深孔钻床的数控制造技术及深孔加工精度提升方法

金 艳，齐 威

(大连工业大学，辽宁 大连 116034)

0 引言

深孔加工在各个领域应用广泛，尤其在汽车、工程机械、矿山机械、农业机械等领域的机械零件十分常见，传统的深孔钻床采用长钻头以人工控制机床的方式进行加工，加工过程中存在着精度不高、难度大等很多问题，使深孔零件的品质始终达不到设计的最佳要求。随着数控技术的普及，先进的数控加工机床逐渐应用到机械生产中，传统的深孔钻床因不具备数控功能往往被闲置或淘汰，新购置的数控钻床在结构和加工性能方面具有明显的优势，但也仍存在着传统钻床对深孔加工的部分难题，需要制造工艺和技术上的进一步改善。

1 深孔零件加工的难点分析

1.1 深孔加工的特点

深孔加工主要是针对普通的钻孔加工方式而言的，相对于普通的钻孔加工，深孔加工的孔深尺寸更大，通常为加工孔直径的20～100倍或更大，深孔加工在传统的机床上视孔深的不同采用不同的机床执行，对于孔深相对较小时，仍可采用摇臂钻床进行加工，对于孔深超过孔径的150倍或更深时，通常采用立式制造中心或增加相关辅助结构进行制造。

1.2 深孔加工的难点

(1)切屑排出问题。普通的孔加工钻头，采用普通的长距离螺旋排屑结构，这对于浅孔制造而言较为适宜，但在深孔加工过程中，由于钻头很长，深处加工时对金属的切削产生的细屑不易排出，细屑的存在导致钻头变形，同时产生较大的摩擦阻力。

(2)散热不良问题。一方面由于金属细屑的集聚产生的摩擦阻力会引起加工温度的升高，另一方面由于孔深较深，常规的冷却液冷却方式很难起到有效的辅助效果，由于冷却液不能及时到达钻头的切削位置，导致加工过程散热困难。

(3)钻头受力状态不良。常规的钻孔加工方式不能适应深孔加工的要求，其主要原因是当普通结构的钻头加工孔深超过自身直径尺寸6倍以上时，钻头会受到较大的扭转阻力，随着加工深度的增加，金属切削的能力逐渐减弱，扭矩的累计作用会导致钻头产生震颤问题，当深度进一步增加到钻孔直径的8～10倍以上时，在复杂的受力作用下，钻头损坏的概率不断增加，若不采取适当的调整或处理，钻头将会折断。

2 数控深孔零件钻床加工技术

2.1 数控深孔钻床的技术特点

数控深孔钻床是在传统的深孔制造技术和机械结构的基础上发展而来的，其主要的特点是深孔制造的全自动化加工，这要求机床具备自动控制、检测、程序编制等功能。数控深孔钻床工作的核心部件是可编程控制器，通常是基于PLC技术实现的，技术人员可以针对深孔制造的特点输入合理的程序控制数控钻床进行深孔加工，程序编制内容包括了主轴转速、钻孔供给速度、打孔次数、加工坐标、钻孔深度等信息，程序编制完成后，由主控制器控制机床主轴运动到适当位置，并执行纵向进给运动和切削、冷却液的排除和供给。数控深孔钻床相对于普通机械钻床具有更全面的监测技术，有利于利用传感器精确控制加工过程，减少钻头损坏等问题的发生概率。

2.2 设计合理的深孔加工工艺流程

深孔钻床的加工需根据不同孔的制造要求设计多样化的加工工艺路线，如图1所示，为深孔加工流程设计参考，在程序执行的过程中，系统根据不同的加工过程、孔深、孔径等特点，选择合适的加工方案，并在此过程中进行执行程度的监控，对于执行过程可能出现的问题进行自动处理或返回上一工序重新加工，以确保深孔加工质量。

图1 数控深孔加工流程设计

3 深孔加工精度提升方法

3.1 以多次加工代替一次成型

为减少深孔加工过程排屑不畅或受力不良问题，应采用多次加工的方式完成深孔制造过程，避免仅用一次或较少次数便完成深孔的制造，利用数控钻床进行多次加工，相对于人工多次加工具有更好的质量保证，且有效降低深孔制造的难度。多次加工主要可从两方面进行考虑，一是采用逐级加工的方式，即利用转头先加工指定深度的孔，通常深度为孔径的5～6倍，暂停加工，清除铁屑后补充冷却液再继续加工，直到深孔加工完成；二是在深孔位置预钻粗加工孔，该孔径适当小于图纸孔径，然后利用机床精加工深孔，改善加工过程的钻头受力情况，并减少切屑的产生量。

3.2 采用合理的排屑方案

合理选择深孔制造专用钻头，现阶段市场上销售的深孔专用钻头依据钻削加工的特性设计，有利于深孔排屑性能的提升，且合金钢具有良好的散热性能，由于特殊设计的形状，如利用具有开放的凹槽结构的钻头加速切屑的排出速度，或利用宽型钻槽提升排屑和冷却效果。对于不采用分级钻削加工或其他多次加工的形式下，还可考虑采用高压冷却液替代传统冷却液的辅助加工方法，由于高压冷却液在喷射过程中具有更高的流速，能保证冷却液及时到达钻头切削位置，并具备一定的动能将金属细屑冲出，实现钻孔加工状态的有效改善。此外，在进行深孔加工的过程中要尽量采用适当转速和较小的进给量，确保深孔表面质量，并形成合理的切屑产生量与排出量比例。

3.3 注意避免深孔偏斜问题

由于深孔加工的特殊性，在加工过程中很难完全保证不产生偏斜问题，深孔偏斜问题会在一定程度影响机械零件的装配精度。要避免深孔切削的偏斜问题，一方面应优化钻头的受力情况，对深孔加工零件表面进行适当的加工处理，使其具有良好的平整性，同时优化钻头的导向条件，采用较长的导向结构，使其在深孔切削过程的受力具有对称性特点；另一方面，还要选择刚性良好的钻头，减轻钻头在加工过程中的变形问题，提升深孔加工质量。

4 结语

数控深孔钻床具有良好的深孔零件加工优势，在机械制造过程中的精确度、制造效率方面相对于传统人工操作机床加工提升明显，在使用数控深孔钻床加工深孔时，也必须要充分考虑加工工艺的合理性和刀具选择的科学性，加工过程要确保能够顺利排屑和及时散热，并优化钻头的受力状态，确保深孔加工质量符合生产要求。