深孔钻加工工艺浅析

摘 要 在切削加工中，孔加工约占加工总量的1/3，而深孔加工又占孔加工的40%，目前钻削加工单从精度、工艺及经济上都占有优势，在将来一段时间仍将继续使用，深孔加工目前面临的难题-刀具折断，刀具折断包括工件也会报废，成本浪费极大，针对上述加工情况对深孔加工关于刀具工艺从切削参数、刀具顶角角度设计、切削工艺等方面阐述为断刀问题解决提供参考。

关键词 深孔；麻花钻；引导钻；韧带；顶角；挠曲

中图分类号：TH6 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）20-0104-02

深孔加工一直是困扰机加行业的难题，深孔一般定义为：深径比值即L/D（孔的深度尺寸与孔的径向尺寸之比称孔的深径比）≥10为深孔[1]。例如缸盖的油道孔及缸体斜油孔它们的深径比往往大于20，缸体的主油道孔深径比高达25。

在加工中，因深孔属半封闭式加工，刀具悬伸较长，刚性相对较弱，加工中易发生振刀，使得钻孔的导向发生偏斜，对加工效果产生影响；切削液在加工中不易达到切削区域，造成切削区域散热困难，切屑不易排出；局部温度升高会加剧刀具粘屑现象，工件加工表面出现划伤，工件加工质量下降，若继续加工最终会导致刀具折断在加工孔中，工件也会报废。

深孔加工目前常用刀具分为麻花钻和枪钻，目前钻削加工刀具材质均以硬质合金为主，麻花钻属于双刃加工，枪钻属于单刃加工，仅从刀具结构上就能看出两种刀具在加工效率上麻花钻大于枪钻，目前机加行业但凡要求加工效率都在使用麻花钻，所以本文将以麻花钻加工为例对深孔加工工艺进行分析。

深孔加工都存在一个共性：刀具长度长（也就是深径比大），刀具刚性相对差，受到阻力后极易发生挠曲现象（弯曲变形），造成刀具刚开始加工时就会出现受轴向力作用发生挠曲变形，严重时出现断刀，即便是降低刀具转速和进给刀具挠曲现象依然严重，为此深孔钻加工前都需一把引导钻刀具为深孔钻加工出引导孔。

1 引导钻的作用

1）为深孔钻加工引导孔，因引导钻长度短，整体刚性强可在毛坯表面加工出孔系（如缸体、缸盖铸件毛坯面，曲轴连杆颈球面）。

2）深孔钻进入引导孔后，刀具侧面受到支撑，对深孔钻在径向方向有约束作用。

2 引导钻的设计要求

1）引导钻的作用是为深孔钻加工出引导孔，待深孔钻顺利引入后，对其加工起到约束作用，此过程中深孔钻不参与加工，为此引导钻的径向设计尺寸要比深孔钻径向尺寸大，一般尺寸控制在0.02-0.05 mm。

2）刀具加工中刀具顶角部位一定要先与工件接触从而起到定心作用，为此引导钻的顶角就要比深孔钻的顶角大，使深孔钻接触工件时，顶尖优先切削刃接触。通过实践经验验证，引导钻的顶角比深孔钻的顶角要大5°-10°这样可使钻头在加工中具有更好的稳定性[2]。

3）引导钻的加工深度，对于引导钻的加工深度一般控制在深孔钻的3倍径尺寸左右，过浅深孔钻加工提速时，不足以对径向挠曲变形产生约束，刀具在主轴转速的带动下被甩断。

4）有一种情况，要引起注意，部分深孔加工要求带有阶梯。如图。

要对图纸中的阶梯部位引起重视，值得一提的是，切削过程实则是一种挤削过程，如果刀具设计，修磨不合理后角刀具偏小，挤削现象明显，孔口发生变形，深孔钻进入引导孔受阻，刀具出现切削刃部崩损，严重时刀具挤在孔口，造成刀具折断。这对刀具设计人员及修磨人员提出注意。

3 深孔钻的设计要求

深孔钻在加工过程中，刀具要长时间与孔壁接触发生摩擦，这种摩擦在一定程度上是有益的（起到支撑作用），深孔钻加工，这种摩擦力求减小进行控制，如若不然刀具磨损产生的扭矩一但超过刀具本身承受能力势必会发生刀具折断。在加工中因孔的深度是一定的，要减小摩擦就要减小刀具与孔壁的接触面积，有效方法采用双韧带设计刀具这样做的目的。

1）有效减小刀具与孔壁的接触面积，这样能有效控制不必要的摩擦。

2）采用双韧带刀具能有效平衡两侧的径向力，位置度和平行度更有保证。

4 深孔钻加工过程可大致分为以下几个步骤

1）进入引导孔过程中，深孔钻尚无任何支撑，主轴转速要控制在一定范围，转速过高，刀具在离心力作用下，会被甩断。

2）深孔钻进入引导孔，此过程中深孔钻实际上尚未进行切削，但在主轴带动下，刀具在径向方向会存在窜动，即便此时主轴转速很低，刀具势必会与引导孔孔壁发生摩擦，所以此过程中刀具要低进给进给，以φ5深孔钻为例，此过程转速和进给控制在s=500（r/min）f=0.08-0.1（mm/r）左右。深孔钻以不变的加工参数移动到距离引导孔孔底约1 mm时，机床开通切削液循环，（为后面加工提供冷却、、排屑）。切削液提前打开会造成深孔钻钻头发生微量颤动，尤其是在有阶梯孔的深孔加工中，极易造成在入口处偏离孔中心。深孔钻从引导孔底孔钻深约2-3倍径深度，后提高加工参数，有效保证深孔钻加工有足够的支撑。

3）下一步工艺，通常为节省时间和优化加工程序，均采用：深孔钻低进给和低转速加工到2-3倍径深度时，在未采取任何措施时便对主轴转速和刀具进给提升，这种工艺存在弊端，在φ5以下刀具表现显著，加工中的进给突变对切削刃的冲击是很大的，足可以超过刀具本身的承受，出现刀刃崩损，这种情况是很危险的，一但刀刃崩损在不及时更换刀具的情况下，就会出现断刀风险。为避免此现象发生，通常都会在刀具变速前使刀具在进给方向退刀约1 mm，此时提高主轴转速和进给量，使刀具高转速和高进给时切削工件。这样刀具开始切削时就是已高转速和高进给加工，不会再加工中出现切削力突然变大的情况。能有效改善刀具断刀问题。高速切削时，主轴转速和进给也要根据实际工况，结合机床稳定性、切削液供给压力、工件铸造特性等诸多因素更改加工参数。

实际案例：某公司机加工采用小巨人立式加工设备，加工工件材质为ADC12，φ5深孔钻，加工参数s=3000（r/min）f=0.12（mm/r），多次加工中出现断刀，后对工件进行剖切发现：1）刀具排屑槽有铝屑尚未排除。2）加工过的孔壁发黑。3）刀具后刀面发黑。

排屑槽中铝屑 孔壁发黑

通过上面的三种现象可以得出，切削时刀具进给量相对较小出现刀具“干磨”现象，导致刀具后刀面与刀具韧带与工件非正常摩擦。改善方法：针对现状主轴转速s不变，f由0.12提升到0.15；未排出的铝屑以小扇形状态存在，且无粘结现象，说明刀具断屑没有问题，问题出现在刀具切削液从刀头喷出时的压力是否满足要求，压力小不足以驱动加工中产生的切屑，造成铝屑堵塞。通过实验验证，刀头切削液压力确实存在问题，后更换切削液提升泵，理论压力由15Mpa提升到30Mpa。之后经加工验证和工件剖切孔壁发黑，后刀面磨损，排屑槽有排不出去的铝屑现象消失。

4）深孔通常是和其他孔贯通的，当刀具加工到贯穿位置时，刀具的刃部受力发生急剧变化，表现在切削刃不在同一时间切出，而是一先一后，这样先切出的刃部就失去支撑，两侧支撑力平衡状况被打破，刀具受另一侧切削力作用，钻头发生偏移，偏移过大，体现在刀具上，刀具会发生折断；体现在工件上位置度发生变化，深孔的平行度就会出现超差现象，这种情况在机加工中是不可避免的，为有效减小断刀和位置不良问题，通常在距贯通位置5 mm时，主轴转速和进给要降低到原数据的1/3，这样能有效降低刀具切出时受力不平衡的状况，位置度和平行度也有很好的改善。

5）刀具退刀，退刀时因深孔钻的加工特点，受在平行度方面的限制，刀具在孔中存在挠曲变形现象，所以退刀时不能采用快速退刀方式，但转速和进给可比进刀时快些，具体参数可根据实际加工工况而定。

5 总结

深孔加工一直是机加行业的难题，随着科技的发展，刀具在材质方面发生了很大变化，但加工效率摆在了面前，深孔加工不仅仅是加工出深孔就能满足的，对孔的精度，表面质量和平行度均提出了更高的要求。

参考文献

[1]杨顺田，候忠坤.深孔钻削中受力分析与切削参数[J].组合机床与自动加工技术2013（1）.

[2]魏继忠，徐海生，赵家彬.发动机深孔钻加工探讨[J].芜湖瑞利精密装备有限责任公司.