一种精确机加工深孔的方法与流程

本发明属于金属材料的机械加工领域，具体涉及一种精确机加工深孔的方法。

背景技术：

深孔一般指孔的深度与孔径之比大于5的孔，在特定情况下，孔的深度与孔径之比甚至可以大于100，深孔在零部件或产品中可以起到装配、定位、导向等作用，被广泛应用于轴承、阀门、火箭弹身、火炮炮管以及其它特种设备。

深孔的加工方法一般为钻孔，即利用旋转刀杆对固定工件完成的切削加工，深孔加工面临的最棘手的问题之一是难以保证深孔的垂直度，对于深孔加工，刀杆在向前行进过程中可能遇到受力不均、润滑不畅、冷却不及时等问题，导致刀杆与加工平面之间的垂直度出现误差，在深孔加工过程中，小的误差不断累积，最终导致深孔的垂直度出现较大偏差，并且此类偏差难以预料或控制，导致精确加工深孔的难度陡增，给相关零部件及设备的加工带来风险；此外，由于刀杆受到孔径的限制，在切削过程中，随着刀杆行程的增加，其自身极容易产生振刀现象，造成孔壁粗糙度增加，难以满足加工需求；同时，在刀具与金属之间进行切削时，冷却液以及润滑剂难以进入到切削区，造成局部过热，使刀具耐磨性和寿命降低；在深孔加工过程中，不能直接观察刀具的切削情况，而只能凭借听切削时的声音、看切屑外观、感受刀杆震动幅度等间接方法判断切削过程顺利与否，这更增加了深孔加工的难度和门槛。

面对这一现状，目前也有了相关的技术改进措施，可以大体分为以下两类：第一类，升级加工设备，例如提高钻头刀杆的刚性、提高机床的精确度等，这一类方法依旧没有从根本上规避深孔垂直度出现偏差的可能，同时还额外增加了加工成本；第二类，增加加工工序，例如首先钻出引导孔，然后利用钻头扩孔，加工出规定孔径的深孔，这种方法虽然能够保证深孔内壁的粗糙度，但引导孔仍采用传统工艺加工，其垂直度难获保证，因此该方法依旧难以保证深孔的形位公差。

人们迫切希望获得一种技术效果优良的精确机加工深孔的方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种精确机加工深孔的方法。本发明先在金属材料上加工出穿丝孔，然后利用电火花线切割机加工出垂直度符合要求的导向孔，然后利用钻头加工出成型深孔，保证了成型深孔的粗糙度和形位公差完全符合设计要求，从根本上解决了深孔加工形位公差难以满足的现状。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种精确机加工深孔的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将金属材料以金属材料上的设计深孔的轴线为中心进行钻孔处理，得到具有穿丝孔的金属材料，所述穿丝孔的孔径为金属材料上的设计深孔的孔径的20％～30％；

步骤二、将步骤一中得到的具有穿丝孔的金属材料以金属材料上的设计深孔的轴线为中心进行线切割处理，得到具有导向孔的金属材料；所述导向孔的孔径为金属材料上的设计深孔的孔径的95％～97％，且导向孔的轴线与金属材料上的设计深孔的轴线重合；

步骤三、将步骤二中得到的具有导向孔的金属材料，采用钻头沿导向孔进行加工深孔处理，得到精确机加工深孔的金属材料；所述钻头包含引导段和切削段，其中，引导段的直径与导向孔的孔径相同，切削段的直径与金属材料上的设计深孔的孔径相同。

上述的一种精确机加工深孔的方法，其特征在于，步骤二中所述线切割处理的过程为：先将具有穿丝孔的金属材料放置在电火花线切割机的夹具上，利用电火花线切割机上的电极丝找正具有穿丝孔的金属材料上的设计深孔的轴线，通过调整电火花线切割机的夹具，调整具有穿丝孔的金属材料的位置，直至在具有穿丝孔的金属材料上的设计深孔的轴线上至少找正三个基准点，保持电火花线切割机的电极丝与具有穿丝孔的金属材料上的设计深孔的轴线保持平行，然后将具有穿丝孔的金属材料固定在电火花线切割机的夹具上，再将电火花线切割机的电极丝穿过具有穿丝孔的金属材料的穿丝孔，进行线切割处理，得到具有导向孔的金属材料，其中，电极丝采用钼丝。本发明先将具有穿丝孔的金属材料放置在电火花线切割机的夹具上，利用电火花线切割机上的电极丝找正具有穿丝孔的金属材料上的设计深孔的轴线，通过调整电火花线切割机的夹具，调整具有穿丝孔的金属材料的位置，直至在具有穿丝孔的金属材料上的设计深孔的轴线上至少找正三个基准点，保持电火花线切割机的电极丝与具有穿丝孔的金属材料上的设计深孔的轴线保持平行，然后将具有穿丝孔的金属材料固定在电火花线切割机的夹具上，通过调整电火花线切割机的夹具，调整具有穿丝孔的金属材料的位置，协助完成找正操作，保证了电火花线切割机的电极丝在三维空间坐标中与具有穿丝孔的金属材料上的设计深孔的轴线保持严格平行，进而保证了加工出的引导孔的轴线与具有穿丝孔的金属材料上的设计深孔的轴线重合，有利于后续进行的加工深孔处理，有利于具有穿丝孔的金属材料在切割过程中保持稳定，本发明采用电火花线切割机的电极丝穿过具有穿丝孔的金属材料的穿丝孔，进行线切割处理，实现了导向孔的加工，保证了金属材料的导向孔的轴线与金属材料上的设计深孔的轴线重合，有利于后续加工深孔的进行，本发明采用钼丝作为电极丝，具有加工效果好，运行稳定和成本低的优点。

上述的一种精确机加工深孔的方法，其特征在于，步骤三中所述钻头的引导段的长度与切削段的长度之比为(10～15)：(85～90)。本发明采用钻头的引导段的长度与切削段的长度之比为(10～15)：(85～90)，因为引导段的直径与导向孔的孔径相同且已达设计深孔孔径的95％～97％，所以该钻头在加工过程中，引导段的长度与切削段的长度之比为(10～15)：(85～90)即可满足导向和定位的作用，避免了引导段的长度超出范围导致的引导段与导向孔之间产生摩擦产生的振刀现象，有利于保持钻头的行进路径与导向孔保持平行，保证了深孔加工的精度要求和粗糙度要求，实现了精确机加工深孔。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明采用在金属材料上先制备穿丝孔，利用穿丝孔的初步定位，保证了电火花线切割的电极丝能顺利穿过金属材料，为导向孔的加工提供了位置基准，然后通过找正，保持电火花线切割机的电极丝与金属材料上的设计深孔的轴线保持平行并切割出导向孔，保证了导向孔的轴线与金属材料上的设计深孔的轴线重合，保持了钻头的行进路径与导向孔保持平行，再利用钻头沿导向孔进行深孔加工，实现了精确机加工深孔，保证了成型深孔的粗糙度和形位公差完全符合设计要求，从根本上解决深孔加工形位公差难以满足的现状，采用本发明提供的方法精确机加工深孔，加工出的成型深孔的轴线与金属材料上的设计深孔的轴线之间的平行度可达0.03mm，远高于普通钻孔方法的0.1mm，为精确机加工深孔提供了新方法。

2、本发明提供的精确机加工深孔的方法，通过找正保持了电火花线切割机的电极丝与金属材料上的设计深孔的轴线保持平行并制备导向孔，保持在深孔加工中钻头的行进路径与引导孔保持平行，精确控制了加工出的成型深孔的垂直度和加工出的成型深孔的轴线与金属材料上的设计深孔的轴线之间的平行度，保证了深孔加工的成功率，在加工过程中几乎无风险，避免了传统深孔加工方法中刀杆在向前行进过程中可能遇到受力不均、润滑不畅或冷却不及时导致的放入刀杆与加工平面之间的垂直度出现误差等问题，避免了传统深孔加工过程中小误差不断累积造成的深孔的垂直度出现较大偏差，超出设计要求允差范围导致的零部件报废和加工风险极高的不足。

3、本发明采用穿丝孔的孔径为设计深孔孔径的20％～30％，保证了电火花线切割机的电极丝能够穿过，有利于后续切割处理的进行，保证了线切割导向孔处理时具有足够的余量；本发明采用导向孔的孔径为金属材料上的设计深孔的孔径的95％～97％，为加工深孔处理留有余量；本发明采用特定直径的包含引导段和切削段的钻头，实现了引导段和切削段配合进行深孔加工，保证了加工出的成型深孔的粗糙度和形位公差完全符合设计要求。

4、本发明提供的精确机加工深孔的方法，无需进行专用设备搭建，利用已有设备的加工能力，仅需在传统钻头基础上进行钻头改造，通过重新设计加工工艺路线，即可实现深孔的精确机加工，成本低廉，容易实现，操作人员无需进行复杂操作，充分解放脑力劳动，操作简单，技术门槛低，适用于圆台、棱柱等含深孔零部件的机加工，适用范围广泛。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明得到的具有穿丝孔的金属材料的剖面图。

图2为本发明采用电火花线切割机的电极丝找正金属材料上的设计深孔的轴线的剖面图。

图3为本发明得到的具有导向孔的金属材料的剖面图。

图4a为本发明采用钻头沿导向孔进行加工深孔处理的第一阶段的状态示意图。

图4b为本发明采用钻头沿导向孔进行加工深孔处理的第二阶段的状态示意图。

图4c为本发明采用钻头沿导向孔进行加工深孔处理的第三阶段的状态示意图。

图5为本发明得到的精确机加工深孔的金属材料的剖面图。

图6为本发明采用的钻头的结构示意图。

图7为本发明实施例1采用的tc4钛合金圆柱铸锭的剖面图。

图8是本发明实施例1得到的具有穿丝孔的tc4钛合金圆柱铸锭的实物图。

图9是本发明实施例1采用电火花线切割机的钼丝找正tc4钛合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线的实物图。

图10是本发明实施例1得到的具有导向孔的tc4钛合金圆柱铸锭的实物图。

图11是本发明实施例1采用钻头沿导向孔进行加工深孔处理的第一阶段的实物图。

图12是本发明实施例1得到的精确机加工深孔的tc4钛合金圆柱铸锭的剖面图。

附图标记说明：

1—金属材料；2—穿丝孔；3—电火花线切割机；

4—电极丝；5—导向孔；6—钻头；

6-1—引导段；6-2—切削段；7—设计深孔的轴线；

8—成型深孔；9—盲孔。

具体实施方式

图1为本发明得到的具有穿丝孔的金属材料的剖面图，从图1可以看出，在金属材料1上加工出了穿丝孔2，得到了具有穿丝孔2的金属材料1，图2为本发明采用电火花线切割机的电极丝找正金属材料上的设计深孔的轴线的剖面图，从图2可以看出，电火花线切割机3的电极丝4与金属材料1上的设计深孔的轴线7保持平行，图3为本发明得到的具有导向孔的金属材料的剖面图，从图3可以看出，在金属材料1上加工出了孔径为的导向孔5，图4a为本发明采用钻头沿导向孔进行加工深孔处理的第一阶段的状态示意图，从图4a可以看出，将钻头6的引导段6-1伸入金属材料1的导向孔5中，图4b为本发明采用钻头沿导向孔进行加工深孔处理的第二阶段的状态示意图，从图4b可以看出，钻头6沿导向孔5进行加工，孔径为的导向孔被加工为孔径为φ的深孔，图4c为本发明采用钻头沿导向孔进行加工深孔处理的第三阶段的状态示意图，从图4c可以看出，钻头6沿导向孔5进行加工，孔径为的导向孔被进一步加工为孔径为φ的深孔，图5为本发明得到的精确机加工深孔的金属材料的剖面图，从图5可以看出，本发明得到的具有孔径为φ的成型深孔8的金属材料1，图6为本发明采用的钻头的结构示意图，从图6可以看出，本发明采用的钻头6包含引导段6-1和切削段6-2，其中，引导段6-1的长度为h，孔径为切削段6-2的长度为h，孔径为φ，h：h＝(10～15)：(85～90)。

实施例1

本实施例为在400mm×717mm(直径×高)的tc4钛合金圆柱铸锭上加工平行度为0.05mm的30mm×717mm(孔径×孔深)的深孔，其中，tc4钛合金圆柱铸锭如图7所示，图7中tc4钛合金圆柱铸锭上有孔径为a＝145mm、孔深为b＝637mm的盲孔9，tc4钛合金圆柱铸锭上的盲孔9的底面到tc4钛合金圆柱铸锭的底面的距离为c＝80mm，tc4钛合金圆柱铸锭的直径为d＝400mm。

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将tc4钛合金圆柱铸锭以tc4钛合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线7为中心进行钻孔处理，得到具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭，如图8所示；所述穿丝孔2的孔径为9mm；

步骤二、先将步骤一中得到的具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭放置在电火花线切割机3的夹具上，通过调整电火花线切割机3的夹具，调整具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭的位置，直至在具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线7上找正三个基准点，保持电火花线切割机3的钼丝与具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线7保持平行，如图9所示，然后将具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭固定在电火花线切割机3的夹具上，再将电火花线切割机3的钼丝穿过具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭的穿丝孔2，以具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线7为中心进行线切割处理，得到具有的导向孔5的tc4钛合金圆柱铸锭，如图10所示；所述导向孔5的孔径为29mm；

步骤三、将步骤二中得到的具有导向孔5的tc4钛合金圆柱铸锭，采用钻头6沿导向孔5进行加工深孔处理，得到精确机加工深孔的tc4钛合金圆柱铸锭，如图12所示，图12中tc4钛合金圆柱铸锭上有孔径为a＝145mm、孔深为b＝637mm的盲孔9，tc4钛合金圆柱铸锭上的盲孔9的底面到tc4钛合金圆柱铸锭的底面的距离为c＝80mm，tc4钛合金圆柱铸锭的直径为d＝400mm，tc4钛合金圆柱铸锭上的盲孔9的轴线和tc4钛合金圆柱铸锭上的成型深孔8的轴线的距离为e＝100mm，tc4钛合金圆柱铸锭上的成型深孔8的孔径为φ＝30mm；所述钻头6包含长度为30mm、直径为29mm的引导段6-1和长度为270mm、直径为30mm的切削段6-2。

图11是本发明实施例1采用钻头沿导向孔进行加工深孔处理的第一阶段的实物图，从图11中可以看出，钻头6的引导段6-1伸入金属材料1的导向孔5中。

经检测，本实施例制备的精确机加工深孔的tc4钛合金圆柱铸锭上的成型深孔的轴线与tc4钛合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线重合，成型深孔的内壁光滑，形位公差符合设计的要求，成型深孔的尺寸及平行度的测试结果如表1所示。

表1

对比例1

本对比例为在400mm×717mm(直径×高)的tc4钛合金圆柱铸锭上加工平行度为0.05mm的30mm×717mm(孔径×孔深)的深孔。

本对比例包括以下步骤：

步骤一、将tc4钛合金圆柱铸锭以tc4钛合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线7为中心进行钻孔处理，得到具有导向孔5的tc4钛合金圆柱铸锭；所述导向孔5的孔径为29mm；

步骤二、将步骤一中得到的具有导向孔5的tc4钛合金圆柱铸锭采用钻头6沿导向孔5进行加工深孔处理，得到机加工深孔的tc4钛合金圆柱铸锭；所述钻头6包含长度为30mm、直径为29mm的引导段6-1和长度为270mm、直径为30mm的切削段6-2；

经检测，本对比例制备的机加工深孔的tc4钛合金圆柱铸锭上的成型深孔的轴线与tc4钛合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线不平行，形位公差不符合设计的要求，成型深孔的尺寸及平行度的测试结果如表2所示。

表2

通过对比例1与实施例1进行对比可以看出，对比例1中，直接制备导向孔，省略了实施例1中先加工穿丝孔，然后加工导向孔的过程，导致对比例1中得到的成型深孔的平行度不符合设计的要求。

对比例2

本对比例为在400mm×717mm(直径×高)的tc4钛合金圆柱铸锭上加工平行度为0.05mm的30mm×717mm(孔径×孔深)的深孔。

本对比例包括以下步骤：

步骤一、将tc4钛合金圆柱铸锭以tc4钛合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线7为中心，采用钻头6进行加工深孔处理，得到机加工深孔的tc4钛合金圆柱铸锭；所述钻头6包含长度为30mm、直径为29mm的引导段6-1和长度为270mm、直径为30mm的切削段6-2。

经检测，本对比例制备的机加工深孔的tc4钛合金圆柱铸锭上的成型深孔的轴线与tc4钛合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线不平行，形位公差不符合设计的要求，成型深孔的尺寸及平行度的测试结果如表3所示。

表3

通过对比例2与实施例1进行对比可以看出，对比例2中，直接加工深孔，省略了实施例1中先加工穿丝孔，然后加工导向孔，再加工深孔的过程，导致对比例2中得到的成型深孔的平行度不符合设计的要求。

通过对比例1和对比例2与实施例1进行对比可以看出，将金属材料先加工穿丝孔，然后加工导向孔，再加工深孔，得到的成型深孔的轴线与设计深孔的轴线重合，成型深孔的内壁光滑，成型深孔的尺寸及平行度的测试结果符合设计的要求。

实施例2

本实施为在边长为680mm的304l不锈钢立方体零件上加工平行度为0.1mm的24mm×680mm(孔径×孔深)的深孔。

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将304l不锈钢立方体零件以304l不锈钢立方体零件上的设计深孔的轴线7为中心进行钻孔处理，得到具有穿丝孔2的304l不锈钢立方体零件；所述穿丝孔2的孔径为6mm；

步骤二、先将步骤一中得到的具有穿丝孔2的304l不锈钢立方体零件放置在电火花线切割机3的夹具上，通过调整电火花线切割机3的夹具，调整具有穿丝孔2的304l不锈钢立方体零件的位置，直至在具有穿丝孔2的304l不锈钢立方体零件上的设计深孔的轴线7上找正三个基准点，保持电火花线切割机3的钼丝与具有穿丝孔2的304l不锈钢立方体零件上的设计深孔的轴线7保持平行，然后将具有穿丝孔2的304l不锈钢立方体零件固定在电火花线切割机3的夹具上，再将电火花线切割机3的钼丝穿过具有穿丝孔2的304l不锈钢立方体零件的穿丝孔2，以具有穿丝孔2的304l不锈钢立方体零件上的设计深孔的轴线7为中心进行线切割处理，得到具有导向孔5的304l不锈钢立方体零件；所述导向孔5的孔径为23mm；

步骤三、将步骤二中得到的具有导向孔5的304l不锈钢立方体零件，采用钻头6沿导向孔5进行加工深孔处理，得到精确机加工深孔的304l不锈钢立方体零件；所述钻头6包含长度为36mm、直径为23mm的引导段6-1和长度为264mm、直径为24mm的切削段6-2。

经检测，本实施例制备的精确机加工深孔的304l不锈钢立方体零件上的成型深孔的轴线与304l不锈钢立方体零件上的设计深孔的轴线重合，成型深孔内壁光滑，形位公差符合设计的要求，成型深孔的尺寸及平行度的测试结果如表4所示。

表4

实施例3

本实施为在500mm×800mm(直径×高)的6061铝合金圆柱铸锭上加工平行度为0.1mm的35mm×800mm(孔径×孔深)的深孔。

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将6061铝合金圆柱铸锭以6061铝合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线7为中心进行钻孔处理，得到具有穿丝孔2的6061铝合金圆柱铸锭；所述穿丝孔2的孔径为7mm；

步骤二、先将步骤一中得到的具有穿丝孔2的6061铝合金圆柱铸锭放置在电火花线切割机3的夹具上，通过调整电火花线切割机3的夹具，调整具有穿丝孔2的6061铝合金圆柱铸锭的位置，直至在具有穿丝孔2的6061铝合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线7上找正三个基准点，保持电火花线切割机3的钼丝与具有穿丝孔2的6061铝合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线7保持平行，然后将具有穿丝孔2的6061铝合金圆柱铸锭固定在电火花线切割机3的夹具上，再将电火花线切割机3的钼丝穿过具有穿丝孔2的6061铝合金圆柱铸锭的穿丝孔2，以具有穿丝孔2的6061铝合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线7为中心进行线切割处理，得到具有导向孔5的6061铝合金圆柱铸锭；所述导向孔5的孔径为34mm；

步骤三、将步骤二中得到的具有导向孔5的6061铝合金圆柱铸锭，采用钻头6沿导向孔5进行加工深孔处理，得到精确机加工深孔的6061铝合金圆柱铸锭；所述钻头6包含长度为45mm、直径为34mm的引导段6-1和长度为255mm、直径为35mm的切削段6-2。

经检测，本实施例制备的精确机加工深孔的6061铝合金圆柱铸锭上的成型深孔的轴线与6061铝合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线重合，成型深孔内壁光滑，形位公差符合设计的要求，成型深孔的尺寸及平行度的测试结果如表5所示。

表5

实施例4

本实施例为在300mm×625mm(直径×高)的tc4钛合金圆柱铸锭上加工平行度为0.05mm的40mm×625mm(孔径×孔深)的深孔。

本实施例包括以下步骤：

步骤一、将tc4钛合金圆柱铸锭以tc4钛合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线7为中心进行钻孔处理，得到具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭；所述穿丝孔2的孔径为10mm；

步骤二、先将步骤一中得到的具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭放置在电火花线切割机3的夹具上，通过调整电火花线切割机3的夹具，调整具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭的位置，直至在具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线7上找正三个基准点，保持电火花线切割机3的钼丝与具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线7保持平行，如图9所示，然后将具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭固定在电火花线切割机3的夹具上，再将电火花线切割机3的钼丝穿过具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭的穿丝孔2，以具有穿丝孔2的tc4钛合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线7为中心进行线切割处理，得到具有的导向孔5的tc4钛合金圆柱铸锭；所述导向孔5的孔径为38mm；

步骤三、将步骤二中得到的具有导向孔5的tc4钛合金圆柱铸锭，采用钻头6沿导向孔5进行加工深孔处理，得到精确机加工深孔的tc4钛合金圆柱铸锭；所述钻头6包含长度为30mm、直径为38mm的引导段6-1和长度为270mm、直径为40mm的切削段6-2。

经检测，本实施例制备的精确机加工深孔的tc4钛合金圆柱铸锭上的成型深孔的轴线与tc4钛合金圆柱铸锭上的设计深孔的轴线重合，成型深孔的内壁光滑，形位公差符合设计的要求，成型深孔的尺寸及平行度的测试结果如表6所示。

表6

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。