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利用車（chē）床（chuáng）鑽削小孔的（de）工藝研（yán）究

2021-11-16 來源：中國空空導彈研（yán）究院作者：翟（zhái）建偉

摘要：以實際加工案例為基礎，對車削加工中鑽削準1.5 mm 小孔的加工（gōng）工藝進行分析，找出（chū）鑽削過程中影響（xiǎng）加工質量和加工效率的主要因（yīn）素，並根據案例中的加工經驗，提出（chū）了一種（zhǒng）對鑽頭改（gǎi）進的方法，為小孔加工提供了解（jiě）決方案，同時（shí）也為其他小孔加工提供參考。

關鍵（jiàn）詞（cí）：機械加工；車削；小孔（kǒng）

0 前言

在航空產品中，結構重量是衡量產品性能的一個非常重要的指標。為了提高產品的指標，設計人員在設計產品時，在滿足其他性能指標的前提下，會盡可能的壓縮結構尺寸以追求更輕的產品。壓縮結構（gòu）尺寸可以有效地減輕結構重量，但帶來的問題就是產品零件（jiàn）變小，更小的零件意味著零件上各種特征的尺寸也會變得更小，對於傳統機（jī）械加工來說，尺寸過大或過小（xiǎo）的零件特（tè）征都是加工中的難點（diǎn）。

在零件的各種特征中，孔是較難加工的一種。由於孔本身的特殊結構（gòu），在加工中存在排（pái）屑不暢、冷卻潤滑不及時等各種問題，容易在加工中出現孔內壁糙度差（chà）、孔軸線直線度差、孔橫截麵圓度差、孔直徑尺寸精（jīng）度差，孔定位尺寸精（jīng）度（dù）差等各種問題，常常成為零件質量問（wèn）題的高發點，尤其是對於長徑比比較大的孔，加工難（nán）度較一般孔（kǒng）更大。

由（yóu）於產品的各種限製，實際設計出的零件往往是上（shàng）麵兩種加工難點的疊加，即長徑比大的小孔。當前，國內（nèi）外已經發展出了很多新的加工方法可（kě）以完成（chéng）此類（lèi）小孔的加工，如激光、電腐蝕、高能粒子束等加工方法，均可以比（bǐ）該孔直徑更小、長徑比更大的孔的（de）加工。但這些加工方（fāng）法均存在加工效率（lǜ）低和加工成本高的問題，傳統的機械加工雖然沒有新方法的（de）加（jiā）工能力強，無法完成許多有極端（duān）要求的特征的加工，但在加工成本和加（jiā）工效率方麵相（xiàng）比較於這些新方法卻占有很大的優勢。因此如果可以發掘傳統機械加工的潛力，拓（tuò）展傳統機械加工的適用範圍，就可以完（wán）成一些要求比較苛刻（kè）的零件的加工，為零件生產降低加工成本和提高加工效率提供了有效的解決方法。

車削加工是一種傳統的機械（xiè）加工方法，其最大的優點就是加工回轉體時圓度特別好，因此很適合加工孔（kǒng）或（huò）軸等回轉體特征。本文以實際加工案例為範例，討論了如何使用車削加工完成長（zhǎng）徑比為 12.3的準1.5 mm 小孔的加工（gōng），並據此探討在加工大長徑比的小（xiǎo）孔（kǒng）時（shí）需注意的事項以及可采用的（de）一些方法。

1、加工難點分析

零（líng）件結構示意圖如圖 1 所示。

圖 1 零件結構示意圖

從圖 1 中可以看出，該零件為接頭類零件，中間有貫穿孔用於工作時介質流（liú）動。由（yóu）於零件尺（chǐ）寸很小，因此零件上各特（tè）征的結（jié）構尺寸也（yě）很小。零件材料為17-4PH，材（cái）料出廠時進行過熱處理，材料硬度在HRC40 左右。由（yóu）於該零件從（cóng）結構上並不是回轉體（tǐ），適合在數控銑床上進行（háng）加工，因此主要特征均是（shì）在數控銑床上完成的加工。但由於兩個孔的（de）加工難度較大，數控銑床（chuáng）的無（wú）法滿足加工要求，因此孔的加工選擇在數控車床上完成。而（ér）零件的裝夾則是通過設計專用鑲嵌式夾具來完成（chéng）裝夾（關於夾（jiá）具的設計這裏就（jiù）不在詳細說明）。

所需加工孔孔直徑均為準（zhǔn）1.5 mm，其中一個較淺的孔深度為 18.5 mm，長徑比為 12.3；另外一個孔要求和這個孔（kǒng）貫穿，因此深度至少要達到 22.5 mm，即長徑比至少為 15。

長徑比值大的孔在加工時可以（yǐ）選（xuǎn）擇從兩端向中間對（duì）向加工以變相的減小孔的（de）長（zhǎng）徑比值。但這個零（líng）件上的孔是盲孔，因此加工時必須從孔口加工，這就對加工（gōng）工藝提出了較高的要求，在麵對（duì）批量生產的情況時，使用普通的加工（gōng）工藝無法完成零件（jiàn）的穩定加（jiā）工，需要對加工工藝進行改進。

1.1 排屑問題

排屑是機械加工中的一個重要問題，及時排出切屑，可以（yǐ）方便刀具繼續（xù）對零件材料（liào）進行切削，提高加工效率。機械加工行業經過長期發展，絕大部分（fèn）加工過程，如車、銑、刨等，無論是刀具的排屑槽，還（hái）是機床斷屑器，加工（gōng）過程中（zhōng）都有了比較完善的排屑措（cuò）施，日常加工中（zhōng）基本可以不用單（dān）獨考慮排屑的問題。但（dàn）在此次孔的加工過（guò）程中（zhōng），排屑不暢的問題非常嚴重。主要原因是鑽孔加工與其他加工，如和車削外圓（yuán）相比最大的不同，就是孔的（de）直徑限製了刀（dāo）具的尺寸。對於該孔的（de）加工，使用鑽頭的直徑隻能選擇準1.5 mm。鑽頭直徑限製了鑽頭上（shàng）的排屑槽（cáo）深度很小，再加（jiā）上鑽頭鑽孔過（guò）程中鑽頭和（hé）孔內壁（bì）緊密貼合，鑽（zuàn）進（jìn）過程中產生的切屑必須完全（quán）依靠排屑槽排（pái）出，如果孔內的切屑不能及時排出，不僅影響鑽進效率，嚴重時還（hái）會發生孔內事故。主要是因為由於鑽頭直徑太小，導致鑽頭的強度小、剛性差，加工過程中產生的切屑如果不能及時排出，切屑（xiè）夾在鑽頭（tóu）和零件之間，會對鑽頭產生（shēng）擠壓，由於鑽（zuàn）頭剛性差的原因，稍微對鑽頭產生的擠壓就會造成鑽頭折斷，輕則造成鑽頭報廢，重則會使斷掉的鑽頭與零件“咬死”而造成零件報廢。

機械加工過程中，切削液的衝洗對排屑也起了非常（cháng）大的用處。但在該加工過程中，切削液也無法有效衝（chōng）洗（xǐ）到加工麵。該情況將在 1.2 切削熱問題部分進行詳述。

1.2 切削熱問題

機械（xiè）加工過（guò）程中，切削液的衝洗有兩個作用，一（yī）是對加工刀具和材料進行降溫，二是衝走加工後產生的切屑。一般條（tiáo）件下，機械加（jiā）工（gōng）過程中會使用盡可能大流量的切削液對加工部位進行直接衝洗（xǐ），但在該零件加工鑽孔過程中，切削液無法有效衝洗到加工部位。主要原因是因為孔的（de）直徑很小，鑽頭（tóu）直徑也很小，該尺寸的鑽頭沒有中央出水的類（lèi）型（xíng），而在加工（gōng）過程中鑽頭緊密貼合孔內壁，因此切削液要進入加工部位必須通（tōng）過排屑槽進入。但（dàn）由於鑽頭直徑太小，鑽（zuàn）頭上的排屑槽深度也很淺，導致冷（lěng）卻液很難進入小孔內部，無（wú）法實時（shí）對切削刃（rèn）進行冷卻，容易造成切削刃升溫過快造成鑽頭刀刃磨損甚至燒毀鑽頭。

1.3 鑽頭強度問題

鑽（zuàn）頭的結構為細長型，長徑比很大，所以鑽頭的強（qiáng）度一般都不高，並且（qiě）在實際使用過程中強度會（huì）隨著刀具伸出長度的增加而（ér）進一步下降，鑽削加工又屬於切削力較大的加工方式，所以在加工前選（xuǎn）擇鑽（zuàn）頭時要特別注意鑽頭（tóu）強（qiáng）度是否（fǒu）能夠滿足加工要求。

鑽頭的強度和鑽頭的（de）直徑正相關，小鑽（zuàn）頭直徑小，並（bìng）且（qiě）鑽頭（tóu）上還有排屑槽，會使鑽頭的強度進一（yī）步降低，使鑽頭在加工過程（chéng）中無法承受較大的切削力或其他衝（chōng）擊（jī）力，如果使用不當，比如鑽孔過程中（zhōng）進給速度過快，很容易在加工過程中發生鑽頭折斷的情況。

1.4 精度問題

在（zài）車（chē）床上鑽（zuàn）削小（xiǎo）孔的過程中，零件軸線和（hé）鑽頭軸線的同軸度對加工的影響（xiǎng）很大，如果（guǒ）因為精度的原因，造成零件軸（zhóu）線和鑽頭軸線不在同（tóng）一條線（xiàn）上，加工過程中鑽頭會承受很大的徑向力，尤其是鑽頭剛（gāng）鑽入時，此時不同軸會造成鑽頭接觸零件不均勻，會（huì）給（gěi）鑽頭施加很大的徑（jìng）向力，而此時鑽頭懸空長度是最長的（de），也就意味著此時鑽頭的結構強度（dù）是最弱的，這（zhè）也（yě）成為鑽孔時鑽頭折斷的高發點。

2、改進方法與措施（shī）

2.1 多退刀，勤排屑

切屑（xiè）對加工過程影響很大，由（yóu）於（yú）鑽頭直徑（jìng）小（xiǎo），鑽頭上的排屑槽也很淺，排（pái）屑能力弱，如果光靠排屑槽進行排屑無法滿（mǎn）足穩定加工（gōng）的要求，加工過程中必（bì）須通過退刀的方式（shì），使鑽頭完全退出孔以徹底排出切屑。數控車床（chuáng）可（kě）以（yǐ）通過編製數控加工程序對加工過程進行精確控製，以（yǐ）哈挺（tǐng）數控車床為例（數控係統（tǒng）為 FANUC），控製係統中內置了一種點鑽的加工方式用以解決此問題。該程序語（yǔ）句為：G1101 W（）F（）Q（）P（）B（）L（），在鑽孔程序中使用該語句進（jìn）行加工，機床就可（kě）以每次步進一定深度（dù）後自動退出刀具進行排屑[1]。

需要注意的是，由於刀具排屑槽排屑能力弱，切屑（xiè）很難在產生的同時被同步排出（chū）孔外，實（shí）際過程是切削產生（shēng）的切屑被儲存在鑽頭前段的排屑槽內，等鑽頭退出孔時再完全排出孔外。由於排（pái）屑槽儲存切（qiē）屑能力有限，所以每次步進的深度不能過深，否則產（chǎn）生的切屑過多，排屑槽無法儲存，多餘（yú）的切屑就會堆積（jī）在孔底或孔壁處（chù），對（duì）加工過程造（zào）成影響，退刀排屑的意義就失去（qù）了（le）。但步進深度也不宜過小，否（fǒu）則進退刀次數過多，會嚴重降低加工效率，從加（jiā）工經驗得到的參考值每次（cì）步進深度均保持在 0.5 mm 左右為宜，鑽孔時進給速度也不易過快（kuài），但可提高退刀的進給速（sù）度以保證整體加工效率。

2.2 改造鑽頭，增強強（qiáng）度

在批量加工零（líng）件的過程中，單純采（cǎi）取退刀的措施並不能完全解決鑽頭折斷（duàn）的問題，為保證鑽頭的強（qiáng）度（dù），此次加工（gōng）過程（chéng）中在普通鑽頭（tóu）結構的基礎上進行了修（xiū）改，製作了專用鑽頭用於孔的（de）加工。改進後的鑽頭結構示意圖如圖 2 所示。

圖 2 鑽（zuàn）頭結構示意圖

鑽頭製（zhì）造（zào）原（yuán）料的選擇上可以選用與孔直徑（jìng）一樣的高速鋼或硬（yìng）質合金棒，在（zài）需（xū）要鑽孔的深度範圍內將鑽（zuàn）頭磨扁，一般 H 值（zhí）可選擇在 0.1 ~ 0.2 mm 之間（jiān），這樣的結構（gòu）取消了排屑槽，極大地增強了鑽頭的（de）強度，同時磨扁的部分也可以兼顧排屑的功能，前端切削刃的刃磨與普通鑽頭保（bǎo）持相同結構（gòu）即可。經實際加工測試（shì），按此方法改進（jìn）製（zhì）作的鑽頭比普通商（shāng）用（yòng）鑽頭強度更（gèng）高（gāo），在相同的切削參數、排屑（xiè）情況和冷卻（què）條件下（xià），不但加工出的零（líng）件質量更好，而且能避免折斷鑽頭，保證（zhèng）了整批零件（jiàn）加工的順利進行，提高了整批零件的加工效率。

從（cóng）改製鑽頭的結構示（shì）意圖上看，鑽頭應該隻滿足深度 18.5 mm 孔（kǒng）的加工需求，加工另一個（gè）孔則麵臨長度（dù）不足的問題。需要強調的是，零件中貫穿（chuān）的兩個孔，在（zài）加工順序上必（bì）須嚴格分先（xiān）後，深度為18.5mm 的孔先加（jiā）工，然後再加（jiā）工另一個孔。這是（shì）由於（yú）兩孔相互貫穿，在加工第二個孔時，很難保證孔的軸線（xiàn）和第一個孔軸線相交，因此鑽頭在鑽破第一個孔時有可能存在鑽頭受力（lì）不均（jun1）衡（héng）問題而導致鑽頭折斷。為避免該（gāi）問題，在加工時鑽頭僅鑽入 19 mm 就不再繼續鑽進，最後的 3 mm 改用 1.5 mm 銑刀進行加工，即將 1.5 mm 銑刀裝夾在刀盤上，利用銑刀完（wán）成最後兩孔鑽透的加工過程，由於銑刀強度較高且銑刀側齒可用於切削，因此可有效避免折斷情況的發生。

2.3 檢查中心軸線是否重合

該零件加工時，零件是通（tōng）過夾具裝夾在機床卡盤上，而刀具裝夾（jiá）在機床（chuáng）刀盤上，機床（chuáng）本（běn）身、夾具（jù）、裝夾過程（chéng）都會存在誤差，這些誤差累計起來會造成零件與（yǔ）刀具的裝夾誤差，這（zhè）誤差會對零件加工造（zào）成影響，因此加工（gōng）前（qián）必（bì）須檢查校正。

檢查（chá）裝夾（jiá）精度時，必須檢查在（zài）零件和鑽頭裝（zhuāng）夾好的情況下，鑽頭（tóu）軸（zhóu）線（xiàn）和零件軸線是否重合，本次加（jiā）工過程中使用的是一種比較簡單的檢查方法[2]：第一步用磁吸式固定器將千分表（biǎo）固定在機床刀盤上，千分表表頭接觸零件外圓表麵，然後沿機床 X 軸方向前後移動刀盤，觀察千分表（biǎo）數（shù）值變化，要（yào）求要將零件調整到千分（fèn）表數值變化不超過 0.02 mm，這樣的檢測要在零件圓周上選擇（zé）均布的（de）三條（tiáo）線進行測量，三條線的測（cè）試都合格才算合格。第二（èr）步，使千分表表頭接觸（chù）零件外圓，用手搬動機（jī）床主軸（zhóu），使零件按機床 A 軸（zhóu）

旋轉（zhuǎn），觀察旋轉過程中千分表數值變化，同第一步一樣（yàng），變化範圍不超（chāo）過 0.02 mm 才算合格。如果發現誤差過大，則（zé）需要進行調整校正，調整的循（xún）序按照難易程度安排，先零件、再夾具、最後機床；如果對零件和夾具（jù）的調整（zhěng）都無法（fǎ）修正誤差，而在對機床進行調整後依然無法達到加（jiā）工要求，則說（shuō）明機床精度以無法滿足加工要求，必須更（gèng）換（huàn）機床進（jìn）行加（jiā）工，否則將（jiāng）無法保證加工效果。

3、加工結果驗證

通過數據（jù）對比來驗證了（le）改進方法（fǎ）和措施的有效性，改進前後兩種工藝（yì）方案的（de）加工結果如表 1 所示。

表（biǎo） 1 加工結果對照表