大深径比深孔加工工艺研究
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【摘要】在机械零部件的加工制造中，对于深孔的加工，一直是加工制造业中一项困难性高、操作复杂的任务。尤其在大深径比的深孔加工中，其加工工艺要求较高，技术性较强。本文以大深径比的喷嘴类零件深孔加工研究为例，对其加工工艺进行分析，对深孔加工的工艺设计方案进行较为细致的探讨。
【关键词】深径比；深孔；加工；工艺；研究
深孔加工对加工的工艺和技术要求都很高，一般的加工技术很难满足其加工精度和质量的要求。对于深孔加工，通常是指孔的长度和直径的比值至少要在5以上，在实际工作中，很多深孔的长度和直径的比都要达到10以上，涉及的加工工艺和技术要求更高。对于大深径比的深孔加工，其加工的刀具因为比较细长，在刚度上也较差，极容易出现切削的偏斜，而且因为孔深较大，给散热也带来相应的困难，不容易排屑等问题都会对加工质量产生直接的影响，产品合格率较低，给加工带来很大的压力。本文以用于航空发动机的某喷嘴类零件为例，对其加工方案的设计和加工工艺进行研究分析。
1、加工概况
本文研究实例是一个用于航空发动机方面的喷嘴类零件，加工材料为GH4169，其孔的长度和直径的比为17，孔长度为105mm，孔直径为Φ6mm，是典型的大深径比深孔加工的零件属于加工困难的高温合金孔。同普通的钢材相比，深孔加工更具有难度，其对刀具的磨损较大，刀具的寿命仅为普通钢材加工的一半，而且在工作效率上也很低，因为多方面的负面影响，使其加工的成本比普通钢材要高很多。
对于大深径比的高温合金深孔加工其难点主要有：第一，因为刚度较高，其需要的切削力增大，机床加工功率也大，增加了能量的消耗；第二，深孔的切削加工，其加工环境属于半封闭的状态，在切削的过程中产生的高热无法及时的发散，同时产生的切屑也无法及时排出，热度的双重增加作用，是切削刀具的磨损更加厉害，大大影响其使用寿命和加工质量，因此要注意对切削刀具材料的选择；第三，对于高温合金深孔的加工采用普通的钻削加工方法很难保证其加工的精度达到理想要求。综合以上加工难点，总结出要想保证零件深孔加工的精度达到理想要求，就必须选择合适的加工设备和加工刀具。
2、深孔加工工艺设计和分析
如果用普通的钻削方式进行大深径比深孔的加工，通常需要将麻花钻加长且使用断屑加工的加工工艺。在实践中发现，此种加工方法加工处理的深孔不仅加工的精度较低，而且工作效率低下，加工质量很难保证。另外还经常会出现钻头折断或者堵屑的现象，给加工造成的困难的同时也提高了加工的成本。因此，对于深孔加工，要选择专门的深孔刀具，并且选择合适的加工设备以满足大深径比深孔加工的需要。
2.1 选择合适的刀具
对于深孔加工的刀具来说，可分为多种类型：①喷吸钻。喷吸钻在卧式加工中心和车床上使用，主要在比较容易加工的工件材料上使用；②套料钻和内排屑深孔钻。这两种刀具加工直径在6mm的小孔上不太适合；③硬质合金可转位深孔钻适用于钻削直径在20mm以上的深孔加工；④亚干式深孔加工系统。此种系统的加工散热和排屑主要靠利用压缩空气来进行，这需要有专门的加工设备来操作。⑤枪钻。枪钻适用加工直径在Φ3mm～20mm的深孔加工。综合以上加工刀具的性能分析，再考虑本例要加工的零件的实际要求，本文认为选择枪钻作为加工刀具最为合适。
枪钻由三部分组成，即刀柄、钻杆和硬质合金钻尖，钻尖上设置油孔。具体结构如图1所示：
在钻尖上油孔可是钻头进行散热冷却和进行排屑，在钻头表现还可进行有助于加强韧性的材料的涂抹，如TiC。钻杆通常采用40Cr的无缝钢管。枪钻在深孔中运用，其前角通常为零度且没有横刃，钻尖和轴线偏离，加工时在钻尖前有小圆锥形成，便于排屑。
2.2 选择合适的设备
枪钻在进行回转工件中心上的孔的钻削加工工作时，其工作状态通常是钻头进给呈直线型，工件来进行旋转。这种方式适合的加工环境通常是专门的加工中心或者配备了高压冷却系统的车床与刀具或者工件旋转场合。因此，在设备的选择上，要根据自身的实际情况和加工需要来选择合适的设备和场合。本文实例零件的加工综合了实际的客观情况，选择了车铣复合加工中心。此种设备满足了零件选择的需要，同时具有高压内部冷却系统的配备，可以满足枪钻进行深孔钻孔加工的应用需要。
2.3 枪钻引导孔的加工
枪钻的钻头具有不平衡性，也就是说其产生的切削力也是不平衡的，有周边径向切削力的存在，这样会对其加工的精度造成很大的影响。为了使这种径向切削力得到有效的减少和控制，就需要采用导套或者引导孔的方式对其进行分担。通常在枪钻专用加工机床上，都有枪钻引导套的配备，但是如果在非专用机床上采用枪钻，缺乏导套和夹具的配备，可以通过钻削引导孔的方方来分担径向切削力，达到枪钻切削力的平衡。根据实践总结得出结论：对于枪钻引导孔来说，其深度为枪钻直径的1.5倍左右为宜，引导孔直径大于钻头直径0.004mm～0.012mm为宜。
3、深孔加工工艺试验和结果分析
在进行深孔加工操作时，采用软三爪进行装夹，按照车端面到按导向孔再到钻削深孔的顺序进行加工。
在引导孔的加工钻削时，要选择合适的刀具以满足枪钻的引导作用。分别选择了进口和国产的两种刀头进行了钻削试验，结果发现进口刀具在各项性能方面的表现都要优于国产刀具。进口刀具中的钻头钻速为国产刀头的3～4倍，进给率在2倍以上，而且其耐磨性好，成本也较高。两种刀具在加工质量上结果相差不多，因此，如果在加工件数少或者加工量小的情况，在保证加工质量的前提下，选择国产刀具可以明显的降低加工的成本
在进行深孔加工上，采用两种加工方案进行对比试验。第一种是采用进入导向孔和退出深孔时使用小转数和进给率的方法。第二种是以小转数和进给率反转进入导向孔，以零转数的快速推出深孔的方法。结论得出：第二种加工方法无论在加工效率上还是加工质量上都表现良好的优势。在冷却压力的满足的情况下，使用第二种加工方法进行刀具寿命的试验时发现，一把枪钻最多只能完整加工五个零件，在加工第六个零件时，钻头容易发生折断。
综上所述，进行大深径比深孔加工，最主要的就是选择合适的高质量的钻削刀具。在综合主轴转速、进给速度和冷却压力的作用，可解决麻花钻在深孔加工中存在的精度和质量问题。另外枪钻在专用机床或者满足高压冷却和导向需要的情况下，在数控车床和复合加工中心都可以得到良好的使用，具有很高的可行性。
参考文献
[1]王世清.深孔加工技术.西北工业大学出版社，2011（10）.
[2]王先逵.机械制造工艺学.机械工业出版社，2012.