陳俐華，武文革，于大國(guó)，趙慧瑜，韓愛(ài)東

中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

機(jī)械制造行業(yè)中，孔加工一般按照長(zhǎng)徑比分為深孔加工和淺孔加工。深孔一般指零件內(nèi)孔的長(zhǎng)度與直徑之比大于5的孔，其幾何特征決定了深孔加工是機(jī)械加工中難度較大的加工過(guò)程[1]。深孔加工具有以下工藝特點(diǎn)：在密閉條件下進(jìn)行，不能直接觀察刀具切削情況，排屑困難；刀具系統(tǒng)長(zhǎng)徑比大、剛度低，切削時(shí)易產(chǎn)生振動(dòng)、波紋和錐度，影響深孔的直線度和表面粗糙度，刀具耐用度較低。

深孔加工采用的切削運(yùn)動(dòng)有多種：工件旋轉(zhuǎn)、刀具進(jìn)給；工件不動(dòng)、刀具旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給；工件與刀具相對(duì)旋轉(zhuǎn)、刀具進(jìn)給；工件旋轉(zhuǎn)與進(jìn)給、刀具不動(dòng)，其中以第一種方式居多[2]。近年來(lái)，隨著機(jī)械零件的復(fù)雜程度提高和難加工材料的不斷使用，對(duì)深孔加工的需求不斷增加。中北大學(xué)著力在難加工材料和異形結(jié)構(gòu)深孔加工、精密高效深孔加工方面開(kāi)展研究，西安石油大學(xué)在石油機(jī)械深孔加工方面也取得了較多成果，其他單位也推進(jìn)了深孔加工的研究。

我國(guó)深孔加工技術(shù)的發(fā)展和普及相比于發(fā)達(dá)國(guó)家仍存在差距，部分深孔加工裝備仍需依賴進(jìn)口，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和核心技術(shù)的高端產(chǎn)品相對(duì)較少[3]，深孔加工的基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，因此加強(qiáng)深孔加工的研究勢(shì)在必行。

2 深孔加工方法

由于淺孔的長(zhǎng)徑比較小，加工較為容易，可以采用麻花鉆鉆削、電火花加工以及線切割加工等方式，而對(duì)于深孔或者超長(zhǎng)深孔加工，可選擇的方法大幅減少。深孔加工刀具可按排屑方式分為內(nèi)排屑和外排屑兩大類，外排屑是切削液由鉆桿中間進(jìn)入，經(jīng)鉆頭頭部小孔噴射到切削區(qū)，帶著切屑從鉆桿外部的V形槽中排出。外排屑刀具包括槍鉆、深孔扁鉆和深孔麻花鉆等；內(nèi)排屑是切削液從鉆桿與孔壁的間隙處進(jìn)入，靠切削液的壓力將切屑從鉆桿的內(nèi)孔排出，內(nèi)排屑刀具按加工系統(tǒng)不同，分為BTA深孔鉆系統(tǒng)、噴吸鉆系統(tǒng)和DF深孔鉆系統(tǒng)[4]。此外，現(xiàn)有深孔加工系統(tǒng)更加重視排屑與冷卻的平衡優(yōu)化。近年來(lái)開(kāi)發(fā)了一些新的特種加工手段，例如電火花加工、激光加工、電解加工及超聲加工等。

2.1 大、中直徑深孔加工

2.1.1 深孔槍鉆

槍鉆系統(tǒng)主要用于φ4～φ30mm孔的加工，是最常見(jiàn)的深孔鉆削加工方式之一，適用于中小批量生產(chǎn)，槍鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 深孔槍鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞深孔槍鉆進(jìn)行了大量研究工作。錢(qián)清等[5]針對(duì)某型發(fā)動(dòng)機(jī)軸齒件深孔加工用槍鉆進(jìn)行優(yōu)化，提高了孔的加工質(zhì)量，滿足了孔直線度和精度要求；李亮等[6]研究了槍鉆加工中螺旋形切屑成形的過(guò)程和影響因素，通過(guò)改變切削速度、進(jìn)給量和油壓，分析了不同工藝參數(shù)下的切屑變形規(guī)律；Kondratenko L.等[7]對(duì)深孔鉆削過(guò)程進(jìn)行了研究，確定了切削鉆頭縱向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的數(shù)學(xué)關(guān)系，揭示了熱流脈動(dòng)對(duì)摩擦系數(shù)和切削力的影響規(guī)律；Neo D.等[8]提出采用多晶立方氮化物(PCBN)槍鉆，以解決工具耐用性和孔徑差問(wèn)題；Zhang X.等[9]設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了定制槍鉆再研磨系統(tǒng)，集成了現(xiàn)場(chǎng)槍鉆測(cè)量系統(tǒng)，從而獲得具有精確控制的刀具幾何形狀的高質(zhì)量槍鉆。

2.1.2 BTA鉆

BTA鉆是由歐洲“鉆鏜孔與套料加工協(xié)會(huì)”推出的三種規(guī)范化深孔鉆頭的總稱(BTA實(shí)體鉆、BTA擴(kuò)鉆和BTA套料鉆)，主要用于鉆削加工直徑大于12mm的深孔，是大批量、高負(fù)荷連續(xù)深孔加工的首選刀具之一。BTA鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 BTA鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

張煌[10]建立了新型三導(dǎo)向條的刀具與工件系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并驗(yàn)證了新型三導(dǎo)向條刀具的優(yōu)勢(shì)(見(jiàn)圖3)；吳竹兵等[11]建立了工件的動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用梁理論得到工件的自由振動(dòng)方程，利用MATLAB擬合分析在不同切削位置、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量情況下的工件振動(dòng)偏移量；龍軍城等[12]研究了BTA深孔加工中減振導(dǎo)向塊的作用及減振導(dǎo)向塊位置對(duì)BTA深孔加工精度的影響；苗鴻賓等[13]對(duì)BTA鉆桿系統(tǒng)偏心運(yùn)動(dòng)的控制方法進(jìn)行了研究，分析了鉆桿系統(tǒng)的偏心運(yùn)動(dòng)方式和受力情況，提出了壓電主動(dòng)控制方法；Li X.等[14]基于斜切削理論建立了新的鉆削力模型，用于預(yù)測(cè)錯(cuò)齒BTA深孔鉆的推力和扭矩。

圖3 優(yōu)化三導(dǎo)向條刀具

2.1.3 噴吸鉆

噴吸鉆加工是一種高效深孔加工方法，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。所加工孔的精度在IT9級(jí)～I(xiàn)T11級(jí)，加工表面粗糙度為Ra3.2μm～0.8μm，其所加工孔的直徑一般不能小于18mm。陳建兵等[15]設(shè)計(jì)了多深孔不銹鋼輪體加工工藝，并結(jié)合實(shí)際加工過(guò)程分析了深孔加工的影響因素。

圖4 噴吸鉆結(jié)構(gòu)

2.1.4 DF深孔鉆

DF深孔鉆同時(shí)具備了BTA鉆和噴吸鉆的優(yōu)點(diǎn)，使鉆削直徑范圍增大(最小直徑達(dá)φ6mm)，加工精度和效率提高，DF深孔鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

1.工件 2.鉆頭 3.鉆套 4.輸油器 5.鉆桿 6.鉆桿夾頭 7.前噴嘴 8.抽屑器 9.后噴嘴

董振[16]在DF系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了油路改造，通過(guò)加裝脈沖控制器實(shí)現(xiàn)油壓及流量的脈沖控制，系統(tǒng)方案見(jiàn)圖6。

圖6 脈沖式DF系統(tǒng)方案

龐俊忠等[17]針對(duì)深孔加工中排屑難及效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種刀具旋轉(zhuǎn)的DF鉆削系統(tǒng)；潘杰[18]針對(duì)DF系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和功能完善，設(shè)計(jì)出集成在線監(jiān)測(cè)功能的旋轉(zhuǎn)DF鉆削系統(tǒng)；高偉佳等[19]根據(jù)深孔加工技術(shù)、高速切削技術(shù)和流體機(jī)械知識(shí)，設(shè)計(jì)出一種在高速運(yùn)動(dòng)中能夠保持平穩(wěn)鉆削和實(shí)現(xiàn)高效排屑的深孔鉆，為以后新型深孔鉆的設(shè)計(jì)與研究提供了新思路。

2.2 微小深孔加工

電火花加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導(dǎo)電材料的特種加工方法，又稱放電加工或電蝕加工，加工原理見(jiàn)圖7。

圖7 電火花微小深孔加工

任麗娟[20]針對(duì)電火花加工中的問(wèn)題設(shè)計(jì)了圓錐階梯形超聲變幅桿，利用模態(tài)分析及諧響應(yīng)分析研究了滿足加工需求的模態(tài)振型，并確定了合理的振幅放大倍數(shù)，所建立的變幅桿三維圖見(jiàn)圖8。

圖8 圓錐階梯超聲變幅桿三維模型

蔣毅等[21]制備了符合電火花加工要求的多孔質(zhì)電極并搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)多孔質(zhì)電極在深孔條件下的電火花加工性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；周明等[22]針對(duì)熔點(diǎn)高、難切削材料，研究了超前兩步控制策略的雙變量自適應(yīng)控制系統(tǒng)，證明了雙變量自適應(yīng)控制電火花加工的強(qiáng)大加工能力；徐佩等[23]結(jié)合電火花高速小孔加工的特點(diǎn)，提出解決電火花小孔加工偏心問(wèn)題的措施；Yang F.等[24]采用電化學(xué)加工(ECM)，建立了電解加工間隙的電場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，模擬了漸變異形深螺孔的電場(chǎng)分布；Cao Zhongli等[25]提出了采用連續(xù)沖洗和間歇供氧(即內(nèi)噴射氣溶膠介質(zhì)燒蝕)的孔加工方法，該方法使加工表面具有優(yōu)異的表面質(zhì)量和較高的加工精度；Wang Y.等[26]提出了將電化學(xué)加工(ECM)和激光束加工(LBM)的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合的混合加工工藝——同步激光和異形管電化學(xué)加工(激光桿)，證明了提高激光功率、脈沖電壓和進(jìn)給速度可以提高加工效率和加工精度。

超聲加工是由超聲波發(fā)生器將工頻交流電能轉(zhuǎn)變?yōu)橐欢üβ瘦敵龅某曨l電振蕩，換能器將超聲頻電振蕩轉(zhuǎn)變?yōu)槌暀C(jī)械振動(dòng)，通過(guò)變幅桿放大振幅，驅(qū)動(dòng)工具電極作超聲振動(dòng)，加工原理見(jiàn)圖9。

圖9 超聲加工微小深孔

Natsu W.[27]對(duì)加工液施加超聲波振動(dòng)，并對(duì)加工速度和電極消耗進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了提高加工特性的條件；Kong Wenjun等[28]將超聲波引入電火花加工中，對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了模擬，提高了加工效率；Liu Y.等[29]建立了側(cè)面沖洗和超聲振動(dòng)輔助加工的方法，保證了加工質(zhì)量，提高了加工過(guò)程的穩(wěn)定性和加工效率。

3 深孔加工檢測(cè)及控制

3.1 檢測(cè)技術(shù)

目前深孔加工過(guò)程中常采用卡尺測(cè)量或人工打表等方法。檢測(cè)深孔直線度誤差的方法有塞規(guī)檢測(cè)法、游標(biāo)卡尺兩端壁厚檢測(cè)法和杠桿法。無(wú)論是在線監(jiān)測(cè)技術(shù)還是孔加工后的檢測(cè)技術(shù)都還有很多不足，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)此進(jìn)行了大量研究。

陳振亞[30]試驗(yàn)了多級(jí)噴射結(jié)構(gòu)，為減小深孔加工直線度誤差提供了新思路；劉洲等[31]開(kāi)發(fā)出在線自動(dòng)檢測(cè)與加工一體化裝置，極大地降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了定心精度和工作效率；李瑞成[32]提出了一種在線連續(xù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的新方法，達(dá)到了有效預(yù)先檢測(cè)與控制孔軸線偏斜的目的；Shen Xingquan等[33]設(shè)計(jì)了一種后置式深孔加工在線檢測(cè)及糾偏裝置；Si Y.等[34]對(duì)深孔鉆削過(guò)程中產(chǎn)生的主軸振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行了研究，以尋求能夠反映誤差變化的特征；Thanikasalam A.等[35]對(duì)深孔鉆削過(guò)程在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，借助加速度傳感器、熱變形模式(TDP)和刀具振動(dòng)來(lái)預(yù)測(cè)刀具狀態(tài)；Kozochkin M.P.等[36]研究了電火花加工過(guò)程中使用振動(dòng)聲信號(hào)監(jiān)測(cè)放電脈沖效率的可能性，給出了不同頻率范圍內(nèi)坯料動(dòng)態(tài)特性變化和放電加工背景噪聲對(duì)震動(dòng)聲信號(hào)參數(shù)影響的數(shù)據(jù)。

3.2 控制技術(shù)

大量學(xué)者針對(duì)深孔加工軸線偏斜、深孔切削振動(dòng)等問(wèn)題進(jìn)行了研究。

(1)偏斜抑制方法

趙榮[37]針對(duì)通孔、盲孔加工中對(duì)刀具功能的要求，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)擴(kuò)孔鏜刀，闡述了自導(dǎo)向及其防振功能(見(jiàn)圖10)。

圖10 內(nèi)擴(kuò)孔鏜刀三維實(shí)體模型

李少敏[38]經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有方案的分析總結(jié)，建立了求解深孔軸線直線度誤差的基礎(chǔ)模型，并在此模型的基礎(chǔ)上提出四種評(píng)定方案；魯緒閣等[39]結(jié)合BTA深孔鉆削機(jī)理的分析，對(duì)工件非回轉(zhuǎn)方式下常用的深孔鉆削方式提出了改進(jìn)，有效控制了加工孔軸線的偏斜；于大國(guó)[40，41]研究了使用油膜定位和引導(dǎo)深孔鉆的方案，提出了利用切削液消除或減少深孔鉆偏差的技術(shù)措施。

(2)振動(dòng)抑制方法

制造業(yè)的發(fā)展需要性能更好、加工能力更強(qiáng)和加工精度保持性更好的高速高效刀具。提高刀桿切削穩(wěn)定性、降低刀桿振動(dòng)已成為學(xué)者研究的重要課題。刀具減振技術(shù)主要分為主動(dòng)減振技術(shù)、被動(dòng)減振技術(shù)和半主動(dòng)減振技術(shù)。

孟凡沖[42]設(shè)計(jì)了非線性減振槽雙層鏜桿結(jié)構(gòu)，闡述了非線形減振槽利用阻尼技術(shù)的減振機(jī)理；魏杰等[43]基于磁流變液的工作原理設(shè)計(jì)了剪切閥式磁流變阻尼器，用于抑制深孔切削中的振動(dòng)；Zhang Huang等[44]基于磁流變液阻尼的工作原理，設(shè)計(jì)了用于深孔振動(dòng)抑制的擠壓式磁流變液阻尼器；孔令飛等[45]運(yùn)用動(dòng)力學(xué)半解析法，結(jié)合Newton-Raphson迭代法，給出了深孔圓度形貌形成軌跡的數(shù)學(xué)描述以及深孔刀具動(dòng)態(tài)特性與加工孔圓度形貌之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過(guò)數(shù)值算例驗(yàn)證了提出方法的可行性；邱泉水等[46]設(shè)計(jì)基于流動(dòng)和剪切混合工作模式的電流變減振器，通過(guò)控制電流變減振器的電場(chǎng)強(qiáng)度有效地抑制了深孔機(jī)床中切削顫振的發(fā)生；張繼明等[47]采用PLC調(diào)節(jié)頂緊力的大小，提高了高速深孔加工效率與穩(wěn)定性；張煌等[48]設(shè)計(jì)了一種復(fù)合式智能深孔加工減振器，可以有效抑制深孔鉆桿振動(dòng)，提高了深孔加工精度，對(duì)實(shí)現(xiàn)高檔深孔機(jī)床的智能數(shù)字化控制具有實(shí)際意義。

3.3 工藝研究

針對(duì)深孔加工的精度問(wèn)題，很多學(xué)者對(duì)深孔加工的工藝進(jìn)行了研究。王繼明等[49]針對(duì)動(dòng)車(chē)車(chē)軸加工過(guò)程中軸線偏斜、孔粗糙度大等問(wèn)題，對(duì)加工工藝及裝備進(jìn)行了研究，加工實(shí)物見(jiàn)圖11。

(a)鉆深孔

(b)深孔珩磨

田春雷等[50]提出了設(shè)計(jì)專用夾具、改進(jìn)找正方法和改進(jìn)深孔鏜刀三項(xiàng)措施，成功解決了深孔斷續(xù)切削不穩(wěn)定問(wèn)題；王寧[51]運(yùn)用PDCA法進(jìn)行分析并改進(jìn)加工工藝，使被加工工件滿足了設(shè)計(jì)要求，提高了生產(chǎn)效率；孔博等[52]選用超長(zhǎng)防振快速更換刀頭的鏜刀桿，通過(guò)改進(jìn)加工工藝路線為深孔加工提供了一種解決方案；李敬偉等[53]設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)夾具，實(shí)現(xiàn)工件一次裝夾完成兩偏心深孔的高精度加工，提高了加工效率，降低了生產(chǎn)成本。

4 深孔加工應(yīng)用

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，深孔加工的應(yīng)用也擴(kuò)展至航天、石油和軍工等領(lǐng)域。韓子琦[54]以發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸斜油孔加工為例，詳細(xì)論述了半干式加工(MQL)的作用、硬質(zhì)合金涂層刀具的特點(diǎn)以及硬質(zhì)合金鉆頭配合半干式加工技術(shù)在小徑深孔加工中的應(yīng)用；劉景景等[55]針對(duì)某大型飛機(jī)軸類零件深孔加工表面粗糙度差、軸線偏差和切屑不易控制等問(wèn)題，進(jìn)行了Ti6Al4V鈦合金槍鉆加工試驗(yàn)；劉揚(yáng)等[56]研究了零件端面深孔及偏心斜深孔的加工方法，嘗試采用立式加工中心及坐標(biāo)鏜床來(lái)實(shí)現(xiàn)偏心斜孔及深孔的加工；Wang M.等[57]研究了超聲振動(dòng)輔助下的不銹鋼微孔鉆削，比較和討論了圓柱形和圓盤(pán)形陰極，以及有無(wú)刀具振動(dòng)的鉆孔情況。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著深孔加工所用槍鉆、BTA鉆、噴吸鉆及DF鉆等不斷發(fā)展完善，以及刀具材料和結(jié)構(gòu)、導(dǎo)向塊布置、排屑裝置不斷優(yōu)化，深孔加工逐漸向高效率、高精度和高可靠等方向推進(jìn)，現(xiàn)代深孔加工機(jī)床正朝著高精度、高效率、智能化和模塊化的方向迅速發(fā)展。然而，近幾年在深孔加工領(lǐng)域，并沒(méi)有出現(xiàn)創(chuàng)造性的新型加工設(shè)備。為了滿足多品種加工的需求，模塊化可重構(gòu)深孔機(jī)床是未來(lái)研究的重要內(nèi)容之一。

由于常規(guī)深孔加工不易完成難加工材料、特殊復(fù)雜型面及微小深孔的加工，因此特種加工技術(shù)(激光、水射流、電火花和電解深孔加工等)也為深孔加工技術(shù)開(kāi)辟了新的發(fā)展領(lǐng)域[58]。隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，切削液的綠色環(huán)保特性日益受到重視，綠色環(huán)保型切削液的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用將成為深孔加工乃至整個(gè)機(jī)械行業(yè)的重要發(fā)展趨勢(shì)。