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1、针对通用加工技术的不足，采用量化力矩，轴向装夹薄环壁端面，按孔径递减工序对台阶深孔进行半精加工，用硬质合金内冷螺旋切削刃台阶复合成形较刀对台阶深孔进行精加工的工艺方案，提高了薄环壁轴向台阶深孔系的加工精度和效率。1 .序言薄环壁轴向台阶深孔系的深孔加工是一种在封闭或半封闭环境下进行的机械加工。典型薄环壁轴向台阶深孔系结构如图1所示。图1典型薄环壁轴向台阶深孔系结构2 .通用加工技术2.1 典型薄环壁轴向台阶深孔系加工工艺如图2所示为典型薄环壁轴向台阶深孔系加工图样，结构参数见表1。由图1和表1可知，每组加工要素的要求均很高，零件需进行精加工。环体的内径与壁厚比D216为薄壁，孔的深度与直径比1
2、./D25为深孔。图2中典型薄壁环体的内径与壁厚比D/为22.1,环壁轴向66+0.018+0mm孔的深度与直径比1./D为11.7,图2中结构属于薄环壁轴向台阶深孔系。薄环壁轴向台阶深孔系的通用加工技术工艺路线如图3所示，可见加工工步冗长。075H8(f”!0006p2IOF7*)回229fXo)goo5g缈8(*力师雨I0.0158图2薄环壁轴向台阶深孔系表1薄环壁轴向台阶深孔系结构参数名称参数指标要求深孔系数量理8较多孔径Omm67.5较小尺寸公垄ZmmOjO18-0.022脑几何公均mm同轴度60.015平行度0.06高表面粗糙度值KHm1.6等级较高零件壁厚（5Anm0.75-1.7
3、5薄形状薄壁环体难装夹材质30CrMnSlA/啜.28-32HRC难加工CE3Q中间T望g钻引叫T豁I（结取A懂成a输孔中大孔扩台阶孔中大孔图3通用加工技术工艺路线2.2 通用加工技术存在的问题1）当薄环壁轴向台阶深孔系的深度与孔径比较大时，钻头的长度与直径比变大，使钻头的强度降低，在钻削作业时很容易钻偏，导致孔体轴线发生一定偏移。2）当薄环壁轴向台阶深孔系的孔径较小时，刀具刚性差、强度低、散热困难且排屑不畅，经常出现孔径变大、锥形孔等缺陷，无法保证孔径的尺寸公差、几何公差及表面粗糙度等技术要求。因此，采用通用加工技术进行薄环壁轴向台阶深孔系的加工，其过程不稳定。2.3 通用加工技术难点根据以
4、上图表分析，薄环壁轴向台阶深孔系结构的加工难点主要有4处：薄壁环体的径向静刚度不足，很容易发生装夹失稳。台阶深孔的轴线很容易偏离,平行度0.06mm很难保证。台阶深孔中7.5+0.022+0mm孔与6+0.018+0mm孔的同轴度60.015mm很难保证。台阶深孔系的加工工步繁杂，加工效率很低（约6h件）。3 .改进后的工艺方案口1径递谶分步学W*匚台阶深孔化力短轴向装/夹薄环壁*面针对通用加工技术的缺陷，采用量化力矩，轴向装夹薄环壁端面，按孔径递减工序分步半精加工台阶深孔，用硬质合金内冷螺旋切削刃台阶复合成形较刀精加工台阶深孔。上述复合加工工艺，实现了薄环壁轴向台阶深孔系有效加工的目的。基于
5、以上技术分析及思路，工艺方案的流程如图4所示。台/中U1.gJ-ijg1111xb11rrv.师标市_钻自阶孔中日阶孔Ei、化收1.n小孔引导孔出质合金内冷螺捺切制刃台防复合成形较Q超加IA阶深几图4薄环壁轴向台阶深孔系加工流程（1）压板压薄壁环体端面用压板沿薄壁环体的轴向压薄壁环体端而，压点沿薄壁环体圆周端面均布。因薄壁环体的径向静刚度不足，在此方向采用自定心卡盘、单动卡盘、压板等工艺装置夹紧，容易产生装夹变形及装夹失稳。而薄壁环体的轴向静刚度足够,在此方向采用压板压紧，不会出现装夹变形及装夹失稳。（2）力矩扳手拧紧压板用力矩扳手将压板拧紧，从而夹紧薄壁环体。一般拧紧力矩为910N-m,装夹
6、过程如图5所示。图5力矩扳手拧紧压板（3）钻中心孔用中心钻，制出台阶深孔的定位中心孔。（4）钻台阶孔中大孔预钻孔用硬质合金内冷钻头，在台阶深孔中心孔位置上制出台阶孔中大孔的预钻孔。（5）钻台阶孔中小孔引导孔用引导钻，制出台阶深孔中小孔的底引导孔。（6）钻台阶孔中小孔预钻孔用硬质合金内冷钻头，在台阶深孔中小孔的底引导孔位置上制出小孔的预钻孔。（7）钱成台阶孔用硬质合金内冷螺旋切削刃台阶复合成形较刀，定位后一次完成切削台阶深孔孔壁和台阶的整体较削，被刀结构如图6所示。硬质合金内冷螺旋切削刃台阶复合成形较刀具有以下特点。a）硬质合金内冷螺旋切削刃b）复合较刀图6硬质合金内冷螺旋切削刃台阶复合成形较刀
7、1）硬质合金材质。硬质合金刀具材质硬度高，可切削30CrMnSiA等硬度高的材料。硬质合金刀具切削线速度较高，在加工工件表面时可以得到较高的表面粗糙度等级。2）表面耐磨涂层。刀具表面有耐磨涂层，使刀具更耐磨、寿命更长，防止工件加工后表面粗糙度等级降低。3）内冷却。刀具有强制内冷却功能，可以降低刀具、工件的切削温度，缓解刀具、工件间的切削摩擦。冷却孔垂直向下，可以强制排屑，减少切屑与刀具、工件间的摩擦、挤压，可提高加工表面的表面粗糙度等级，减少刀具切削刃磨损。4）螺旋切削刃。钱刀的螺旋切削刃与直切削刃相比，加工时不易发生切削振动，明显降低切削振纹的几率，可得到更好的加工精度和表面粗糙度等级。5）
8、台阶复合形状。钱刀形状契合台阶深孔的形状，台阶两外圆的同轴度0.002mm,从而一次定位切削即可成形台阶深孔，并可保证台阶深孔的尺寸公差、几何公差、位置公差及表面粗糙度等切削要素。（8）注意事项加工设备一般为加工中心，设备径向圆跳动W0.003mm0预钻孔钻头钻入引导孔时，应低转速、小进给量进入，暂停几秒后，再以正常的转速及进给量进行加工，防止因刀具摆动过大而引起刀具损毁或折断。刀具冷却要充分。4 .实施效果4.1 加工结果对比薄环壁轴向台阶深孔系加工结果见表2和图7表2薄环壁轴向台阶深孔系加工结果技术要求通用加工技术改进后工艺尺寸公差Znun00Q22有均差0.010-0.013几何公差Zn
9、un同轴度0.015有的差同轴度V603平行度VoJD6WOJ02表面粗制度低Raim1.6有蝌能1.2生产效率/mi件36020合格率（%）一88l费盘满意度慕本满意非常满意a）产品端面b）产品环面图7薄环壁轴向台阶深孔4.2 加工刀具对比两种技术使用的刀具种类及数量对比情况如图8所示，左侧为通用技术使用的8种刀具，右侧为改进技术使用的4种刀具。由图8可知，改进后技术较通用加工技术使用的刀具种类、数量都大幅减少，相应的加工工步数量、加工时间也大幅缩减。图8两种技术使用刀具对比4.3 效果统计综上所述，经采用薄环壁轴向台阶深孔系加工方法取得了以下效果：薄环壁轴向台阶深孔的同轴度0.015mm0
10、薄环壁轴向台阶深孔系间的平行度0.06mmo薄环壁轴向台阶深孔的表面粗糙度值Ra1.6Um。薄环壁轴向台阶深孔的加工效率可提高8倍以上。5 .结束语通过薄环壁轴向台阶深孔系加工工艺改进，解决了该类结构难以加工的问题，提高了薄环壁轴向台阶深孔系加工的精度和效率，在实际生产中取得了很好的效果。附深孔加工技术工艺分析1引言机械制造行业中，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。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
11、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。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，深孔加工的基
12、础相对薄弱，因此加强深孔加工的研究势在必行。2深孔加工方法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。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
13、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。5.1 大、中直径深孔加工5.1.1 深孔枪钻枪钻系统主要用于64J0mm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；Kondratenko1.等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，
14、揭示了热流脉动对摩擦系数和切削力的影响规律；NeoD.等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；ZhangX.等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。5.1.2 BTA钻BTA钻是由欧洲“钻像孔与套料加工协会”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。工件密封圈高压油入口BTA钻头导套授油器钻杆图2BTA钻系统结构张煌建立了新型三导向条的刀具与工件系统动力学模型
15、，并验证了新型三导向条刀具的优势（见图3）；吴竹兵等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MAT1.AB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；1.iX.等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5.1.3 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IT
16、11级，加工表面粗糙度为Ra3.2m0.8m,其所加工孔的直径一般不能小于18mm。陈建兵等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5.1.4 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66mm）,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.后喷嘴图5DF系统结构董振在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。15通”图6脉冲式DF系统方案庞俊忠等针对深孔加工中排屑难及效率低
17、的问题，设计出一种刀具旋转的DF钻削系统；潘杰针对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。5.2 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
18、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；YangF.等采用电化学加工（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；CaoZhongli等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
19、加工精度；WangY.等提出了将电化学加工（ECM）和激光束加工（1.BM）的优点相结合的混合加工工艺一一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9o图9超声加工微小深孔NatsuW.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；KongWenjUn等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；1.i
20、uY.等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深孔加工检测及控制5.3 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；ShenXin
21、gquan等设计了一种后置式深孔加工在线检测及纠偏装置；SiY.等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；ThanikaSalamA.等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；KozochkinM.P.等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。5.4 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
22、镶刀，阐述了自导向及其防振功能（见图10）o图10内扩孔键刀三维实体模型李少敏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。
23、孟凡冲设计了非线性减振槽双层键杆结构，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；ZhangHUang等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；张继明等采用P1.C调节顶紧
24、力的大小，提高了高速深孔加工效率与稳定性；张煌等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。5.5 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。（八）钻深孔(b)深孔布磨图11车轴实物加工田春雷等提出了设计专用夹具、改进找正方法和改进深孔镶刀三项措施，成功解决了深孔断续切削不稳定问题；王宁运用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；孔博等选用超长
25、防振快速更换刀头的键刀杆，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。4深孔加工应用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。韩子琦以发动机曲轴斜油孔加工为例，详细论述了半干式加工(MQ1.)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Ti6A14V钛合金枪钻加工试验；刘扬等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
26、式加工中心及坐标像床来实现偏心斜孔及深孔的加工；WangM.等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。5结语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。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。
