汽车零件微小孔钻削的工艺

朱炎标

摘 要：微小机械制造技术、电子技术等高端的技术产品在不断的被精细化、集成化。而在汽车领域，零部件的微小孔也在这样的情势下迫使其加工精度要求逐渐变高。虽然常见的微小孔加工工艺的方法有很多种选择，但是在汽车零件制造中我们主要采用的还是机械钻孔的工艺。钻削加工工艺在微小孔中的使用频率极高，但是这种加工方式也存在着一定的难点。本文笔者会通过对钻削工艺的难点作为切入点，并结合国外在汽车零件钻削加工的情况加以阐述，希望为汽车的钻削工艺提供一些新的思考方法。

关键词：汽车零件；微小孔；钻削工艺

1.微小孔钻削的难点

事实上，钻削加工是切削工艺中条件较为恶劣的一种方法，而加工过程中，将其运用到钻削微小孔的工件中，特别是汽车零部件的喷油嘴微小孔时，由于微小的麻花钻在构造上存在着缺陷，它集中了很多几乎全部的钻削过程中的难点，而且使得切削条件更加的恶劣，这也会加剧加工中的质量，在机械制造领域中它是需要深入研究和突破的技术上的难题。

1.1低刚度的微小孔钻头

在力学模型的角度上，钻夹头上的微小孔钻头可以将其近似于圆柱悬臂梁。由于孔径减少而其与钻孔长度的比例被增加，因此，钻头的刚度在这样的形势下会被下降。开始钻削之后，钻头尖的部分容易在施工中产生钻头弯曲或者偏移的现象，这将会严重影响到孔钻入的定位，以及孔径尺寸和其加工形状的精度。因此，为了缓解上述钻头刚度上存在的不足，微小孔头中钻芯的厚度需要被加大，当它的直径超过了1mm那么钻芯厚度和钻头直径两者之间的的比例会低于0.2，微小钻头所需要的的钻芯厚度或保持在0.3与0.4的水平之间。一般的，如果钻芯的厚度以及横刃的宽度都较大，在钻削条件较为恶劣的情况下，将会破坏入钻时的位置定位，使得游动的情况变得更加的严重。

钻削过程中横刃在副前角的切削状态中，而横刃的的宽度越大，它的切削抗力便会越高，钻头的负荷会因此被加重。钻头螺旋槽的主要功能是为了导入切削液以及其他的排屑和容屑，但是如果存在螺旋槽较浅的情况，那么其可以容屑的能力就会表现的比较差，之后会造成排屑的困难，使得加工好的表面和切屑之间的刮擦现象加重，会影响到表面的加工质量，造成切屑堵塞的情况。这种状况下切削液便无法被注入到切屑的区域，将会导致冷却润滑的效果降低。 出口毛刺现象与轴向的切削力量有较大的关系，而这种力量主要是来源于横刃，横刃的宽度越大，那么产生的轴向钻削力就会提升，产生的出口毛刺现象便会加剧。

1.2微小孔钻头结构的形状的影响

麻花钻头的结构形状较为复杂，切削中的导向部分可以适当的减轻导向部分中与孔壁之间造成的摩擦。在加工过程中我们使用的标准麻花钻在这部分的棱边较为狭窄，从外圆向尾部形成了倒锥的现象，因此产生的副后刃面会比较狭窄以及副偏刃角会大于0°。这种钻头的在实际的应用中较为广泛，可以用于提高在加工中的刚度和强度等【1】。一般钻头如果没有棱边以及倒锥，那么其在钻削过程中便很容易发生导向部分和孔壁的摩擦，并且越来越严重。

2.微小孔钻削工艺的发展

2.1高速钻削

关于高速钻削的理论是在1931年德国的物理学家Carl J.Salomon所提出的一项理论。在这项理论中提到，常规的切削范围中，切削中产生的速度提高会导致切削温度被抬升，但是当切削的速度保持在一定的数值时，他的温度会降低，并且切削时所用的速度跟需要加工的材料种类有较大的关系。因此，这项理论也给我们较大的启示，如果用刀具在高速区用高速的切削，那么其温度会大幅度降低，并且可以大大的提高我们的加工效率。

根据现有的金属切削理论，钻削速度产生的钻削力的变化是小于进给量产生的钻削力的。如果将进给速度保持不变，将钻削的速度提高那么将会降低钻削的扭矩以及其轴向的进给力，从而缓解微小钻头的负荷，降低钻头在使用中被折断的可能性。一般高速钻削产生的主轴的转速可以保持在超过10000rm/in的水平。在转子动力学理论的指导下，我们知道，当主轴的转动速度高于其固有角频率的时候，会相应的增加主轴旋转的稳定度，这样可以产生自动对心的作用，能相应的增加入钻的精度【2】。在1980年代初，日本的一些公司有研制出较高速的告微小加工机床以及数控微小孔加工机床，其中前者主轴速超过180000rm/in，而后者主轴转速可以保持在120000rm/in以及20000rm/in之间水平。来自美国的National Jet公司宣布已经研发出可以达到40000rm/in的主轴转速的微小孔钻削主轴。在国内，河北机床厂也开始与北京理工大学进行合作，也成功研制出达到80000rim/min主轴转速的微小孔高速钻削机床，这项研发也在生产中得到了较广泛的应用。在钻削印刷的电路板中，如果条件合适，一般都会采用高速的钻削工艺。不过由于这种钻削工艺对主轴有较高的要求，因此国内外还是会选择进度较高频的主轴电机或者满轮驱动自己空气惊讶轴承的主轴。为了防止振动，高速钻削是不能被应用在以机械传动的主轴中。

2.2振动钻削

振动钻削的工艺是建立在目前的切削理论以及振动理论上的较为新兴的钻削方法，这也是振动切削的一种。这种方法与普通的钻削方式的区别在于其整栋装置可以让钻头和工间两者之间产生可控范围中的相对运动【3】。一般的振动方式大概有三种，一种是轴向整栋，还有扭转振动以及复合振动。轴向的振动方式在工艺中较容易被实现，产生的效果也较为明显，是主要的振动方式。这三种振动方式的振动频率可以在数百赫兹之间，因此我们也会将之称为低频的振动钻削。

振动钻削是对传统钻削方式的一种新颖的方法，它改变了原始的钻削工艺的连续钻削的过程，而是转变成一种脉冲式的断续钻削的方式。如果主切削刃和工件并不分离，那么这之间的切削速度以及所产生的方向等数据都会产生周期变化。相反，如果两者是分离状态的，那么其切削的过程会变成断续的切削形式。因此，在振动的参数、主轴转速等都在合理的范围内时，可以很好的帮助对钻入位置的定位，并且可以减少所产生的毛刺，降低切削的温度，大大的延长钻头的寿命。这种工艺也深受国内外学者的关注。

2.3喷油嘴的多工位钻削方式

这种方式是运用中心钻以及具有长短差异的钻头在不同的位置上钻削同一个孔的一种方法。工艺加工过程中，会先用中心孔来钻出所需要孔的位置，然后用配有较短的螺旋刃的钻头钻到大概二分之一的孔深中，最后选用较长刃沟的钻头加深所需要的深度，以此可以來延长钻头的寿命并且还能保持中孔位的精度。目前这种多方位的钻削方式被大量的应用到实际的加工过程中，国外一般对喷油嘴的加工都会采用这种方式。在瑞士也有公司研制户喷孔在CNC3的微小孔钻床。

3.结语

微小孔的钻削技术由于条件不同，因此采用的钻削方式也不同，并且在实践过程中也会采用较多的加工方法并投入生产。但是目前关于钻削方式的研究仍然还有很多问题，比如钻头在形状、尺寸等上面的偏差都很容易导致工艺的不精。另外，在出口处的毛刺问题上，目前国内外都还没有较为理想的方式来解决，特别是在内燃机的燃料喷嘴上，也在这部分除去小孔出口的毛刺，在操作过程中是非常困难的，而制造商针对这种问题也只能在钻孔被加工完成后，用电解磨削的方式来将其周围的毛刺去掉，如果不做好处理将会影响到喷嘴的喷射效果。为了将钻削技术进行更细化的研究，笔者认为需要将这种工艺进行更加广泛的应用，深入了解其运作的激励，研究新材料在微小孔钻削中的应用，将会对今后的钻削工艺的进步有较大的帮助。

参考文献：

[1]张鹏，李仙昊，张德远. 实用化振动切削技术——微小孔振动钻削工艺及装备[J]. 新技术新工艺，2007，01：33-34+2.

[2]程军，焦锋. 微小孔钻削工艺的研究现状[J]. 机械工程师，2007，11：9-11.

[3]孙永泰. 汽车零件微小孔的钻削工艺[J]. 天津汽车，2004，01：33-34.