、(c)分别示出BTA实体钻、扩孔钻和套料钻的供油和出屑情况。图中箭头表示切削液进人通道和切屑排出通道的走向。图2.9为输油器(或称油压头的示意图。输油器是内排屑深孔钻床上一个十分重要的部件也称辅具，它同时要承当以下三项重要功能。将高压切削液输向钻头切削刃，以完成冷却、润滑和排屑三重使命。由图可见，切削液从输油器中间的孔口进人空腔后，由于其

12、右方是封闭的，切削液只能向左通过钻套与钻杆之间的环状空隙和切削刃与导向条之间的空隙流向切削刃部，然后将切屑以反方向推入钻头出屑口，进人钻杆内腔并向后排出。对工件定心和实行轴向夹紧。对钻头进展导向。以上、两项功能一般都由钻套来完成。钻套的外部与车床的尾顶尖相似，通常加工成60锥面，而内腔为钻头导向孔。钻套的内外径须高度准确同轴，轴的中心线与主轴中心严格保持一致。钻套孔与钻头之间的间隙必须严格控制。这种兼有工件后顶尖作用的导向套，又称空心顶尖，是棒料毛坯钻深孔时常见的一种定位和钻头导向方法。采用这种定位方法的棒料，在钻深孔之前一般应先切平端面，预钻顶尖孔并粗车外圆，以保证在工件旋转情况下不发生振摆

13、。推荐采用图2.10所示三种顶尖孔型式之一。当工件过重、过长或弯曲度较中心架大时，不适于采用带有外锥的空心顶尖。常见的对策有两种：工件钻人端支承在中心架上，用带有平头端面和密封环的钻套顶紧工件的端面图2.11)。工件旋转时，钻套也随之旋转。采用本方案时，工件的后端必须切平，与中心架接触的外圆局部应先行预车。将工件钻人端的外部车出60锥面，在输油器前端相应置带有60内锥的定位套，见图2.12。钻套内径与钻头之间的间隙，对深孔钻切入阶段的正常工作有重大影响，间隙过大还会加大钻头走偏。根据国内外的实践经验，对于50mm以下的钻头，新钻头与新钻套之间的直径差应不大于0.01mm;已磨损的钻套，其直径的

14、最大磨损量应控制在0.005mmX围内。50rnm以上的钻头与新钻套之间的间隙应不大于0.02mm,钻套的直径磨损量应不大于0.01mm。为此，应从钻头直径和钻套内径两方面加以保证。50mm以内的钻头，其直径公差不大于0.005mm,50mm以上的钻头不大于0.01mm。钻套内径一般经研磨而成，新钻套的内径应允许尺寸为钻头直径上限的柱塞规刚刚能通过。钻套的内外径应严格同轴。般是先研出钻套孔，再以孔为基准，套在锥度心棒上磨出外圆。输油器后端与钻杆的密封也很重要。除了保证切削液不泄露这一根本功能以外，密封件实际上还起到钻杆辅助支承的作用。密封件因磨损而必须与时调节或更换，当更换不同直径的钻杆时，需

15、相应地换装不同直径的密封件。因此，换装密封件是否方便快速，将直接影响机床的工作效率。装配好的输油器，其钻套中心线应与机床主轴的回转中心严格保持一致。在深孔钻削工序的精度指标中，钻孔偏移量常常是受普遍重视的一项技术指标。对于缸体类零件来说，走偏量越大，工件毛坯的外径必须按走偏量的2倍增大其毛坯余量，否如此将会导致零件报废。对于其他形体的零件来说，深孔的位置误差超标，其后果将涉与所有已加工工序和毛坯的本钱全部损失。因此，在工艺上应力争减小钻孔走偏量。对于产品设计者来说，应要求对深孔钻削的钻头走偏问题有根本的常识，在制订技术要求时应力求切实合理,必要时应与工艺人员共同磋商，最终找到既保证产品性能质量

16、要求，工艺上又切实可行的解决方案。钻孔的偏移量一般以mm/m为单位计算。内排屑深孔钻的平均加工精度等级X围，主要受工件材质的影响。硬度HB200以下的一般钢材，加工精度为IT8IT10;HB200以上的调质钢，加工精度略高一些。但如果是超深孔，钻头直径的磨损量会使孔径尺寸变化X围增大。灰铸铁和球墨铸铁的钻孔精度与钢材相当，铝合金的加工精度为IT71T9。当深孔的尺寸精度超过IT8时，需要在钻孔之后进展后续的精加工。2、铰孔工艺与刀具的改良多刃深孔铰削有推铰、拉铰两种不同方式。20世纪50年代以前，曾经在枪管和小U径炮管制造中使用过推铰方法。由于刀杆过细而氏径比极大，刀杆易丁变形并发生振动，会降

17、低工效和加工质量。50年代中期后，普遍采用拉式铰刀。因其采用的切深和切削速度比推铰刀高出很多，生产中称为“高速拉铰刀由于拉铰刀是多齿孔加工刀具，加工过程中根本遵循已有孔的轴线方向，而不能修正已有底孔的位置度误差。经拉铰刀加工后的深孔，虽然可以达到满意的尺寸精度和圆度，但不能纠正孔的偏斜和弯曲度。如孔的弯曲度较大,需要用校直方法与时加以修正。自导向式单刃深孔铰刀是从枪钻开展而来的一种高效深孔精加工刀具,在我国通称“单刃铰刀，20世纪70年代以来广泛应用于的760mm深孔的半精加工和精加工。当加工精度要求不很高时，其功能与BTA扩钻相近,但刀具寿命比BTA扩钻高得多。单刃铰刀与自导向深孔钻头在外观

18、上的明显区别是前者采用加长切削刃和加长导向条。铰刀结构有机夹可转位刀片式和焊接式两大类。机夹式单刃绞刀用于415mm以上深孔。其刀片可以磨成双面可转位式，或单面的径向尺寸可调式。导向条可以为机夹式，也可以为焊接式当直径较小时，见图4.5(a)。焊接式单刃绞刀适用于小直径深孔或小批量生产，见图4.5(b)。单刃铰刀适用于通孔的二次加工,孔的长径比可达100以上。由于有自导作用，能修正底孔已有的弯度和圆度误差。铰孔后的外表粗糙度Ra，依底孔状况、工件材质、切削刃几何形状、刀片材料与切削用量的不同,可达1.60.4um,孔圆度可达0.0030.008mm，圆柱度可达0.005mm/100mm，铰孔精

19、度可达IT7IT8。由于是在已有通孔中加工，单刃铰刀可采取两种不同的排屑方式：当使用实心刀杆时，从刀杆和铰刀外部供油，切屑沿未加工孔向前排出；当使用空心刀杆时，切削液从刀杆内部供人，冲切屑向前排出。在后一种情况下，油压不宜过高，以防止产生振动。单刃铰刀可用于加工各种不同的材质。与工件材质相应，刀具材质可采用硬质合金、涂层刀片、陶瓷刀片、CBN或金刚石。同其他自导向刀具一样，单刃铰刀在切入工件前必须靠刀具导向套进展导向。导向套内径的要求同枪钻和BTA钻。刀杆、导向套和铰刀切削刃部的轴线应严格同轴，否如此会降低加工孔的圆度并使加工粗糙度增大。用于单刃铰刀加工的机床尚无专业化产品规格，需要由用户自行

20、设计或改造已有设备，也可以利用现有深孔加工机床。在配置机床设备时，应首先区分以下两种不同的生产条件：当产品对象的孔径尺寸X围不大，又有足够大的生产批量时，可采取旧机床改造或自行设计专门化用途的机床。机床应满足下面一些根本要求：机床主轴转速X围应满足最小铰孔直径的要求和必要的变速级别；机床功率应符合最大孔径的加工要求；机床应配置流量足够的液压系统，液压为2MPa左右即可。如用于多品种、中小批生产且绞孔直径变动X围较大的场合，可利用现有深孔钻床。排屑方式可采取从刀杆外部进油、向前排屑，或从刀杆内部进油、向前排屑。如自行设计，主轴最高转速应不低于5000r/min,并应有良好的动态性能。机床应具有与

21、双管喷吸钻相当的切削液系统。总之，单刃铰刀的突出优点是工效高比多刃深孔铰刀高35倍、具有自导向功能，结构较简单，刀具寿命高，并能适应各种材质的加工。其不足之处是：切削刃的刃磨不易掌握；因切深X围太小(但与普通多齿铰刀相比，其切深如此大得多而对预制孔的精度有依赖性。对于大中直径深孔我们推荐采用镗削加工，镗削类似铰削也分为拉镗和推镗，具体内容不再展开。3、研磨工艺的改良珩磨是磨料加工的一种独特方式。最早应用于汽车发动机汽缸等浅孔的精加工,其后应用于加工炮管，液压(气压缸等深孔零件。珩磨与内圆磨削都属于磨料加工，但在所用工具、工件与工具相对运动方式与加工效果诸方面都有很大差异。图4.22为珩磨加工示

22、意图。其中图a)为采用多根珩磨条，图b为采用单个珩磨条的加工情况。不论属哪种情况,珩磨头都是以珩磨前的已有底孔为基准进展定位和导向。珩磨条以一定的X力压向孔壁。珩磨头与工件的相对运动方式有三种：工件旋转，珩磨具往复做直线运动。工件与珩磨具相对旋转，珩磨具做往复直线运动。工件固定不动,珩磨具边旋转、边做往复直线运动。珩磨笨重或大尺寸的工件、非回转体工件或浅孔时，多用第3种运动方式，一般采用立式珩磨机床。珩磨管件上的深孔时，可用前两种方式。当工件很重或外径很大时,最好用第2种运动方式。由于珩磨条(或称“油石Stone)与被加工孔壁为面接触，通过以上相对运动，获得的孔壁切削纹路为互相交叉的细密交织的

23、螺旋形网状纹路,见图4.23。珩磨加工的特点可概括如下：可修正除轴线偏斜(对于管形工件,为同轴度误差以外的底孔各种误差和外表缺陷图4.24)。因此，珩磨对各种状态的底孔有很宽的适应性。不仅经过钻、扩、铰、镗、磨削的孔可通过珩磨继续提高其精度和外表质量，在特定情况下，铸孔、冲孔后也可以进展珩磨加工。用于大余量加工例如铸孔或热轧无缝钢管时,孔直径上可切除6mm以上的余量；用于小余量加工时例如精镗后的液压缸，珩磨余量可小至0.150.20mm。珩磨对预制孔的这种适应性，首先是由于珩磨条直径尺寸的可调整性。珩磨前，先将珩磨头直径按预制孔的下限调好。由于珩磨条受X力后，紧靠孔壁上的干预点率先将其磨除，孔

24、径渐次增大并与珩磨条的接触面积增大，孔壁的误差得到不断修正，外表质量也逐渐趋于完善。其次，珩磨头与拉杆之间由于采用铰接方式,珩磨头得以沿底孔往复自如地游动，使原有的误差逐渐消除而达到比拟理想的圆柱孔。但应指出，用珩磨法修正长径比很大的弯曲孔是不适当的。这样的深孔最好先行校直，或在粗珩之后进展校直，然后进展精珩。否如此会无端地加大加工本钱。同轴度误差大的管坯不能靠珩磨消除其壁厚差，但可以在珩磨之后，以孔为基准迸行外圆加工，最后得到同轴度合格的精细管件。原如此上，只要能实现三种深孔加工方式，具有一般精度和冷却润滑系统，能满足珩磨所需功率和加工深孔所需要的长度，这样的机床都可以用于深孔珩磨，或改装后

25、用于珩磨。深孔珩磨常用深孔钻床、深孔钻镗床和专用的深孔珩磨机床，也可用车床改装。除带有微小深孔的零件可用立式珩磨机或立式钻、摇臂钻、专用立式珩磨机)外，深孔珩磨机床一般为卧式。选用或改装珩磨机床时，应以如下参数为依据：工件孔径，孔深，工件外廓尺寸与质量；珩磨余量,对珩磨的精度、加工粗糙度要求，珩磨头结构；工件产量批量和品种；所需切削液的冷却润滑系统、净化方式，并同时考虑采用何种尺寸控制方式。对衍磨过程的监控主要涉与直径测控以与对磨条压力的监控和调节。至于对孔壁外表完整性的质量保证，主要是通过正确选择磨条材料、粒度、硬度，通过试加工拟订出规X的操作规程来实现。在实际生产中，采用中断加工、手工检测

26、的方法对孔径尺寸进展控制，仍然是普遍使用的方法。但对于现代化大批量生产，就显得落后。停机测量不仅会降低工效、增加加工本钱,而且易于产生废品。采用在线自动检测，当达到合格尺寸时发出信号或自动停机,就可以有效地解决以上问题。巳用于生产的自动检测方法有：塞规式传感器自动控制如图4.28所示，在被珩孔的末端安装一个尺寸可预先调整的柱塞式传感头4。传感头的直径相当于“过规，当孔直径略超过下限时，过规即可进入孔内。传感头预先安装于与孔中心同轴的位置上。珩磨头每往复一次，传感头自动试测一次。如孔的直径达不到规定要求,传感头不能进入并随即后退，信号不显示；当珩磨尺寸到位时,传感头进人孔的末端，传感器发出信号,

27、机床自动停止并准备进入下一个工作循环。“两点定径式塞规检测器如图4.29所示，在珩磨刀杆上加设一个可以自由转动和沿轴移动的环状塞规。塞规的孔与刀杆为精细配合副。塞规的工作局部为阶梯形，前小后大。塞规的后部为一圆盘。每珩磨一个往复行程，塞规就向已加工孔进展一次试塞。当孔径尺寸逐渐增大，达到设定的“进给终止尺寸时，塞规前端较小直径局部进人孔中此时，塞规较大直径局部仍不能进人，塞规后部圆盘3同时与传感器的第一触点4相触,此时珩磨头获得信号“停止径向进给,继续往复以完成修整性加工。当第一触点4发生信号后，传感器杠杆6自转180,第二触点5到达原第一触点所在位置。当采取不进给珩磨使孔径扩大到规定尺寸时，

28、塞规的较大直径也进入孔口，此时圆盘与传感器的第二触点接触，油石自动缩回，珩磨头退出工件,机床停止运转。气动电子测头检测器此法与第一种相近。差异在于所用的气动测规，每当珩磨头往复一次都进入孔内一次。起初孔径较小，气压偏大；随着孔径变大，气压逐渐降低。当孔径达到相当于“进给中止尺寸时，气压也回落到某一特定值。此时转换为电子程序控制，直到孔径合格后，珩磨过程自动停止。当大余量珩磨时多见于浅孔珩磨和钢管珩孔，常常需要对油石的压力进展控制。主要目的在于交替地实行定压进给和定量进给，使油石不发生“塞实而经常处于正常工作状态。一方面，可以使油石的X力达到最优状态并提高珩磨效率，另一方面又能使油石的使用寿命延

29、长且不损伤孔壁。图4.30为一种电控油石X紧力的珩磨头示意图。在控制油石伸缩量的心杆2后部，有方牙螺母套3(2与3为一体，它与电控X力系统前端的方牙阳螺纹4构成差动副。阳螺纹4受其后部交流电动机5和直流变速电动机6双方的驱动。交流电机的作用是快速将油石X开使其与孔壁接触。之后，交流电机停止转动；此时具有变速控制功能的直流电机继续使油石按要求的压力级别X紧油石，直到达到规定的孔径尺寸为止。四、结语深孔加工装备是机械制造装备机床工具门类中的一个重要组成局部。现代深孔加工技术的崛起，为制造装备行业增添了深孔机床、深孔刀具两个专业化的装备制造行业和一个以专门加工深孔零件为特色的制造行业。它们的历史贡献在于将深孔加工这门新兴技术推广应用于国民经济建设的各个领域，为社会的现代化开展增添了新的生命力。技术的生命力在于其本身不断随社会的进步而更新。技术更新的标志，不仅表现于它的新颖性和创造性，还应最终表现于相应技术装备功能的更加完善而价格更为低廉，能迅速转化为社会生产力，相信在2025中国制造的大背景下，我们的机械行业可以更加朝气蓬勃，在不断完善自身的同时于各个领域发挥应有的作用。