孔加工技术的发展方向

国际金属加工网 2016年11月23日

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、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。

(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。

(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,解决精密孔、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,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、CoroDrill 880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~ф2000mm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。


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