深孔加工技术工艺分析

陈俐华，武文革，于大国，赵慧瑜，韩爱东

中北大学机械工程学院

机械制造行业中，孔加工一般按照长径比分为深孔加工和浅孔加工。深孔一般指零件内孔的长度与直径之比大于5的孔，其几何特征决定了深孔加工是机械加工中难度较大的加工过程[1]。深孔加工具有以下工艺特点：在密闭条件下进行，不能直接观察刀具切削情况，排屑困难；
刀具系统长径比大、刚度低，切削时易产生振动、波纹和锥度，影响深孔的直线度和表面粗糙度，刀具耐用度较低。

深孔加工采用的切削运动有多种：工件旋转、刀具进给；
工件不动、刀具旋转与进给；
工件与刀具相对旋转、刀具进给；
工件旋转与进给、刀具不动，其中以第一种方式居多[2]。近年来，随着机械零件的复杂程度提高和难加工材料的不断使用，对深孔加工的需求不断增加。中北大学着力在难加工材料和异形结构深孔加工、精密高效深孔加工方面开展研究，西安石油大学在石油机械深孔加工方面也取得了较多成果，其他单位也推进了深孔加工的研究。

我国深孔加工技术的发展和普及相比于发达国家仍存在差距，部分深孔加工装备仍需依赖进口，拥有自主知识产权和核心技术的高端产品相对较少[3]，深孔加工的基础相对薄弱，因此加强深孔加工的研究势在必行。

由于浅孔的长径比较小，加工较为容易，可以采用麻花钻钻削、电火花加工以及线切割加工等方式，而对于深孔或者超长深孔加工，可选择的方法大幅减少。深孔加工刀具可按排屑方式分为内排屑和外排屑两大类，外排屑是切削液由钻杆中间进入，经钻头头部小孔喷射到切削区，带着切屑从钻杆外部的V形槽中排出。外排屑刀具包括枪钻、深孔扁钻和深孔麻花钻等；
内排屑是切削液从钻杆与孔壁的间隙处进入，靠切削液的压力将切屑从钻杆的内孔排出，内排屑刀具按加工系统不同，分为BTA深孔钻系统、喷吸钻系统和DF深孔钻系统[4]。此外，现有深孔加工系统更加重视排屑与冷却的平衡优化。近年来开发了一些新的特种加工手段，例如电火花加工、激光加工、电解加工及超声加工等。

2.1 大、中直径深孔加工

2.1.1 深孔枪钻

枪钻系统主要用于φ4～φ30mm孔的加工，是最常见的深孔钻削加工方式之一，适用于中小批量生产，枪钻系统结构见图1。

图1 深孔枪钻系统结构

国内外学者围绕深孔枪钻进行了大量研究工作。钱清等[5]针对某型发动机轴齿件深孔加工用枪钻进行优化，提高了孔的加工质量，满足了孔直线度和精度要求；
李亮等[6]研究了枪钻加工中螺旋形切屑成形的过程和影响因素，通过改变切削速度、进给量和油压，分析了不同工艺参数下的切屑变形规律；
Kondratenko L.等[7]对深孔钻削过程进行了研究，确定了切削钻头纵向和扭转振动的数学关系，揭示了热流脉动对摩擦系数和切削力的影响规律；
Neo D.等[8]提出采用多晶立方氮化物(PCBN)枪钻，以解决工具耐用性和孔径差问题；
Zhang X.等[9]设计并开发了定制枪钻再研磨系统，集成了现场枪钻测量系统，从而获得具有精确控制的刀具几何形状的高质量枪钻。

2.1.2 BTA钻

BTA钻是由欧洲“钻镗孔与套料加工协会”推出的三种规范化深孔钻头的总称(BTA实体钻、BTA扩钻和BTA套料钻)，主要用于钻削加工直径大于12mm的深孔，是大批量、高负荷连续深孔加工的首选刀具之一。BTA钻系统结构见图2。

图2 BTA钻系统结构

张煌[10]建立了新型三导向条的刀具与工件系统动力学模型，并验证了新型三导向条刀具的优势(见图3)；
吴竹兵等[11]建立了工件的动力学模型，运用梁理论得到工件的自由振动方程，利用MATLAB拟合分析在不同切削位置、主轴转速和进给量情况下的工件振动偏移量；
龙军城等[12]研究了BTA深孔加工中减振导向块的作用及减振导向块位置对BTA深孔加工精度的影响；
苗鸿宾等[13]对BTA钻杆系统偏心运动的控制方法进行了研究，分析了钻杆系统的偏心运动方式和受力情况，提出了压电主动控制方法；
Li X.等[14]基于斜切削理论建立了新的钻削力模型，用于预测错齿BTA深孔钻的推力和扭矩。

图3 优化三导向条刀具

2.1.3 喷吸钻

喷吸钻加工是一种高效深孔加工方法，其结构见图4。所加工孔的精度在IT9级～IT11级，加工表面粗糙度为Ra3.2μm～0.8μm，其所加工孔的直径一般不能小于18mm。陈建兵等[15]设计了多深孔不锈钢轮体加工工艺，并结合实际加工过程分析了深孔加工的影响因素。

图4 喷吸钻结构

2.1.4 DF深孔钻

DF深孔钻同时具备了BTA钻和喷吸钻的优点，使钻削直径范围增大(最小直径达φ6mm)，加工精度和效率提高，DF深孔钻系统结构见图5。

1.工件 2.钻头 3.钻套 4.输油器 5.钻杆 6.钻杆夹头 7.前喷嘴 8.抽屑器 9.后喷嘴

董振[16]在DF系统的基础上进行了油路改造，通过加装脉冲控制器实现油压及流量的脉冲控制，系统方案见图6。

图6 脉冲式DF系统方案

庞俊忠等[17]针对深孔加工中排屑难及效率低的问题，设计出一种刀具旋转的DF钻削系统；
潘杰[18]针对DF系统进行了结构优化和功能完善，设计出集成在线监测功能的旋转DF钻削系统；
高伟佳等[19]根据深孔加工技术、高速切削技术和流体机械知识，设计出一种在高速运动中能够保持平稳钻削和实现高效排屑的深孔钻，为以后新型深孔钻的设计与研究提供了新思路。

2.2 微小深孔加工

电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工，加工原理见图7。

图7 电火花微小深孔加工

任丽娟[20]针对电火花加工中的问题设计了圆锥阶梯形超声变幅杆，利用模态分析及谐响应分析研究了满足加工需求的模态振型，并确定了合理的振幅放大倍数，所建立的变幅杆三维图见图8。

图8 圆锥阶梯超声变幅杆三维模型

蒋毅等[21]制备了符合电火花加工要求的多孔质电极并搭建实验系统，对多孔质电极在深孔条件下的电火花加工性能进行了实验研究；
周明等[22]针对熔点高、难切削材料，研究了超前两步控制策略的双变量自适应控制系统，证明了双变量自适应控制电火花加工的强大加工能力；
徐佩等[23]结合电火花高速小孔加工的特点，提出解决电火花小孔加工偏心问题的措施；
Yang F.等[24]采用电化学加工(ECM)，建立了电解加工间隙的电场数学模型，模拟了渐变异形深螺孔的电场分布；
Cao Zhongli等[25]提出了采用连续冲洗和间歇供氧(即内喷射气溶胶介质烧蚀)的孔加工方法，该方法使加工表面具有优异的表面质量和较高的加工精度；
Wang Y.等[26]提出了将电化学加工(ECM)和激光束加工(LBM)的优点相结合的混合加工工艺——同步激光和异形管电化学加工(激光杆)，证明了提高激光功率、脉冲电压和进给速度可以提高加工效率和加工精度。

超声加工是由超声波发生器将工频交流电能转变为一定功率输出的超声频电振荡，换能器将超声频电振荡转变为超声机械振动，通过变幅杆放大振幅，驱动工具电极作超声振动，加工原理见图9。

图9 超声加工微小深孔

Natsu W.[27]对加工液施加超声波振动，并对加工速度和电极消耗进行了实验调查，发现了提高加工特性的条件；
Kong Wenjun等[28]将超声波引入电火花加工中，对气泡运动过程进行了模拟，提高了加工效率；
Liu Y.等[29]建立了侧面冲洗和超声振动辅助加工的方法，保证了加工质量，提高了加工过程的稳定性和加工效率。

3.1 检测技术

目前深孔加工过程中常采用卡尺测量或人工打表等方法。检测深孔直线度误差的方法有塞规检测法、游标卡尺两端壁厚检测法和杠杆法。无论是在线监测技术还是孔加工后的检测技术都还有很多不足，国内外研究人员对此进行了大量研究。

陈振亚[30]试验了多级喷射结构，为减小深孔加工直线度误差提供了新思路；
刘洲等[31]开发出在线自动检测与加工一体化装置，极大地降低了工人劳动强度，提高了定心精度和工作效率；
李瑞成[32]提出了一种在线连续实时检测的新方法，达到了有效预先检测与控制孔轴线偏斜的目的；
Shen Xingquan等[33]设计了一种后置式深孔加工在线检测及纠偏装置；
Si Y.等[34]对深孔钻削过程中产生的主轴振动信号进行了研究，以寻求能够反映误差变化的特征；
Thanikasalam A.等[35]对深孔钻削过程在线状态监测技术进行研究，借助加速度传感器、热变形模式(TDP)和刀具振动来预测刀具状态；
Kozochkin M.P.等[36]研究了电火花加工过程中使用振动声信号监测放电脉冲效率的可能性，给出了不同频率范围内坯料动态特性变化和放电加工背景噪声对震动声信号参数影响的数据。

3.2 控制技术

大量学者针对深孔加工轴线偏斜、深孔切削振动等问题进行了研究。

(1)偏斜抑制方法

赵荣[37]针对通孔、盲孔加工中对刀具功能的要求，设计了一种内扩孔镗刀，阐述了自导向及其防振功能(见图10)。

图10 内扩孔镗刀三维实体模型

李少敏[38]经过对现有方案的分析总结，建立了求解深孔轴线直线度误差的基础模型，并在此模型的基础上提出四种评定方案；
鲁绪阁等[39]结合BTA深孔钻削机理的分析，对工件非回转方式下常用的深孔钻削方式提出了改进，有效控制了加工孔轴线的偏斜；
于大国[40，41]研究了使用油膜定位和引导深孔钻的方案，提出了利用切削液消除或减少深孔钻偏差的技术措施。

(2)振动抑制方法

制造业的发展需要性能更好、加工能力更强和加工精度保持性更好的高速高效刀具。提高刀杆切削稳定性、降低刀杆振动已成为学者研究的重要课题。刀具减振技术主要分为主动减振技术、被动减振技术和半主动减振技术。

孟凡冲[42]设计了非线性减振槽双层镗杆结构，阐述了非线形减振槽利用阻尼技术的减振机理；
魏杰等[43]基于磁流变液的工作原理设计了剪切阀式磁流变阻尼器，用于抑制深孔切削中的振动；
Zhang Huang等[44]基于磁流变液阻尼的工作原理，设计了用于深孔振动抑制的挤压式磁流变液阻尼器；
孔令飞等[45]运用动力学半解析法，结合Newton-Raphson迭代法，给出了深孔圆度形貌形成轨迹的数学描述以及深孔刀具动态特性与加工孔圆度形貌之间的关联关系，通过数值算例验证了提出方法的可行性；
邱泉水等[46]设计基于流动和剪切混合工作模式的电流变减振器，通过控制电流变减振器的电场强度有效地抑制了深孔机床中切削颤振的发生；
张继明等[47]采用PLC调节顶紧力的大小，提高了高速深孔加工效率与稳定性；
张煌等[48]设计了一种复合式智能深孔加工减振器，可以有效抑制深孔钻杆振动，提高了深孔加工精度，对实现高档深孔机床的智能数字化控制具有实际意义。

3.3 工艺研究

针对深孔加工的精度问题，很多学者对深孔加工的工艺进行了研究。王继明等[49]针对动车车轴加工过程中轴线偏斜、孔粗糙度大等问题，对加工工艺及装备进行了研究，加工实物见图11。

(a)钻深孔

(b)深孔珩磨

田春雷等[50]提出了设计专用夹具、改进找正方法和改进深孔镗刀三项措施，成功解决了深孔断续切削不稳定问题；
王宁[51]运用PDCA法进行分析并改进加工工艺，使被加工工件满足了设计要求，提高了生产效率；
孔博等[52]选用超长防振快速更换刀头的镗刀杆，通过改进加工工艺路线为深孔加工提供了一种解决方案；
李敬伟等[53]设计了一种旋转夹具，实现工件一次装夹完成两偏心深孔的高精度加工，提高了加工效率，降低了生产成本。

随着工业化进程的不断推进，深孔加工的应用也扩展至航天、石油和军工等领域。韩子琦[54]以发动机曲轴斜油孔加工为例，详细论述了半干式加工(MQL)的作用、硬质合金涂层刀具的特点以及硬质合金钻头配合半干式加工技术在小径深孔加工中的应用；
刘景景等[55]针对某大型飞机轴类零件深孔加工表面粗糙度差、轴线偏差和切屑不易控制等问题，进行了Ti6Al4V钛合金枪钻加工试验；
刘扬等[56]研究了零件端面深孔及偏心斜深孔的加工方法，尝试采用立式加工中心及坐标镗床来实现偏心斜孔及深孔的加工；
Wang M.等[57]研究了超声振动辅助下的不锈钢微孔钻削，比较和讨论了圆柱形和圆盘形阴极，以及有无刀具振动的钻孔情况。

随着深孔加工所用枪钻、BTA钻、喷吸钻及DF钻等不断发展完善，以及刀具材料和结构、导向块布置、排屑装置不断优化，深孔加工逐渐向高效率、高精度和高可靠等方向推进，现代深孔加工机床正朝着高精度、高效率、智能化和模块化的方向迅速发展。然而，近几年在深孔加工领域，并没有出现创造性的新型加工设备。为了满足多品种加工的需求，模块化可重构深孔机床是未来研究的重要内容之一。

由于常规深孔加工不易完成难加工材料、特殊复杂型面及微小深孔的加工，因此特种加工技术(激光、水射流、电火花和电解深孔加工等)也为深孔加工技术开辟了新的发展领域[58]。随着人们环保意识的增强，切削液的绿色环保特性日益受到重视，绿色环保型切削液的开发和应用将成为深孔加工乃至整个机械行业的重要发展趋势。

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