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        摘 要：機(jī)械加工過程中，深孔是加工難度最高的工序之一。深孔的加工對加工設(shè)備提出了很高的要求，因此研究其加工方法十分必要。本文對深孔加工的概念、特點、技術(shù)及工藝和應(yīng)用等方面進(jìn)行了介紹，并分析了深孔加工的發(fā)展趨勢。
 
       關(guān)鍵詞：深孔加工，制造技術(shù)，工藝
 
      0 引言
 
      機(jī)械加工中的深孔，一般指零件內(nèi)孔的長度與直徑之比大于 5 的孔，其幾何特征決定了它是機(jī)械加工中難度最高的加工過程之一。深孔加工對刀具提出了很高的要求，一般刀具很難同時保證孔的長度和精度要求。另外，近年來難加工材料 （例如高強(qiáng)度合金材料） 的運用給深孔加工提出了更高的要求。20 世紀(jì) 60 年代前，深孔加工主要用于槍炮的生產(chǎn)，但近年來逐步向能源、汽車、航空航天等領(lǐng)域擴(kuò)展。我國深孔加工的基礎(chǔ)比較薄弱，因此迫切需要對深孔加工技術(shù)進(jìn)行深入的研究[1]。本文對深孔加工技術(shù)的特點、技術(shù)手段、關(guān)鍵技術(shù)及工藝方法和實際應(yīng)用、現(xiàn)今發(fā)展的水平等進(jìn)行分析，并預(yù)測其發(fā)展的趨勢。
 
      1 、深孔加工技術(shù)概述
 
      1.1 技術(shù)特點及難點
 
      深孔加工屬于機(jī)械加工的范疇，與普通孔的加工相比，有很多特點及難點。分析深孔加工的特點，才能更好地選擇不同的深孔加工方法。首先是切削運動方式不同，普通孔加工通常是工件固定，刀具同時作進(jìn)給運動與旋轉(zhuǎn)運動。而深孔加工采用的切削運動有多種：工件旋轉(zhuǎn)、刀具進(jìn)給；工件不動、刀具旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給；工件與刀具相對旋轉(zhuǎn)、刀具進(jìn)
給；工件旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給、刀具不動。其中以第一種方式居多[2]。
 
     在加工過程中，深孔加工有很多難點。例如加工時孔軸線容易歪斜、細(xì)長刀桿剛度差、容易產(chǎn)生讓刀誤差等[3]。更嚴(yán)重的問題是，加工過程在深孔中進(jìn)行，人難以觀察到刀具切削過程，因此對于加工狀態(tài)的判斷只能通過聽切削聲音，觀察切削狀態(tài)和機(jī)床狀態(tài)參數(shù)來間接得到[4]。加工孔排屑通道長而直徑較小，排屑困難，極可能損壞刀具及工件[5]，加上散熱困難，刀具容易因為孔內(nèi)溫度過高而加劇磨損速度[6]。
 
     1.2 現(xiàn)有的加工方法
    
     深孔加工方法按排屑方式可分為外排屑和內(nèi)排屑兩種。外排削指的是切削液由鉆桿中間進(jìn)入，經(jīng)鉆頭頭部小孔噴射到切削區(qū)，然后帶著切屑從鉆桿外部的 V 形槽中排出的方法，主要有槍鉆、深孔偏鉆和深孔麻花鉆等；內(nèi)排削指的是切削液從鉆桿與孔壁的間隙處進(jìn)入，靠切削液的壓力將切屑從鉆桿的內(nèi)孔排出的方法，主要有 BTA 深孔鉆、噴射鉆和
DF 深孔鉆三種。外排屑效率較低，加工精度難以保證，而且切屑會與已加工表面接觸產(chǎn)生劃痕而破壞表面質(zhì)量，而內(nèi)排屑深孔鉆則可以克服這個缺點。另外，現(xiàn)有深孔加工系統(tǒng)更加重視排屑與冷卻的平衡優(yōu)化，近年來開發(fā)了一些新的特種加工手段，例如電火花加工、激光加工、電解加工、超聲加工等[7]。對于精度要求比較高的孔，需要進(jìn)行精加工，是在鉆孔、擴(kuò)孔之后進(jìn)行的第二次加工，此時排屑問題已經(jīng)不重要，重點是要提高加工精度[8]。
 
      2 、深孔加工技術(shù)的現(xiàn)狀
 
      2.1 關(guān)鍵技術(shù)
 
      由深孔加工的加工方法可以看出，其關(guān)鍵技術(shù)有以下幾點：
 
      2.1.1 設(shè)備選擇
 
     主要是機(jī)床的選擇，為了保障深孔加工的精度，需要合理選擇夾具、主軸等，在保證機(jī)床刀桿剛度等參數(shù)的要求的同時，機(jī)床有效加工行程也需要足夠大。
 
     2.1.2 工藝路線選擇
   
    要充分考慮具體加工方法、工件特性等，合理安排粗加工、半精加工、精加工、光整加工等階段[9]。
 
    2.1.3 刀具選擇
 
    選定工藝路線之后，要根據(jù)工藝特點合理選擇刀具，例如槍管主要使用槍鉆加工。槍鉆分三部分：刀頭用來鉆削，通常在鉆頭圓周上設(shè)置導(dǎo)向塊，鉆頭頂端一般設(shè)有油孔，通過焊接與鉆桿相連；鉆桿外徑略小于鉆頭，必須具有高強(qiáng)度和韌性；鉆柄位于鉆桿底部，用于與機(jī)床相連[9]。文獻(xiàn)[10]提出了一種三導(dǎo)向塊的 BTA 刀具，并用概率方法研究了靜態(tài)和動態(tài)情況下此刀具相對于兩導(dǎo)向塊刀具的優(yōu)勢。結(jié)果表明此刀具穩(wěn)定性、加工效率和精度更高。
 
     2.1.4 定位
 
     深孔加工的定位與普通孔加工一樣，常采用錐面定位。另外，進(jìn)行錐面定位時，要保證直線度，在鉆孔及鏜孔前需要對端面外錐面進(jìn)行處理[11]。
 
     2.1.5 排屑
 
 
     深孔加工時由于空間狹小，切屑較難排出，從而影響加工質(zhì)量。另外，不同的材料也會形成不同的切屑。比較好的工藝是內(nèi)排屑深孔工藝，可加工直徑在 6～80 mm 的深孔[12]。
 
     2.1.6 冷卻潤滑
 
     由于深孔加工的空間狹小，使熱量難以擴(kuò)散，工件溫度急劇升高；況且切屑過程也需要保證潤滑。所以，采用潤滑液同時解決這兩個問題。這種液體也能起到延長刀具壽命，降低噪音和振動等作用[12]。
 
     2.2 加工工藝
 
     目前世界上有很多學(xué)者進(jìn)行深孔加工的工藝研究，以下為幾個實例。
 
     文獻(xiàn)[13]給出了一種套筒零件的加工工藝研究，材料為 30Cr3MoA，盲孔深度為 200 mm±0.2 mm。若采用普通加長麻花鉆加工，由于細(xì)長的鉆頭剛度差，散熱困難等原因，鉆頭磨損很快，加工質(zhì)量較低，因此需將冷卻液送到工作面，例如可利用噴射鉆的方法加工文獻(xiàn)[14]對難加工材料的精密深孔加工方法進(jìn)行了研究。主要研究刀具的幾何形狀和切削參數(shù) （主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度） 對加工表面質(zhì)量的影響，最終通過改進(jìn) BTA 鉆頭使得最優(yōu)切削參數(shù)下孔的加工偏差問題達(dá)到了最小化，并成功加工出了直徑 10～20mm，公差等級為 IT 7～9，表面粗糙度 Ra 0.2～1.6μm 的深孔。實驗結(jié)果表明，刀具幾何形狀對加工深孔的質(zhì)量有顯著的影響。進(jìn)行難加工材料的深孔鉆削時，可以通過提高鉆頭頭部的穩(wěn)定性和提高導(dǎo)向塊拋光精度來獲得良好的表面粗糙度、尺寸精度和圓跳動。主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對孔的尺寸精度和表面質(zhì)量有很大的影響：主軸轉(zhuǎn)速越大，表面光潔度越高，孔的尺寸波動越??；而對于進(jìn)給速度，存在一個最佳值，使尺寸精度和表面質(zhì)量最優(yōu)。另外，沿孔深方向孔徑逐漸減小，表面光潔度逐漸下降，這是由于刀具磨損所致。
 
     文獻(xiàn)[15]也對 BTA 深孔加工過程進(jìn)行了研究，文中采用了基于計算機(jī)的方法研究 BTA 深孔加工過程的機(jī)理，研究重點是切屑變形、切削力和刀具磨損之間的關(guān)聯(lián)，建立了深孔加工的加工模型，并用計算機(jī)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行評估和驗證。結(jié)果表明，中心切削刃切出的切屑變形最大，用三刃鉆頭得到的切削力和切屑變形的變化趨勢是相同的；切屑變形隨進(jìn)給速率的增大而增大，隨工件和刀具的轉(zhuǎn)速增大而減小。該文還描述了 BTA 深孔加工中的對其他力 （如軸向力） 的測量和分析，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)建立了軸向力的經(jīng)驗公式。該文的研究為 BTA深孔鉆工藝的在線檢測和控制系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。
 
     隨著對環(huán)保的要求越來越高，需要減少切削液的使用，因此便產(chǎn)生了干式和亞干式深孔加工。即將部分切削液霧化并與氣體混合制成冷卻液，采用低溫冷風(fēng)法和油氣噴射法進(jìn)行冷卻[16]。深孔干鉆削是干加工工藝中最難的工藝。文獻(xiàn)[17]描述了噴吸鉆的工作原理，及利用壓縮空氣代替切削液的深孔加工方法，并對鉆頭的幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。然而對于孔加工來說，切屑較多，熱量較大，完全不采用切削液的加工難以實現(xiàn)，需要采用亞干式加工。采用亞干式切削經(jīng)濟(jì)實用，氣體溫度、流量均可調(diào)節(jié)，以應(yīng)對不同加工環(huán)境，也在一定程度上減少了污染[18]。文獻(xiàn)[19]中給出了干式、亞干式加工的關(guān)鍵技術(shù)研究，通過合理使用冷卻和潤滑霧化氣體，采用負(fù)壓排屑裝置，合理設(shè)計刀具參數(shù)，以及合理選用切削液，可以使得加工效果精度達(dá)到 IT 11~12 級，表面粗糙度 Ra 達(dá)到 6.3~3.2。
 
     由于機(jī)械加工的研究不斷深入，特種加工方法也越來越多地得到運用，例如電火花加工。文獻(xiàn)[20]給出了一種內(nèi)噴霧電介質(zhì)燒蝕深孔加工方法，它采用了連續(xù)脈沖和間歇性供氧的方法。其中“霧”是氧和水的混合物，用混合物作為電介質(zhì)，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量用于提高蝕除過程的效率；無氧時修整蝕除表面。文中對采用內(nèi)噴霧電介質(zhì)燒蝕技術(shù)、內(nèi)
噴霧電火花加工技術(shù)和純氧環(huán)境的間歇式電火花加工技術(shù)進(jìn)行深孔加工作比較試驗，重點研究了各種技術(shù)的加工機(jī)理、加工效率、電極相對磨損率、加工質(zhì)量和精度。結(jié)果表明，間歇式電火花加工能量過大以至于難以控制，而且容易導(dǎo)致短路，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；內(nèi)噴霧電介質(zhì)燒蝕技術(shù)的效率為內(nèi)噴霧電火花加工技術(shù)的 5.45 倍，而且刀具相對磨損率下
降了 82％，可以達(dá)到很好的表面質(zhì)量和很高的加工精度；高壓氣霧可以起到冷卻和抑制電火花燒蝕的作用，可以提高燒蝕反應(yīng)的可控性和穩(wěn)定性，維持穩(wěn)定的燒蝕過程；內(nèi)噴霧電介質(zhì)燒蝕技術(shù)繼承了間歇式電火花加工技術(shù)的特性，包含內(nèi)噴霧電火花燒蝕和水中普通電火花燒蝕兩個過程。
 
     文獻(xiàn)[21]探究了通過使用快速響應(yīng)的旋轉(zhuǎn)電極來提高小直徑深孔電火花加工速度的方法，提出了一種結(jié)合傳統(tǒng)的電火花加工機(jī)床的電磁驅(qū)動五軸聯(lián)動機(jī)床。該機(jī)床可提高電火花加工深孔的速度，其中的電磁驅(qū)動電機(jī)可以同時起到使電極旋轉(zhuǎn)和快速定位的作用。實驗結(jié)果表明，與普通電極不旋轉(zhuǎn)的電火花 加工相比， 該機(jī) 床加 工 φ0.5 mm ×4 mm 和φ1.0 mm×4 mm 的通孔時，加工速度分別提高了125％和 337％；使用快速響應(yīng)聯(lián)動機(jī)床加工，以800 r/min 轉(zhuǎn)速加工 φ0.5 mm×4mm 通孔的加工速率 最 大 提 升 343% ， 以 600 r/min 轉(zhuǎn) 速 加 工 φ1.0mm×4 mm 通孔的加工速率最大提升 433%。上述實驗結(jié)果還表明，用聯(lián)動機(jī)床加工深孔的長徑比越大，電極旋轉(zhuǎn)的影響越明顯。
 
     文獻(xiàn)[22]對金屬深孔電火花加工的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提出的一種具有電介質(zhì)涂層保護(hù)套的工具電極的 EDM 系統(tǒng)，該文測定了最優(yōu)脈寬、電極尖端與保護(hù)套最優(yōu)間距和電極進(jìn)給控制的最優(yōu)振幅。結(jié)果表明，加工 0.75～0.80 mm 孔徑時，脈寬 40 μs、尖端間距 7 mm、振幅 40 μm 時加工效果最優(yōu)。此優(yōu)化相比以前的參數(shù)提高了約 35%的加工速度，降低了約 40%的電極損耗。
 
    3 、深孔加工技術(shù)的應(yīng)用
 
    隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，深孔加工的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，在軍工、航天、石油化工機(jī)械等領(lǐng)域都有運用。‘’

  
    文獻(xiàn)[23]介紹了槍鉆在深孔加工中的應(yīng)用，并分析了使用槍鉆時機(jī)床及切削液的選擇問題。文獻(xiàn)[24]給出了槍鉆在汽車制動泵主缸深孔加工機(jī)床中的運用，并設(shè)計了加工過程中的排屑方式、主軸轉(zhuǎn)速、主軸電機(jī)的功率及冷卻系統(tǒng)等。文獻(xiàn)[25]詳細(xì)設(shè)計了活塞桿的深孔加工設(shè)備和工藝，對以往的工藝進(jìn)行改進(jìn)，并采用了合適的裝夾方式、刀具材料和切削參數(shù)，提高了生產(chǎn)率。文獻(xiàn)[26，27]、分別研究了船用中高速柴油機(jī)和重機(jī)進(jìn)氣管的深孔加工技術(shù)。文獻(xiàn)[28]介紹了水泥機(jī)械的深孔加工技術(shù)，由于其工件質(zhì)量很大，可達(dá)數(shù)十噸，因此其深孔加工有著特殊的難點，另外其孔徑范圍差別很大，因此同一零件需要用不同種類的深孔加工手段。該文根據(jù)工藝需求對舊機(jī)床進(jìn)行了改造，實現(xiàn)了提升深孔加工綜合效益的目標(biāo)。特種加工方面，文獻(xiàn)[29]給出了鈦合金材料的超聲和電火花深孔加工方法。由于鈦合金材料用普通機(jī)械加工方法難以加工，即便是較為合適用于其加工的電火花加工方法，在加工深孔時由于其低導(dǎo)熱性和高韌性使得加工效果也不理想。因此文中將超聲振動加入電火花加工過程，并分析其作用，提出了一種結(jié)合超聲波與微細(xì)電火花的四軸機(jī)床。另外，文獻(xiàn)[30]對多孔陶瓷燃燒板的深孔加工進(jìn)行了研究。
 
    4 、深孔加工技術(shù)的發(fā)展趨勢
 
    從最早的鉆削槍管使用的槍鉆，到后來出現(xiàn)的BTA 鉆、噴吸鉆、DF 鉆等，深孔加工工藝的優(yōu)化方法不斷產(chǎn)生，例如新型刀具材料、結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向塊布置，排屑裝置等，并在優(yōu)化過程中不斷增強(qiáng)環(huán)保意識，逐漸向高效率、高精度、高可靠等方向發(fā)展[31]。同時，深孔加工技術(shù)還逐漸引入學(xué)科交叉的思想。例如特種加工，它徹底改變了深孔加工的原理，
利用電能使材料汽化或液化達(dá)到去除材料的目的。數(shù)控加工的發(fā)展也使得小批量、多品種的深孔加工成為了可能，并結(jié)合了計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越使得工人的操作得到簡化[32]。
 
    為了節(jié)省資源和減少污染物排放，對于加工的綠色化也提出了更高的要求，新型綠色加工技術(shù)主要有 3 種：采用綠色切削液、干式切削、準(zhǔn)干式切削。由于干式切削技術(shù)難度較大，因此暫時難以推廣；準(zhǔn)干式切削使用微量切削液，可較大程度減少污染，而且技術(shù)難度大大小于干式切削，因此受到更多關(guān)注；采用具有生態(tài)性能的冷卻潤滑劑，也可
實現(xiàn)綠色切削，并且其對人體健康無影響[33]。
 
    5 、結(jié)語
 
    本文通過對深孔加工概念、特點和基本方法的介紹，并重點通過對現(xiàn)有關(guān)于深孔加工關(guān)鍵技術(shù)、工藝及應(yīng)用文獻(xiàn)資料的調(diào)研，給出現(xiàn)今技術(shù)發(fā)展的概況和未來的發(fā)展方向。正是由于深孔加工的困難性和應(yīng)用上的普遍性，才迫切需要對其理論和技術(shù)進(jìn)行更加深入的研究。隨著科技的進(jìn)步，深孔加工技術(shù)將會朝著高精度、高效率、環(huán)境友好方向不斷發(fā)展，并且在更廣泛的工業(yè)領(lǐng)域上發(fā)揮作用。