提高深孔加工關(guān)鍵要素是深孔液力自定心、自導向、自糾偏差

深孔結(jié)構(gòu)具有多種重要應用，包括用于精確導向，如槍、炮的內(nèi)孔；用于容納固體或傳輸液體，如車床主軸孔、液壓缸的內(nèi)孔；用于改善機械設(shè)備的性能，如發(fā)電機軸的內(nèi)孔；作為特殊工作室，如反應管道系的內(nèi)孔。深孔結(jié)構(gòu)常見于重大裝備、特種設(shè)備、大型機械、精密儀器的關(guān)鍵零部件以及武器裝備中。

深孔加工存在以下困難：工藝系統(tǒng)長徑比大、剛度差，刀具易走偏，深孔直線度和形狀位置精度難以很好保證；斷屑、排屑困難；刀具工作條件惡劣。

深孔加工在封閉或半封閉的空間內(nèi)完成，加工過程有別于車、銑等外表面加工。加工時深孔內(nèi)還流動著用于排屑的高壓切削液，因此，在深孔加工過程中，難以放置機械或電子裝置控制深孔刀具的運動軌跡，深孔軸線容易偏斜、彎曲。深孔加工過程的在線控制與糾偏問題是需要解決的難題。

現(xiàn)有生產(chǎn)中一般通過加大加工余量的方法解決深孔與外圓的相對偏斜。發(fā)現(xiàn)偏斜時，以深孔兩端為定位基準，再次加工外圓。采用本工藝方法生產(chǎn)成本大，材料浪費多。高本河等將存在深孔軸線偏斜的零件置于專業(yè)校直設(shè)備，施加載荷糾正深孔偏斜。通過提高鉆削系統(tǒng)穩(wěn)定性減少深孔軸線偏斜。其它現(xiàn)有深孔加工研究也較多注重改善現(xiàn)有加工系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其特性，較少涉及深孔加工刀具定位、導向的原理。與現(xiàn)有研究不同的是，本文提出深孔刀具液力自定心、自導向、自糾偏的深孔加工新原理，致力于解決深孔加工在線控制與糾偏的技術(shù)難題，提高深孔加工質(zhì)量及重大、重要裝備的精度，提升高端制造技術(shù)水平。

1  現(xiàn)有深孔加工原理的缺點

圖1為現(xiàn)有深孔加工原理，其切削部分具有非對稱結(jié)構(gòu)。導向條與已加工的深孔表面接觸，并在加工過程中沿深孔內(nèi)壁移動。根據(jù)現(xiàn)有深孔刀具定位和直線進給的原理，可以從圖中看出：圖中切削刃非對稱，因而切削力也是非對稱，切削力將刀具推向一側(cè)，使刀具導向條與深孔孔壁始終接觸，定位并引導刀具沿孔壁直線進給，依靠已經(jīng)加工出的深孔孔壁，實現(xiàn)刀具的導向，完成剩余部分深孔的加工。

1.工件2.切削刃3.導向條4.體5.鉆桿6.輸油器

圖1  現(xiàn)有深孔加工原理

在現(xiàn)有深孔加工原理中，以孔壁定位和導向較為穩(wěn)定可靠，該原理作用顯著，在全世界范圍內(nèi)已使用兩個世紀。但由于刀具沿孔壁進給而不是沿深孔軸線進給，加工過程存在原理性誤差，具有以下缺點：①刀具結(jié)構(gòu)不對稱，作用于工件上的切削力的合力不為0，切削力的合力使工件產(chǎn)生變形。大多數(shù)深孔零件長徑比大、剛度差，所以實際加工出的深孔，其直線度及其它形狀與位置誤差較大；②無自動糾偏能力。當深孔刀具因為工件材料不均勻、外界干擾等因素出現(xiàn)偏斜時，無法糾正刀具偏斜，更難以自動糾偏；③兩個位于切削刃后部的導向條與已加工孔壁緊密接觸，用于導向，但導向條的磨損、失效，都將影響加工精度。導向條與孔壁接觸部位的質(zhì)量缺陷可使刀具走偏。

2  動壓滑動軸承對于深孔加工的啟示

動壓滑動軸承基于流體的楔效應而工作。圖2為單油楔動壓滑動軸承，主軸在軸承內(nèi)旋轉(zhuǎn)。為了保證主軸能夠相對于軸承靈活旋轉(zhuǎn)，軸的直徑稍小于軸承內(nèi)孔的直徑，兩者之間存在微小的間隙，間隙內(nèi)充滿潤滑油。潤滑液因為具有粘性，隨主軸軸頸旋轉(zhuǎn)。

圖2a為初始狀態(tài)，軸與軸承內(nèi)孔在下母線接觸，形成楔形空間。圖2b為過渡狀態(tài)，圖2c為穩(wěn)定工作狀態(tài)。穩(wěn)定工作時油液因為主軸的旋轉(zhuǎn)，被拖進楔形空間，從大間隙流向小間隙，引起液體內(nèi)壓力升高，液體作用力使主軸處于懸浮狀態(tài)，實現(xiàn)動壓潤滑，防止軸與軸承直接接觸，減少摩擦和磨損。液體作用力的合力與軸所受到的負載相互平衡。圖2d為單油楔動壓滑動軸承內(nèi)周向和軸向潤滑液壓力分布。如圖2所示的單油楔軸承，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低，其缺點是工作時穩(wěn)定性不足。

(a)初始   (b)過渡   (c)穩(wěn)定

(d)軸承內(nèi)周向和軸向潤滑液壓力分布

圖2  單油楔動壓滑動軸承

圖3為三油楔動壓滑動軸承，三個楔形油膜支撐主軸，其工作穩(wěn)定性高于單油楔軸承。磨床主軸軸承廣泛采用三油楔或多油楔軸承。磨床主軸軸承內(nèi)有3處楔形槽，當主軸與軸承相對旋轉(zhuǎn)時，潤滑液從楔形槽的大間隙流向楔形槽的小間隙，使得楔形槽內(nèi)的液體壓力升高，因此三處楔形油膜猶如三爪卡盤使主軸夾緊定位于軸承孔的中心。

流體楔效應及其在動壓滑動軸承中廣泛而成功的應用，為深孔加工過程中刀具的定位和自導向提供了啟示。盡管軸在軸承內(nèi)的旋轉(zhuǎn)與刀具在深孔內(nèi)的運動是完全不同的工作過程，但兩者具有共同點：①都存在選對旋轉(zhuǎn)；②都使用油液；③兩旋轉(zhuǎn)件之間都需要保持準確、穩(wěn)定的相對位置關(guān)系。本文受流體楔效應及磨床動壓滑動軸承工作原理的啟發(fā)，首次創(chuàng)造性地提出了深孔刀具楔效應液力自定心、自導向、自糾偏原理。

圖3  多油楔動壓滑動軸承

3  深孔刀具楔效應液力自定心、自導向、自糾偏原理

(1)新原理的基本結(jié)構(gòu)和機理

圖4a為刀具可自定心、自導向、自糾偏的深孔加工新原理。圖4a中，楔形體的一端與鉆頭體固連，另外一端與鉆桿固連。圖1與圖4a的最大的區(qū)別是：圖4a中的刀具系統(tǒng)具有一個楔形體，且楔形體上有幾段曲線。

1.深孔工件4.鉆頭體5.鉆桿6.輸油器7.楔形體

(a)刀具可自定心、自導向、自糾偏的深孔加工新原理（用于對稱刀具）

1.深孔工件2.切削刃3.導向條4.鉆頭體

5.鉆桿6.輸油器7.楔形體

(b)深孔加工新原理用于現(xiàn)有深孔刀具（用于非對稱結(jié)構(gòu)）

圖4  深孔加工新原理

①新原理中深孔刀具自定心、自導向機理

圖4a中，K-K視圖顯示了由刀具系統(tǒng)楔形體與已加工深孔孔壁所形成的4個楔形空間（也可以設(shè)計為3個或其它數(shù)量）。楔形體相對于深孔工件旋轉(zhuǎn)。切削液因具有粘性，被拖進4個楔形空間，形成4個楔形油膜。圖4a中楔形體與深孔同軸，切削液沿圓周的壓力分布可以從雷諾方程推導得出，兩者同軸時切削液的壓力分布如圖5a所示。楔形空間內(nèi)部的液體壓力高于楔形空間入口與出口處的壓力。4個楔形油膜均勻分布，它們作用于楔形體，猶如3爪卡盤或4爪卡盤夾緊一個工件。均勻分布的油膜作用力使楔形體連同與之固定連接的鉆頭體、鉆桿被定位于深孔中心，深孔刀具系統(tǒng)沿著已加工深孔的軸線向前進給。利用已加工出的深孔作為基準，進行導向，加工后續(xù)深孔。沿深孔軸線方向增加楔形體數(shù)量或長度時，還可以起到增加深孔刀具系統(tǒng)剛度、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用。采用上述液力自定心、自導向原理時，深孔刀具由液體定位、夾緊和引導，這與現(xiàn)有深孔加工原理有著本質(zhì)的差別。

②新原理中刀具自糾偏機理

在新的深孔加工原理中，楔形油膜如同車床上的三爪卡盤。通常情況下，三爪卡盤作用于工件的合力為0；類似地，通常情況下，楔形油膜作用于楔形體的合力也為0。當車床上的工件受外界干擾，試圖偏離時，三爪卡盤可以穩(wěn)定工件，阻止其偏離；類似地，當楔形體受到外界干擾偏離深孔軸線時，各處楔形油膜厚度將發(fā)生變化，厚度變小的油膜內(nèi)將產(chǎn)生更高的壓力，它對楔形體的作用力加大，從而使楔形體恢復原來位置，同時使油膜恢復原始厚度。上述糾偏過程，因液體特性，隨時動態(tài)自動進行。圖5b為楔形體受外界干擾與深孔不同軸的情形。這種情況下，切削液沿圓周的壓力分布也可以從雷諾方程推導得出。

(a)楔形體與深孔同軸     (b)楔形體與深孔不同軸

圖5  楔形體及其切削液周向壓力分布

（2）新原理與現(xiàn)有深孔刀具具有相容性

采用新的深孔加工原理時，可以采用對稱刀具（見圖4a），也可以采用現(xiàn)有的深孔刀具為非對稱刀具（見圖4b）。用于現(xiàn)有深孔刀具時，對于刀具與深孔同軸的情況，幾個楔形油膜對楔形體的合力為0，其加工過程與現(xiàn)有深孔加工過程相同，楔形油膜不會破壞現(xiàn)有刀具對深孔的加工。對于刀具與深孔不同軸的情況，楔形油膜可以起到糾偏的作用。

（3）新原理中切削液作用力計算

切削液施加于楔形體的力具有定位和糾正深孔刀具系統(tǒng)的作用。確定楔形體及油膜參數(shù)（見圖6）是計算切削液作用力的第一步。圖6只針對一個楔形凸起進行標注，其它楔形凸起的參數(shù)同理可以得到。

依據(jù)雷諾方程由圖6可得

式中，p為楔形油膜內(nèi)液體的壓力；η為切削液的動力粘度；ω為刀具與深孔孔壁的相對旋轉(zhuǎn)速度。其它參數(shù)見圖6。

通過式（1）得到液體內(nèi)部的壓力分布，可求得液體對楔形體的作用力。當楔形體與深孔同軸時，切削液的合力為0，油膜猶如三爪卡盤，定位楔形體及刀具系統(tǒng)。但楔形體與深孔不同軸時，切削液的作用力不為0，可以糾正刀具系統(tǒng)偏斜。

圖6  楔形體及油膜參數(shù)

 4  深孔加工新原理楔形體部位切削液流量

采用新的深孔加工原理時，需要在鉆頭和鉆桿之間固定楔形體。以下分析楔形體部位切削液的流量。以Sandvik Coromant公司內(nèi)排屑深孔鉆頭為例（見圖7）。圖中，當Dc=60mm時，dmm=47mm，其鉆桿直徑也為47mm。設(shè)鉆頭大端圓柱基體（用于固定導向條和切削刃）的直徑為Db，Db≈0.9Dc=54mm。以上實例表明Dc、Db、dmm差值較大，為楔形體的設(shè)計提供了良好條件。圖8為深孔刀具中楔形體與深孔截面圖。設(shè)圖8楔形體圓柱基體的直徑為Dx。

圖7  鉆頭結(jié)構(gòu)與尺寸

圖8  深孔刀具楔形體與深孔截面

楔形體材料及熱處理與鉆頭相同，從強度角度考慮，Dx的約束條件為dmm≤Dx<Db(=0.9Dc)

或dmm≤Dx<0.9Dc

式中，dmm為圓環(huán)外徑（見圖7）；Dx為楔形體圓柱基體直徑；Dc為深孔直徑；Db為鉆頭大端圓柱基體直徑。

如Db≈0.9Dc，鉆頭大端圓柱基體固定有切削刃和導向條。另外，切削液流過鉆頭與深孔內(nèi)壁的縫隙，由Dc和固定有切削刃和導向條的鉆頭大端圓柱基體直徑Db（Db≈0.9Dc）容易求出液體過流截面面積。設(shè)置楔形體后，切削液將流過楔形體與深孔內(nèi)壁的縫隙，設(shè)楔形體處過流截面面積為S。則從流量角度，設(shè)計楔形體的約束條件為

因此，從強度和切削液供應方面考慮，設(shè)計楔形體的總的約束條件為式(2)，而這是容易保證的。

式中，dmm為圖7中圓環(huán)外徑；Dx為圖8楔形體圓柱基體直徑；Dc為深孔直徑；S為楔形體處的過流截面面積。

 5  楔形體的連接與應用

帶有楔形的部分前端有內(nèi)螺紋，與現(xiàn)有深孔鉆頭外螺紋固定連接，帶有楔形體的部分后端有外螺紋，與現(xiàn)有深孔鉆桿固定連接。機床采用現(xiàn)有加工機床，刀具與工件同時旋轉(zhuǎn)，作反方向相對運動。楔形體具有4個楔形凸起，在深孔加工過程中，楔形凸起與已加工深孔內(nèi)壁形成4個楔形油膜。楔形油膜內(nèi)壓力升高使刀具系統(tǒng)具有自導向、自糾偏作用。加工后所測得的深孔壁厚差均值有所下降，深孔尺寸精度可達到IT7，深孔表面粗糙度低于3.2μm，其它精度大于等于現(xiàn)有加工方法。深孔加工過程中切削液流量和壓力與現(xiàn)有方法相當。加工合格率上升，滿足了加工需求。采用新刀具后，深孔壁厚差減少，較好地保證了工件內(nèi)孔與外圓表面的同軸度，因此，在制定深孔加工工藝余量時，所加工工件單邊余量可以下降能節(jié)約材料，降低加工成本。

小結(jié)

（1）深孔結(jié)構(gòu)具有多種重要應用；深孔加工刀具系統(tǒng)長徑比大、剛度差，易走偏；深孔加工過程在封閉空間內(nèi)完成，難以觀察、糾正深孔偏斜，導致深孔直線度和形狀位置精度難以很好保證?，F(xiàn)有深孔加工方法中刀具為非對稱結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有方法已存在200年，并為世界各國廣泛采用。其缺點是：刀具結(jié)構(gòu)不對稱，切削力的合力不為零，使工件產(chǎn)生變形，無自動糾偏能力。

（2）動壓滑動軸承基于流體的楔效應而工作。楔形油膜支撐、定位磨床主軸等重要零件，使主軸具有很高的旋轉(zhuǎn)精度。

（3）刀具可自定心、自導向、自糾偏的深孔加工新原理，借鑒了動壓滑動軸承的工作原理，新原理中的楔形體與已加工深孔形成楔形油膜，楔形油膜支撐、定位、導向刀具，自動實時糾正深孔刀具的偏斜。新原理與現(xiàn)有深孔刀具具有相容性，可用于對稱刀具和非對稱刀具。楔形體的存在不影響切削液的供應。

（4）采用新的加工方法，所加工深孔的壁厚差減小，深孔其它精度大于等于現(xiàn)有加工方法。

碩朔生產(chǎn)、定做硬質(zhì)、鎢鋼鉆頭、合金鉸刀、整體復合刀具、機夾刀桿、焊接刀具及鋸片銑刀產(chǎn)品；并提供標準銑刀、鉆頭修磨、絲錐修磨等。