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在現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中，孔加工占所有機(jī)械加工的比重超過了1/3。長(zhǎng)徑比（即孔深L和直徑D的比值L/D）大于5的孔稱為深孔，長(zhǎng)徑比大于100的一般又稱超深孔，深孔加工過程中會(huì)遇到諸如導(dǎo)向、排屑、冷卻等問題的干擾，進(jìn)而影響深孔的表面粗糙度和直線度誤差。
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國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)深孔直線度誤差進(jìn)行了大量的理論和試驗(yàn)研究，并得出了一些結(jié)論。Deng C.S.等研究了機(jī)床輔具對(duì)孔直線度的影響，得到了客觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；Richardson R.等對(duì)深孔鉆桿的導(dǎo)向條進(jìn)行了研究，用試驗(yàn)證明了導(dǎo)向條對(duì)直線度誤差的影響；Weinert K.等研究了加工參數(shù)和表面粗糙度的關(guān)系，指出了鉆桿振動(dòng)對(duì)直線度誤差的影響。付康康等通過運(yùn)用磁流變技術(shù)抑制鉆桿的振動(dòng)以減小深孔直線度誤差；高本河等對(duì)孔軸線偏斜進(jìn)行了分析，得出采取一些糾偏措施可改善深孔的直線度誤差的結(jié)論；李耀明等利用擠壓油膜的原理抑制鉆桿的振動(dòng)，從而控制深孔直線度誤差。

以上學(xué)者對(duì)常規(guī)深孔的直線度誤差進(jìn)行了一系列的研究，為減小深孔直線度誤差提供了理論和實(shí)踐支持。但是隨著各種具有特殊功能的零部件的設(shè)計(jì)與研發(fā)，對(duì)深孔的要求也朝著高長(zhǎng)徑比、高直線度要求的方向發(fā)展。因此，對(duì)具有高精度和高長(zhǎng)徑比等要求的深孔加工直線度誤差做進(jìn)一步的研究具有現(xiàn)實(shí)意義，本文基于槍鉆系統(tǒng)對(duì)深孔加工直線度誤差進(jìn)行分析和研究。

1  槍鉆工作原理
槍鉆加工系統(tǒng)主要由系列化的槍鉆、輸油器、排屑器、中心架等組成的輔具，配備特定控制系統(tǒng)的專業(yè)機(jī)床等組成。槍鉆加工系統(tǒng)的工作原理見圖1。槍鉆進(jìn)入工件后，槍鉆獨(dú)特的結(jié)構(gòu)為鉆桿提供導(dǎo)向；切削液經(jīng)槍鉆內(nèi)部通道進(jìn)入切削區(qū)域，對(duì)其進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑；高壓切削液沖出的切屑通過槍鉆外部的V形槽經(jīng)由排屑器排出機(jī)床，切削液在過濾之后被循環(huán)利用，槍鉆系統(tǒng)屬于外排屑加工方式。


圖1  槍鉆工作原理


2  槍鉆深孔加工直線度誤差產(chǎn)生機(jī)理
由于機(jī)床、工裝、刀具的制造精度和剛度的局限，在深孔鉆加工中，特別是長(zhǎng)徑比很大的超深孔加工中，深孔的直線度誤差被不斷放大，導(dǎo)致孔的超差和工件報(bào)廢?；跇屻@進(jìn)行超深孔加工時(shí)的初始偏移量，導(dǎo)向套與槍鉆之間的間隙值，系統(tǒng)偏心三個(gè)方面對(duì)直線度誤差產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行理論分析與研究。

（1）初始偏移量
圖2為初始偏移量q0對(duì)深孔直線度的影響。由圖2可知，由于槍鉆刀具結(jié)構(gòu)自身特點(diǎn)，在開始切削時(shí)，槍鉆內(nèi)外刃切削力不對(duì)稱且大小不一致，同時(shí)，由于槍鉆的鉆桿支承剛性差，深孔加工初始階段會(huì)產(chǎn)生偏移量q0。即使初始偏移量q0很小，在進(jìn)行超深孔等非常規(guī)孔的加工時(shí)，隨著加工過程的進(jìn)行，初始偏移量q0被不斷放大，最終表現(xiàn)為槍鉆鉆頭的偏移量δ急劇增大。任意位置Zn處的深孔直線度偏斜量，Δl為槍鉆的單位進(jìn)給量；θn-1為槍鉆鉆頭在Zn-1處的偏斜角。

由以上公式可以看出初始偏斜量q0對(duì)深孔軸線偏斜的作用呈現(xiàn)指數(shù)變化的影響趨勢(shì)。對(duì)于超深孔等非常規(guī)孔加工的后半段，伴隨著所加工深孔深度Z的增大，偏斜量的變化將越來越劇烈，深孔直線度將越來越差。


圖2  初始偏移量q0對(duì)深孔直線度的影響

（2） 配合間隙
圖3為導(dǎo)向套與槍鉆間隙值Δ示意圖。由圖可知，導(dǎo)向套孔徑比鉆頭直徑大Δ，槍鉆進(jìn)入工件之前，導(dǎo)向套中心線和槍鉆鉆桿中心線重合。但是在鉆桿進(jìn)入工件時(shí)，由于槍鉆結(jié)構(gòu)特殊性，外刃的徑向力大于內(nèi)刃，這一差值將鉆頭推往內(nèi)刃方向，從而鉆桿中心線O'與導(dǎo)向套中心線O偏斜微小角度θ，引起直線度誤差。在槍鉆鉆桿發(fā)生偏斜的情況下，ab的長(zhǎng)度Lab∈（0，Δ），圖片，ac的長(zhǎng)度Lac∈（0，l），圖片（l為導(dǎo)向套長(zhǎng)度，k1、k2為常數(shù)，且k1>1，k2>1）。所以，圖片。


圖3  導(dǎo)向套與槍鉆間隙值Δ

由以上分析可知，當(dāng)槍鉆鉆頭和導(dǎo)向套之間的間隙值Δ增大時(shí)，偏斜角θ增大，造成深孔軸線偏斜，導(dǎo)致鉆桿的轉(zhuǎn)矩過大，深孔的孔徑誤差和直線度誤差增大，影響加工精度。因此，間隙值Δ也不宜過大，一般導(dǎo)向套的公差設(shè)置要使其尺寸比槍鉆稍大0.005-0.01mm。

（3）系統(tǒng)偏心
由于導(dǎo)向套或主軸裝配等原因引起的系統(tǒng)裝配偏心，或由于工件因熱處理不充分等引起的材料不均勻，由切削力的不均勻產(chǎn)生的偏心，這些偏心因素的存在，在進(jìn)行深孔加工時(shí)，都會(huì)使槍鉆鉆桿會(huì)因載荷的作用而產(chǎn)生偏斜。進(jìn)行長(zhǎng)徑比非常大的超深孔加工時(shí)，這些偏心所引起的鉆桿偏斜同樣會(huì)在加工后期得到無限的放大，導(dǎo)致深孔直線度超差。如圖4所示，當(dāng)系統(tǒng)的偏心量為δB時(shí)，槍鉆鉆桿系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化為一端固定一端鉸支的梁模型，在軸向力FPx和徑向力FPy作用下，槍鉆鉆桿軸線發(fā)生偏斜。其中，F(xiàn)Px為鉆頭的軸向切削力，F(xiàn)Py為鉆頭徑向切削力，θn為任意位置鉆頭與槍鉆鉆桿中心線的夾角，en為鉆桿軸線任意位置的偏斜量，δB為系統(tǒng)偏心量，L為鉆桿總長(zhǎng)，x，y為任意位置鉆桿的橫縱坐標(biāo)值。


圖4  系統(tǒng)偏心引起的槍鉆鉆桿軸線偏斜的力學(xué)模型

系統(tǒng)的偏心量δB決定槍鉆鉆桿的軸線偏斜量。因此，提高槍鉆系統(tǒng)的裝配精度，減小各零部件的裝配偏心，提高零部件如導(dǎo)向套的制造裝配精度，降低系統(tǒng)的整體偏心，對(duì)于改善深孔軸線偏斜降低直線度誤差有一定作用。

4  改善深孔加工直線度誤差的方法

根據(jù)以上對(duì)深孔直線度誤差產(chǎn)生機(jī)理的研究，可以得出可采取的降低深孔直線度誤差的方法有：

①提高被加工工件的質(zhì)量，工件材料需要經(jīng)過充分的熱處理工藝，以減少由于殘余應(yīng)力等原因造成的切削力變化而引起的直線度誤差。工件表面需要進(jìn)行預(yù)加工，避免因工件端面不平造成深孔偏斜所引起的深孔直線度誤差。

②選擇合理的刀具幾何角度，根據(jù)不同材料選擇不同的刀具角度，進(jìn)而充分利用槍鉆的特點(diǎn)。對(duì)槍鉆進(jìn)行刃磨時(shí)，應(yīng)使切削力平衡，盡量減少鉆桿的力矩。對(duì)導(dǎo)向條的刃磨，應(yīng)保證槍鉆的自導(dǎo)性這一根本前提，根據(jù)所加工工件的實(shí)際情況進(jìn)行刃磨。

③提高導(dǎo)向套精度，包括導(dǎo)向套的制造精度和安裝精度，導(dǎo)向套對(duì)于槍鉆深孔加工有著至關(guān)重要的作用。對(duì)于一些長(zhǎng)徑比大等非常規(guī)孔，導(dǎo)向套需要用與槍鉆鉆桿相同的硬質(zhì)合金材料制造，以保證導(dǎo)向套具有足夠的保持能力。其中，導(dǎo)向套與鉆桿的同軸度與偏心量，導(dǎo)向套與機(jī)床的配合精度，以及導(dǎo)向套與槍鉆鉆桿的間隙值，這些因素都對(duì)導(dǎo)向套產(chǎn)生作用有著決定性的作用。

④此外，切削用量的合理選擇，不同的加工情況選用不同的切削液及其入口壓力，減少外部振動(dòng)對(duì)機(jī)床穩(wěn)定性的干擾等，對(duì)改善深孔直線度誤差也起著積極的作用。

5某軸承座超深孔試驗(yàn)加工
某批支承輥軸承座的油氣回路為φ11mm×1260mm的孔，要求表面粗糙度Ra1.6μm，直線度誤差控制在1.0mm以內(nèi)，屬于超深孔加工的范疇（見圖5）。由于孔的長(zhǎng)徑比達(dá)到了110以上，所以深孔鉆削難度較大。在鉆削超長(zhǎng)孔時(shí)，隨著加工的進(jìn)行，很小的偏斜量也會(huì)導(dǎo)致最終深孔軸線的累計(jì)偏斜量超差。本次試驗(yàn)將從導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)和制造裝配精度、槍鉆導(dǎo)向條刃磨方面對(duì)工件進(jìn)行試驗(yàn)加工。


圖5  軸承座深孔

試驗(yàn)采用精準(zhǔn)機(jī)械生產(chǎn)的DH1300槍鉆機(jī)床，該型號(hào)機(jī)床的加工孔徑為2-38mm，X、Y、Z軸的行程分別為1350mm、1000mm和1300mm，主軸最高轉(zhuǎn)速6000r/min，進(jìn)給速度1-180mm/min。配備使用標(biāo)準(zhǔn)BOTEK-110型硬質(zhì)合金槍鉆，槍鉆切削刃各個(gè)角度如圖6所示。進(jìn)給量f=0.025mm/r，轉(zhuǎn)速v=80m/min。

圖6  槍鉆切削刃角度

由于槍鉆特有的V形槽結(jié)構(gòu)，在槍鉆鉆頭尚未完全切入工件前，旋轉(zhuǎn)的槍鉆的質(zhì)心會(huì)偏向V形槽的對(duì)面。所以，在進(jìn)行鉆套的設(shè)計(jì)時(shí)，嚴(yán)格控制了鉆套和鉆頭之間的間隙，鉆套的內(nèi)孔尺寸為圖片，以減少孔加工的入口偏差。如圖7所示，導(dǎo)向套整體采用組合式的結(jié)構(gòu)，由鉆套、定位套兩部分組成。

鉆套和定位套二者為過盈配合，以確保加工過程中它們之間不產(chǎn)生相對(duì)位移，同時(shí)保證導(dǎo)向套各部分的垂直度、同軸度等公差。在導(dǎo)向套的設(shè)計(jì)制造過程中，嚴(yán)格保證導(dǎo)向套各處的形狀與位置公差。進(jìn)行導(dǎo)向套和槍鉆的安裝時(shí)，嚴(yán)格控制偏心量，以降低系統(tǒng)偏心，減小因系統(tǒng)偏心而導(dǎo)致的直線度誤差。


圖7  組合式導(dǎo)向套零件

用該槍鉆所加工出的深孔直線度誤差和表面粗糙度滿足技術(shù)要求，但直線度誤差分布不均勻，在很大的范圍內(nèi)波動(dòng)。分析原因?yàn)榇舜斡玫臉屻@導(dǎo)向條布局接觸面積大，在加工中槍鉆導(dǎo)向條與工件孔內(nèi)壁的摩擦力大，鉆桿和工件間的切削熱增多，引起槍鉆的磨損加劇，影響槍鉆的加工性能。

因此，對(duì)槍鉆的導(dǎo)向條進(jìn)行刃磨，保證槍鉆自導(dǎo)向功能的同時(shí)，降低導(dǎo)向條的面積。摩擦力和切削熱減少，槍鉆的磨損降低，使直線度誤差趨于穩(wěn)定。槍鉆導(dǎo)向條進(jìn)行刃磨后，對(duì)該批次剩余的工件進(jìn)行加工，測(cè)量結(jié)果顯示，直線度誤差雖因槍鉆正常磨損而小幅上升，但總體趨于穩(wěn)定。圖8為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)，槍鉆鉆穿工件圖。圖9為導(dǎo)向條刃磨前后的直線度誤差測(cè)量值對(duì)比。

小結(jié)
介紹了深孔直線度誤差的研究現(xiàn)狀，從深孔加工時(shí)槍鉆的初始偏移量、導(dǎo)向套和槍鉆間隙和系統(tǒng)偏心三個(gè)方面對(duì)深孔直線度產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究。根據(jù)直線度產(chǎn)生機(jī)理的理論分析，提出改善和控制直線度誤差的可用方法。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了利用具有高制造安裝精度和適宜間隙值的組合式導(dǎo)向套，對(duì)改善深孔直線度誤差起著重要的作用；在此基礎(chǔ)上在保證其自導(dǎo)向功能的前提下，對(duì)槍鉆導(dǎo)向條進(jìn)行刃磨，減小導(dǎo)向條的面積，對(duì)減小深孔直線度誤差的波動(dòng)有著一定的促進(jìn)作用。

本文介紹了深孔直線度誤差檢測(cè)的相關(guān)知識(shí)，如果您還想了解更多：深孔加工尺寸精度檢測(cè)方法，可以點(diǎn)擊閱讀！

來源：原載《工具技術(shù)》  作者：李衛(wèi)國(guó)