孔加工技术的发展动向

在机械加工中，孔加工约占其加工总量的1/3。孔加工是半封闭式切削，因此，排屑、热量传散、切削液浇注都较困难，而且加工难度较大。随着科学技术的进步，在机械产品零件中，对孔的精度和表面粗糙度要求日益提高，而精密孔的加工常常成为生产关键，亟待解决。

孔加工技术除应研究加工时所采用的机床设备和刀具（所谓硬件）外，还要研究如何有效地使用好这些装备的应用技术（所谓软件）。

孔的定义与分类

什么是孔？根据国家标准GB1800—1979的规定：孔主要指圆柱形的内表面。由此可知，广义的孔泛指包容面。孔通常可按如下方法分类：

（1）按形状来分。有圆柱孔、圆锥孔、鼓形孔、多边形孔、花键孔和其它异形孔以及特形孔（如弯曲孔）等。其中，以圆柱孔使用最为广泛。

（2）按形态来分。有通孔及盲孔（不通孔）；深孔（指孔的深度L与孔径D之比超过5的孔，L/D简称深径比或长径比；L/D=5~20属一般深孔，L/D﹥20~30属中等深孔，L/D﹥30~100称为特殊深孔）及浅孔。

（3）按孔径的大小来分。有大孔（D﹥100mm）、普通孔(D=10~100mm)、小孔(D=1~10mm)和微孔(D<1mm的孔)。

（4）按加工机理来分。有机械加工、特种加工（见表1）、机电复合加工等。尽管特种加工方法较多，但目前由于设备比较昂贵和加工效率不高等原因，所以无论是现在还是可预见的未来，传统的机械加工仍将是孔加工的主要手段。
表1 孔加工的方法

（5）按加工精度分。有粗孔（如钻孔和粗镗后的孔）、半精孔（如扩孔、粗铰、半精镗的孔）和精密孔（如精铰、精拉、精磨、珩磨、研磨后的孔）等。

精密孔通常是指公差等级在IT7~IT6级以上，表面粗糙度Ra﹤ 0.8~0.4m的孔，它的几何形状精度（如圆度、圆柱度、轴线直线度等）一般规定在其尺寸公差带的1/2~1/3范围内。

随着航空航天、汽车、高速列车、风电、电子、家电、能源、模具、液压、机床及精密机械等装备制造业的迅速发展和产品的更新换代，精密孔的应用日益增多。例如液压系统中广泛使用的各种阀孔、高压油缸筒都是一些典型的精密孔。孔加工由于其自身的特点，加工难度较大，而精密孔加工的难度更大。

孔加工的特点

孔加工是一种比较复杂的工艺过程，加工时必须妥善解决排屑、冷却润滑和导向等问题。孔加工的主要特点是：

（1）由于受被加工工件孔径尺寸、长度和形状的制约，故切削刀具相应较细长，刚性差，并且大多呈悬臂装夹的方式，加工容易引起刀具的偏斜和震动。

（2）切屑排除比较困难。要改善容屑与排屑条件，势必要增大容屑槽，但这样将会使刀具的强度和刚度降低。

（3）切削液难以引入到切削区，切屑、刀具与工件孔壁之间的摩擦很大，切削温度很高，尤其是在加工深孔时。所以，切削液在孔加工中具有特殊的重要作用。切削液的合理选择和正确使用，对孔的加工质量、刀具寿命和切削效率等有极大的影响。

孔加工常用的切削液供液方法有浇注法和高压内冷却法两种。前者最为简单，但供液效果差，且切削液消耗量大。内冷却法多用于油孔钻、深孔钻、喷吸钻、套料刀和单刃镗铰刀等孔加工刀具上，需在刀具上作出高压内冷却的供液（油）通道孔，油气混合物通过此通道被输送到切削区，此法消耗的切削液用量少，但刀具结构较复杂。目前，随着刀具制造技术的进步，国内外各刀具公司已推出了各种带高压内冷却供液（油）通道孔刀具的新品，为采用内冷却法创造了条件。例如，ISCAR公司推出的包括DR、DZ和DS系列的机夹硬质合金可转位刀片浅孔钻，德国MAPAL公司的涂层硬质合金单刃铰刀（切削速度高达150-400m/min），日本三菱公司的硬质合金小钻头等，它们都有提供通向射流应用区域的高压切削液通道孔，并且规格越来越小。据报道，国外一家公司生产的硬质合金小钻头，其直径可小到3-4.5mm，油孔直径为0.4-0.6mm。

现在的研究表明，切削液采用近乎干式切削的“汽束”喷雾冷却法最为有效，而且切削液消耗少，加工成本低。

“汽束”喷雾冷却是以一定压力（0.3~1MPa）的空气使切削液雾化，并以很高的速度喷向切削区域，使在该区域高温下呈雾化状的切削液滴很快汽化。由于液体在汽化时会吸收大量热量，因而可使切削区域内的温度大幅度下降，同时切削液还能带走切削区域和空间的热量和粉末，改善作业环境。实践证明，在使用等量切削液情况下，“汽束”喷雾冷却在相同时间内所吸收的热量是浇注法的1000倍。所以，它不但可提高刀具使用寿命，而且可使切削液的消耗大大减少。据德国格林（Guhring）公司试验证实，在汽车生产线上采用“汽束”喷雾冷却，每班只需耗用半杯油，并且可用廉价的工厂再生油。“汽束”喷雾冷却既适用于自动生产线上，也适用于一般的金属切削加工中。图1所示为在普通钻床上利用“汽束”供给切削液的一种装置。该装置由贮液箱1（包括工作部I和溢流部II）、过滤器2和3、集液盘5、喷嘴6、箱盖8、喷吸器9、气阀11、节气阀12、水管13及管道4、7和10等组成。工作时，开动气阀11，压缩空气将以Pc=0.4MPa的压力从管路中压出，产生高压气流。高压气流在水管13的上部通过时会产生负压，而将切削液从贮液箱中吸出，并击成雾滴状。上述高压气流带着微小液滴的切削液渗透到切削区，在高温下会迅速汽化，吸收大量的热量，从而能有效地降低切削温度。而在集液盘中收集的废液经过滤后可流回贮液箱继续使用。节气阀12是用来改变管路中的压力，以便调节切削液的流量。而气阀11则可利用电信号（通过直流电压U=24V）操纵。使用表明，该装置结构简单，使用方便。

（4）加工时不能直接观察刀具的切削情况，尤其在加工微孔和深孔时。所以，自动监测控制较其它加工方式更为重要。

（5）孔的尺寸精度、几何形状精度、相互位置精度和表面粗糙度常因孔加工的特殊性而难于控制，但是一旦试验成功，较其它加工方式反而能更有规律性地保持。

孔加工技术的现状及其发展动向

当前中国机械工厂中的孔加工，仍普遍采用通用机床加专用工艺装备的生产模式。即仍采用一人、一机、一刀或一套镗模的方式来完成一道工序，而使用的机床设备又存在着严重的四多四少现象，即：低档的多，中高档高柔性的数控机床(NC)和加工中心(MC)少；低精度的多，高精度的少；手动的多，自动化的少；单工序的多，复合加工的机床少。所以，中国孔加工的工艺水平和工效低，加工精度差，并且缺乏柔性结构。近十几年来，随着中国工厂技术改造的深入和引进先进技术，以及数控机床和加工中心等高效设备应用的增多，在少数大型国有企业中，一些精密机床的加工精度已达到或接近国外先进水平，但从全面来看，工艺水平仍然较低。与先进工业发达国家相比，中国现有的孔加工精度与表面粗糙度要相差1~2级，孔系的相互位置精度相差2~3倍。

随着新材料、新产品的不断出现，摆在我们面前的任务是要解决硬、脆、韧、黏等难加工材料的加工，解决精密、深孔、大孔、小孔、微孔和重型零件的孔加工。所以，今后孔加工技术应向着可靠性、长寿命和高效率方向去发展。因而，首先要将新一代高性能、高效率、长寿命的刀具材料（如细晶粒硬质合金、涂层硬质合金、粉末冶金高速钢、陶瓷、聚晶金刚石PCD、聚晶立方氮化硼PCBN等）设法用于各类孔加工刀具上。例如，日本不二越公司开发的AQUA麻花钻，用细晶粒硬质合金制造，并涂覆耐热、耐摩擦的润滑涂层，在高速湿式加工结构钢和合金钢（SCM）时，切削速度200m/min，进给速度为1600mm/min，加工效率提高2.5倍，刀具寿命提高2倍；干式钻孔时，切削速度150m/min，进给速度1200mm/min。日本黛杰开发出一种用聚晶金刚石（PCD）与硬质合金整体烧结而成的“比梦”钻（见图2），用其对机翼零件CFRP（碳纤维强化聚合物基复合材料，厚2.5mm）和铝合金（A7075，厚2.5mm）的叠板加工时，其切削速度可达126m/min，转速10,000r/min，进给量为500mm/min 。与金刚石涂层钻头相比，“比梦”钻可进行重磨，故它可大幅度延长刀具使用寿命，降低加工成本。同时，应加速建立金属切削数据库，使切削用量实现优化，充分发挥机床和刀具的效能。还应把微电子技术尽快运用到孔加工技术中来，并逐步向FMS(柔性制造系统)及设计制造一体化CAD（计算机辅助设计）、CAM(计算机辅助制造)方向发展。目前国内不少工厂已把微处理机用于生产中。此外，也要重视开展基础理论的研究，加强对大孔、小孔、微孔、精密孔和难加工材料孔加工技术的研究工作，采用新的测试手段，探索规律，不断创新。尤其是要加速对特微孔和超精密孔加工的研究工作，以适应近年来科技进步和生产发展的需要。当前，为了进一步提高孔加工的经济效益，还应组织并大力推广一批生产上行之有效的先进刀具（如机夹硬质合金可转位刀具、硬质合金单刃镗铰刀、精密金刚石或立方氮化硼铰刀、单管喷吸钻、CoroDrill880钻头等）和新工艺，如用钻-镗铰-金刚石或立方氮化硼铰刀替代传统的钻-镗（或扩）-铰（或磨）-研磨（或珩磨）加工精密阀孔的新工艺。近几年来，工具行业为汽车和摩托车、高速列车、航空航天、风能和模具等行业开发的各种新型孔加工刀具，具有高效和创新工艺的特点，对推动这些行业孔加工技术的进步起到重要作用。如Guhring公司推出的加工铝合金缸盖用的成套孔加工刀具(包括导管孔阀门座复合镗刀、阶梯孔镗刀、整体硬质合金直槽钻、阶梯钻、锪钻等)；MAPAL公司开发的Mega高速钻头，可在不降低刀具使用寿命和钻削质量的情况下，将钢件切削速度提高到200m/min，进给率提高约25%，钻削作业时间可缩短60% ~70%；德国沃好特公司推出的一款粗精复合镗刀，它采用了模块化结构，可完成ф3~ф2000 mm孔的粗精加工，适于各种孔形状的加工要求，这款镗刀的镗头由于使用了轻铝结构，相比钢制件其重量减轻了60%，能满足风能设备外壳各种孔径尺寸的加工要求，加工出的孔尺寸精度可达H7~H5级。

必须指出，工业发达国家在孔加工技术方面发展十分迅速，孔加工方式亦从单一的机械加工转向电加工、物理加工（激光、超声）、化学加工及复合加工，加工精度的位级日益提高，表面粗糙度值日益减小，并正向着高度自动化方向去发展。鉴于我们之间的差距。建议成立跨行业的孔加工协会，交流行业信息；同时积极引进国外的新技术，加强孔加工机床、孔加工刀具与刃磨机床等生产基地的建设，积极采用数显、数控设备，提高制造方法与手段的柔性；还应强化技工培训和在职职工教育以及技术人员的知识更新，使我国的孔加工技术尽快赶上国外先进水平。

作者：中铁工程设计院刘顺华叶伟昌来源：雅式工业专网