第1章绪论

机械制造业中的深孔加工已经应用到很多领域，如航空航天、船舶、石油勘探、医疗器械、模具制造等。随着行业技术的发展和新材料的出现，在各种难加材料上进行深孔加工的问题尤显突出，深孔加工已成为机械加工中一道必不可少的关键性工序。深孔加工是在封闭或封闭状态下进行的，在切削过程中不能直接观察到刀具的切削情况，并且切削热不易传散、切屑不易排出、工艺系统刚性差等现象，直接影响零件的加工质量。深孔加工一直是机械加工的难点，目前对难加工材料的深孔加工技术的研究还没有取得突破性进展。本章主要介绍深孔加工基础知识。

1.1

深孔加工技术简介

1.1.1

深孔的定义

孔加工有浅孔加工和深孔加工，以及介于两者之间的中深孔加工。一般将孔深L与孔径d之比大于5，即L/d>5时，称为深孔；L/d<5时，称为浅孔。为何如此规定呢?一般实心料上的孔加工采用标准麻花钻进行钻削，麻花钻的螺旋角如图1.1所示。麻花钻结构中，直径d、螺旋角β和螺旋槽导程P之间的关系为

在生产实践中，为了保证切屑顺利排出，麻花钻一次钻到底时（中途不退出的钻孔深度L通常不超过螺旋槽导程P的3/4，即L<3P/4，代入式(1.1)得

一般条件下，麻花钻的寿命随螺旋角的增大而增大。螺旋角越大，则前角越大，切削更轻快，转矩和轴向力更小，有利于排屑。但螺旋角过大，会削弱切削刃强度，使散热条件恶化，容易产生崩刃，同时会增大排屑路程和排屑阻力。通當根据被加工材料的性能来选择合适的麻花钻螺旋角。H型螺旋角(10°~15°)适用于加工硬材料，如硬塑料、黄铜等：N型螺旋角(15°~36°)适用于加工普通材料如中碳钢、低碳钢等：W型螺旋角(38°~45°)适用于加工软材料，如不锈钢、软铝、紫铜等。常用的麻花钻螺旋角β推荐在25°~30°，由式(1.2)可得L/d<4.08~5.05通常麻花钻的钻孔深度和孔径之比不超过5，因此，工程上把L/d>5的孔称为深孔。孔的深度与直径之比，决定了孔加工工艺系统的刚度及刀具结构的特点。L/d增大，工艺系统刚度降低，切屑排出及冷却润滑的难度加大。

随着机械技术的发展，机械产品中出现大量长径比L/d>50的深孔，生产中常将长径比L/d>50的深孔称为超细长深孔。作为机械加工的关键性工序，超细长深孔加工难度比较高，常规加工工艺难以满足生产需求，成为现代机械加工的瓶颈之一。因此，超细长深孔加工工艺是机械加工研究的重要课题。

1.1.2深孔加工技术的发展历程

深孔加工技术经过长期的发展，主要经历了以下几个阶段[1,2]；

(1)20世纪初期，西方工业发达国家军事部门发明了单刃钻，因用于加工枪孔而取名枪钻，也称月牙钻或外排屑深孔钻。

(2)1943年，德国的Beisher研制出了毕斯涅耳系统(即内排屑深孔钻削系统)，后经深孔加工国际孔加工协会加以完善并命名为BTA钻孔法。

(3)1963年，瑞典山特维克公司发明了喷吸钻，巧妙应用喷吸效应，可以采了排屑过程。用较低的切削液压力，使切屑在推、吸效应下排出，降低了系统的密封性，改善

(4)20世纪70年代中期，由日本冶金股份有限公司研制的单管双进油(double）两者的优点结合起来。（feeder,DF)钻，增加了一个具有喷吸效应的油压头，成功把BTA钻孔法与喷吸钻

(5)20世纪80年代，我国研究人员在总结归纳传统深孔加工技术的基础上，发明了单管内排屑喷吸钻技术（即SIED技术）。该技术完善了DF钻的抽屑设计。使抽屑能力有所提高，而且对内排屑钻头进行了优化。以上五种不同阶段的深孔加工技术在钻杆结构、供油方式、刀具制造成本等方面具有各自的特点，适用的孔径范围、深度范围、加工精度和表面质量各不相同。

1.1.3 深孔加工技术的研究方向

深孔加工技术是一项多学科交叉的综合应用技术，目前在理论和应用方面都还不够成熟，迫切需要对其理论和技术进行更加深入的研究。随着数字化技术、传感技术、信息技术等的快速发展和不断融合，深孔加工技术将朝智能化、多样化、环境友好的方向不断发展。

1.深孔刀具磨损与破损研究

数控机床、加工中心、自动线生产中，不仅要求深孔加工刀具高效耐用，而且需要特别稳定可靠。科学技术的发展以及新型难加工材料的日益增多，对深孔加工的精度、生产效率提出了更高的要求，而且出现一些长径比大于 500，甚至1000以上的深孔，使得刀具的切削路线相当长，对刀具的耐用度提出了更高的要求。对深孔刀具磨损与破损的研究是提高深孔刀具耐用度的一项主要研究课题，以研究金属切削过程中的摩擦与磨损为基础的“金属切削摩擦学”和“摩擦物理

学”等新兴学科已初步形成(31。

2. 切削加工方法的研究

为适应种类越来越多、加工难度越来越高的新工程材料的深孔加工，传统的切削加工方法已发展出了非传统切削加工方法。传统切削加工方法是以机械力学为基础的单刃或者多刃刀具的切削加工方法，非传统切削加工方法是利用化学、物理（电、声、光、热、磁）等方法对工件材料进行加工的方法，如热切削法、低温切削法、磁化切削法和振动切削法等非传统切削加工方法可以改善切屑形态、切削力、刀具耐用度及已加工表面质量等。例如，低温切削时，刀具的热磨损对它的耐用度和已加工表面质量影响最大，当工件材料的温度降到-20℃时，可以抑制积屑瘤的产生，同时改变切削区的摩擦状态，避免已加工表面出现鳞刺、犁沟，减少表面微裂纹，提高表面质量4]。深孔电加工和深孔超声波振动加工运动简单、无变形、毛刺少、刀具费用少，主要用于高硬度、高强度的难加工材料加工，特别适用于大批量生产。

3.深孔刀具材料的研究

随着航天、航空、海上石油钻探及高温、高压技术的飞速发展，出现了超高强度、高硬度、耐高温、抗蠕变的特殊合金，切削这类材料十分困难。某些工程材料虽然有优良的物理机械性能，但是因为很难切削或无法切削，无法在工业中应用。因此，研究开发新型刀具材料十分紧迫。研究和开发趋势有以下方面：新型的陶瓷刀具材料，如s-8氢化硅陶瓷刀片，硬度为89~91HRA，切削速度可高达 1828m/min；耐磨性和化学稳定性都很好的新型陶瓷刀具材料；聚晶块和复合式刀片，其切削速度高、表面粗糙度小、精度好；刀具多层耐磨涂覆技术。多涂层工艺是在硬质合金基体上依次涂上结合层、过渡层和耐磨层，各层极薄并经反复

涂覆S。例如，Widalon TK15刀片，涂有13层，几乎可以在各种切削条件下使用。深孔加工技术从产生以来经过了数代科研人员的改良，获得了长足的进步，

但是深孔加工自身固有的加工缺陷却始终存在，如切屑排出困难，切削液难于输

送，不便于观察等。如何进一步减小这些缺陷对工件加工及加工质量的影响是今

后研究的重中之重。

1.1.4 难加工材料超细长精密深孔加工的关键技术问题

超细长深孔往往体现为：长径比大，L/d>50；尺寸精度高，大于IT7；表面粗糙度小，Ra<1.6μm。同时一些新材料的使用，如高强度、高硬度的难加工材料（钛合金、纯钛、无氧铜、高温镍基合金、沉淀硬化不锈钢、铍青铜等）给深孔加

工带来了一系列技术上的困难，从而形成了难加工材料超细长精密深孔加工技术。

难加工材料超细长精密深孔加工技术是国内外深孔加工领域的主要关注对象，其研究主要包括以下几个方面。

1. 难加工材料超细长钻削和镗削工艺

难加工材料超细长钻削和镗削的研究主要集中在以下几个方面：

(1)超细长深孔钻削和镗削方式。超细长深孔钻削方式通常有四种：枪钻钻孔法、BTA 钻孔法、喷吸钻钻孔法和DF钻孔法。一般大孔径（孔径大于 20mm）选择BTA 钻孔法，小孔径（孔径小于或等于20mm）选择枪钻钻孔法。例如，对镍基高温合金 GH4169材料进行超细长深孔钻削，钻孔孔径为36mm，长度为5440mm，长径比达151，选择BTA钻孔法6。

(2)刀具材料和刀具几何参数。根据难加工材料的切削特性，通过理论优化进行刀具材料和刀具几何参数的设计。例如，高温镍基合金GH4169材料、钛合金材料和4145H 钻铤钢材料超细长深孔钻削，选用的刀片材料决定了整个钻削过程能否正常进行。从刀具的角度上讲，难加工材料断屑性能非常差，刀具的角度直接影响断屑性能和刀刃的强度，应采用合理的刀具几何角度问。

(3)超细长深孔轴心线偏斜问题。深孔轴心线偏斜问题是目前存在的一个技术难题。当钻孔长径比大于50时，深孔轴心线的偏斜一般无法预测和控制。孔轴心线偏斜到一定程度后，开始急剧变化，此时，孔直线度大大超差，钻头甚至会从工件中间“水平”钻出，造成工件报废，钻头损坏，经济损失较大。超细长深孔钻削过程中孔轴心线偏斜的控制主要涉及两个关键性问题：第一个是深孔钻削过程中孔轴心线偏斜量的测量问题；第二个是发现被加工孔轴心线偏斜后的纠偏措施问题。第一个问题使用超声波测厚仪连续在线检测回转体深孔零件的壁厚，通过测量零件壁厚来判断深孔刀具是否走偏及其偏斜量；第二个问题可通过两种途径进行纠偏，采用附加外力纠偏法控制孔的轴心线的偏斜，即工件上附加外力纠偏和刀具上附加外力纠偏。

(4)切屑形态的控制。难加工材料在超细长深孔钻削和镗削时，由于切削路线比较长，材料性能优良，因此切屑的处理尤为重要。根据金属切削的切屑形态理论和断屑理论，通过力学断屑机理和几何断屑机理实现切屑形态的控制和断屑目的，解决超细长深孔钻削过程中排屑难、堵屑以及刀具失效问题。

2. 难加工材料超细长精密深孔加工方法

难加工材料超细长精密深孔加工主要表现为尺寸精度和表面质量的控制。将强力珩磨技术用于超细长精密深孔加工工艺中，结合理论建模和试验研究的方法，设计新型珩磨头，合理选取油石磨粒和珩磨用量，实现难加工材料超细长精密深孔加工中的尺寸精度和表面质量的控制。深孔珩磨技术已成为一种精密、高效的加工技术，又称为强力珩磨技术。强力珩磨技术在精密深孔加工领域效果极佳。强力珩磨在磨削工件时压力大，是普通珩磨的5~7倍；加工余量大，是普通珩磨的10~20倍；磨削效率高，是集磨削、精整和修光三位一体的精密加工工艺。强力珩磨工艺可以省去粗镗、浮动镗、精镗等工序，在粗钻或粗镗后直接进行珩磨，对珩磨前工序要求不高。采用强力珩磨技术的加工质量一般优于普通珩磨工艺，尺寸精度可达IT5，表面粗糙度Ra为0.2um。强力珩磨技术能有效解决难加工材料超细长精密深孔加工问题，其关键问题是珩磨头的设计、珩磨油石的选择和珩磨工艺参数的确定。

3.深孔加工机床及结构

虽然深孔加工机床的种类很多，但都不具有通用性。为了实现难加工材料超细长深孔的钻削和精加工，出现了大长径比的卧式深孔钻镗床、深孔枪钻机床、深孔珩磨机床、数控三坐标深孔钻镗床等新的深孔加工机床型号和机床结构。例如，数控三坐标深孔钻镗床应用现代化数控技术和伺服技术，综合外排屑系统和内排屑系统以及DF系统，可实现回转体和非回转体类零件上的超细长深孔钻削，长径比L/d达400，钻孔直径范围为6~32mm，最大钻孔深度为2500mm。加工系统主要以内排屑深孔加工系统(BTA系统)为主，同时兼顾外排屑深孔加工系统（枪钻系统），实现一机双系统，扩大了机床的工艺范围，可根据生产需要选用BTA钻头和枪钻钻头。排屑系统采用负压抽屑装置(DF系统)，解决了超细长深孔钻削

排屑困难问题，减小了排屑系统的压力，增大了钻孔直径范围，最小直径可达6mm结构和控制采用直线导轨加三轴伺服控制，以实现主运动和进给运动的无级变速主轴转速范围为200~3000r/min，刀具进给速度为10~800mm/min，达到超细长深孔钻削的工艺要求。

4.贵重金属的套料技术

贵重金属深孔套料技术以环形切削方式在实体材料上加工孔。加工后能留下料芯，可以节约材料，减少机床的动力消耗。深孔套料中要注意的主要问题之一是切屑的控制和刀头结构的选择。通常采用理论建模和试验的方法，研究典型贵重金属材料（钛合金、无氧铜、铝合金）的加工性能，确定深孔套料刀具的结构、刀片材料、几何参数和切削用量，实现贵重金属材料的套料加工。例如，钛合金材料的深孔套料加工，套料孔径为70~300mm，料芯芯轴直径为40~270mm.长度为3000mm；无氧铜(TU1)深孔套料加工，套料孔径为70~200mm，料芯芯轴直径为40~160mm，长度为2000mm[10]。