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第五章 孔加工工艺与装备
掌握钻削的工艺特点与应用。
掌握扩孔、铰孔的工艺特点和应用。
掌握镗削加工的工艺特点和应用。
了解孔的其他加工方法的应用。
熟悉制订孔加工工艺路线的基本规范。
5.1 钻削工艺与装备
5.1.1 钻削的工艺特点
（1）容易产生“引偏”。“引偏”是指加工时由于钻头弯曲而引起的孔径扩大、孔不圆以及孔的轴线歪斜。
钻孔时产生引偏，主要原因有以下几方面。
① 麻花钻直径和长度受所加工孔的限制，一般呈细长状，刚性较差。为形成切屑刃和容纳切屑，其上必须做出两条较深的螺旋槽，这样导致钻心变细，削弱了钻头的刚性。
② 为减少导向部分与已加工孔壁的摩擦，钻头仅有两条很窄的棱边与孔壁接触，接触刚度和导向作用也很差。
③ 钻头横刃处的前角具有很大的负值，切削条件极差，而实际上不是在切削，而是在挤刮金属，加上由钻头横刃产生的轴向力很大，稍有偏斜，将产生较大的附加力矩，致使钻头弯曲。
④ 钻头的两个主切削刃很难磨得完全对称，加上工件材料的不均匀性，钻孔时的径向力不可能完全抵消。
在实际加工中常采用以下措施来减少引偏。
① 预钻锥形的定心坑，如图5-3（a）所示。首先用小顶角大直径短麻花钻预先钻一个锥形坑，然后再用所需的钻头钻孔。由于预钻时钻头的刚性好，锥形坑不易偏，以后再用所需的钻头钻孔时，这个坑就可以起定心作用。
② 用钻套为钻头导向，如图5-3（b）所示。此方法可以减少钻孔开始时的“引偏”，特别是在斜面或者曲面上钻孔时，更为重要。
③ 刃磨时，尽量把钻头的两个主切削刃磨得对称一致，使两主切削刃的径向切削力相互抵消，从而减少钻头的“引偏”。
（2）排屑困难。钻削时，切屑与工件表面产生较大摩擦，刮伤已加工表面，并且可能阻塞在容屑槽中，卡住或折断钻头。
3）切削热不易传散。钻削是一种半封闭式的切削形式，钻削时所产生的热量大部分被工件吸收。切削时，大量高温切屑不能及时排出，切削液难以注入切削区，切屑、刀具与工件之间的摩擦力很大。因此，切削温度较高，致使刀具磨损加剧，这就限制了钻削用量和生产效率的提高
5.1.2 钻削装备
1．钻床
钻床的种类很多，常用的有台式钻床、立式钻床和摇臂钻床。
（1）台式钻床。单件和小批量生产中，中小型工件上的小孔（直径小于13 mm）常用台式钻床加工。底座用以支撑台钻的立柱、主轴等部分，也是装夹工件的工作台。台式钻床的进给运动由手转动进给手柄使主轴轴向移动实现，主轴下端有锥孔，用来安装钻夹头。
（2）立式钻床。中小型工件上直径较大的孔（直径小于50 mm）常用立式钻床加工。立式钻床的规格用最大钻孔直径表示，其主轴位置在水平方向相对于工作台固定，为使钻头与工件上孔的中心重合，必须移动工件，因此操作不便，生产率不高，常用于小型工件的单件、小批量加工。
（3）摇臂钻床。大中型工件上的孔通常采用摇臂钻床加工。摇臂钻床的主轴箱可以沿摇臂的横向导轨做水平移动，摇臂又能绕立柱回转和上下移动。
2．麻花钻
（1）结构。
① 麻花钻由柄部、颈部和工作部分组成。
② 柄部是麻花钻的夹持部分，有直柄和锥柄两种类型。直柄传递的扭矩较小，一般用于直径小于12 mm的钻头；锥柄可传递较大的扭矩，用于大于12 mm的钻头。
③ 锥柄的扁尾既可传递较大扭矩，又可避免钻头在主轴锥孔或钻套中转动，并便于用来拆卸钻头。
④ 麻花钻的切削部分担负主要的切削工作，由两个刀瓣组成，每个刀瓣相当于一把车刀。因此，麻花钻有两条对称的主切削刃。
⑤ 标准麻花钻的顶角2 为118°±2°。两主切削刃中间由横刃相连。
（2）安装。麻花钻头在安装时，直柄麻花钻一般用钻夹头装夹。钻夹头的锥柄安装在钻床主轴锥孔中，麻花钻的直柄装夹在钻夹头的3个能自动定中心的夹爪中。
5.1.3 钻孔加工工艺
1．工件的安装
小型工件通常用虎钳或平口钳装夹；较大的工件可用压板螺栓直接安装在工作台上；在圆柱形工件上钻孔可放在V形铁上进行。
2．钻孔的方法
孔的类型有很多种，对于不同的孔，所使用的钻孔方法也不同。
（1）钻通孔。如果孔太深，不能在工件4一边钻通时，可按划线钻入一半以上的孔1后，将工件撤出，在其他一切条件不变的情况下，钻头3继续向下在垫板5上钻个孔，在孔内插入一个滑配销子2，将工件反过来，将所钻的半孔插到销子2上，则钻头在另一边钻的孔可保证与先前钻的半孔位于同一条直线上。
（2）钻横孔。要求通过轴线钻横孔的轴件5，用夹具4紧固在有V形槽的底座1上。与V形槽配合的锥块2上用螺钉和销子固定一个小V形块3，用其校准钻头位置后，将锥块2后撤，对轴件钻孔。还可以在锥块2上固定一个上下可调节的钻套，钻头通过钻套钻孔。
1—孔；2—滑配销子；3—钻头；
4—工件；5—垫板
1—底座；2—锥块；3—小V形块；
4—夹具；5—轴件
（3）曲面上钻孔。上机械手3按程序将钻孔装置自动送到曲板1上后，开启小电动机2将钻具下行，待钻头接触板面时，开动电动机4钻孔。图5-15所示为在球上钻孔的方法。将一个螺纹管接头1的端头车平，加工出倒角，拧入插座4上。将球2放在倒角口上，拧螺纹盖3将其紧固后，钻头通过盖3的导孔对球钻孔。
（4）钻深孔。当切削孔的深度与直径之比大于5时，称为深孔钻削。为了便于控制冷却液的循环和出屑，特别是对称的工件，通常钻头不动，工件旋转进行加工。钻头2不动，工件4转动，冷却液在压力下从钻杆内孔1进入，从钻头流出后，连同钻屑3从钻杆向外排。
1—曲板；2—小电动机；3—上机械手；4—电动机
1—钻杆内孔；2—钻头；3—钻屑；4—工件
5.1.4 扩孔、铰孔加工工艺
1．扩孔
（1）扩孔钻。
直径 3～ 15 mm的扩孔钻做成整体带柄式，直径 25～ 100 mm的扩孔钻做成整体套装式。
（2）特点。
① 刚性好。由于扩孔的背吃刀量ap小，切屑少，容屑槽可做的浅而窄，工作部分的刚性好。
② 导向性较好。由于容屑槽浅而窄，可在刀体上做出3～4个刀齿，这样一方面可提高生产效率，同时也增加了刀齿的棱边数，从而增强了扩孔时刀具的导向及修光作用，切削比较平稳。
③ 切削条件好。扩孔钻的切削刃不必自外缘延续到中心，无横刃，避免了由横刃引起的不良影响。
④ 效率高。加工轴向力较小，可采用较大的进给量，排屑顺利，不易刮伤已经加工的表面。
2．铰孔
（1）铰刀分类。铰孔所用的刀具叫铰刀，可分为手铰刀和机铰刀。手铰刀用于手工铰孔，柄部为直柄；机铰刀多为锥柄，装在钻床或车床上铰孔。
（2）铰刀结构。铰刀由工作部分、颈部和柄部组成。工作部分包括切削部分和修光部分。切削部分为锥形，担负主要的切削工作。
（3） 铰孔的工艺特点。
① 铰孔余量小。粗铰为0.15～0.35 mm；精铰为0.05～0.15 mm。切削力较小，零件的受力变形小。
② 切削速度低。比钻孔和扩孔的切削速度低得多，可避免积屑瘤的产生和减少切削热。
③ 适应性差。铰刀属定尺寸刀具，一把铰刀只能加工一定尺寸和公差等级的孔，不宜铰削阶梯孔、短孔、不通孔和断续表面的孔（如花键孔）。
④ 需施加切削液。为减少摩擦，利于排屑、散热，以保证加工质量，应加注切削液
5.2 镗削工艺与装备
5.2.1 镗削的工艺特点
（1）镗削加工适应能力较强。因为镗床的多种部件都能做进给运动，使其具有加工上的多功能性。镗刀结构简单，使用方便，既可以粗加工，也可以实现半精加工和精加工，一把镗刀可以加工不同直径的孔。
（2）位置精度高。镗削加工一般用于加工机座、箱体、支架及回转体等复杂的大型零件上的大直径孔，有位置精度要求的孔及孔系。镗孔时，其尺寸精度可达IT8～IT6级，孔距精度可达0.015 mm，表面粗糙度可达Ra1.6～0.8 m。
（3）可以纠正原有孔的偏斜。使用钻孔粗加工孔时所产生的轴线偏斜和不大的位置偏差可以通过镗孔来校正，从而确保加工质量。
（4）生产效率低。镗削加工时，镗刀杆的刚性较差，为了减少镗刀的变形和防止震动，通常采用较小的切削用量，所以生产效率较低。
5.2.2 镗削装备
1．镗床
（1）卧式镗床。卧式镗床主要由主轴箱，工作台，平旋盘，前、后立柱等组成。
① 利用装在镗轴上的悬伸刀杆镗刀镗孔。
② 利用后立柱支承长刀杆镗刀镗削同一轴线上的孔。
③ 利用装在平旋盘上的悬伸刀杆镗刀镗削大直径孔。
④ 利用装在镗轴上的端铣刀铣平面。
⑤ 利用装在平旋盘刀具溜板上的车刀车内沟槽和端面。
（2）坐标镗床。坐标镗床是一种高精度机床，其刚性和抗震性很好，还具有工作台、主轴箱等运动部件的精密坐标测量装置，能实现工件和刀具的精密定位。
（3）精镗床。精镗床是一种高速镗床。因采用金刚石作为刀具材料而得名金刚镗床。现在则广泛采用硬质合金作为刀具材料，一般采用较高的速度、较小的切削深度和进给量进行切削加工，加工精度较高，主要用在成批或大量生产中加工中小型精密孔。
（4）落地镗床。落地镗床用于加工某些庞大而笨重的工件。加工时，工件直接固定在地面上，镗轴3位置是由立柱1沿床身5的导轨做横向移动及主轴箱2沿立柱导轨做上下移动来进行调整的。落地镗床具有万能性大、集中操纵、移动部件的灵敏度高、操作方便等特点。
1—立柱；2—主轴箱；3—镗轴；4—操纵板；5—床身
2．镗刀
镗刀是由镗刀头和镗刀杆及相应的夹紧装置组成的。镗刀头是镗刀的切削部分，其结构和几何参数与车刀相似。在镗床上镗孔时，镗刀夹固在镗刀杆上与机床主轴一起做回转运动。
（1）镗刀种类。镗刀种类很多，主要可分为以下几种类型。
按切削刃数量不同可分为单刃镗刀、双刃镗刀和多刃镗刀。
按刀具采用的材料不同可分为高速钢镗刀、硬质合金镗刀和立方氮化硼镗刀。
按其用途不同可分为内孔镗刀、端面镗刀、切槽刀和内螺纹切刀。
按镗刀的结构不同可分为整体式单刃镗刀、镗刀头、固定式镗刀块、浮动刀块、复合镗刀、机夹不重磨式镗刀以及镗铰刀等。
常用的镗刀主要有以下几种。
① 单刃镗刀。单刃镗刀的刀头结构与车刀类似，使用时用紧固螺钉将其装夹在镗杆上。
② 精镗微调镗刀。在孔的精镗中，目前较多选用精镗微调镗刀。这种镗刀的径向尺寸可以在一定范围内进行微调，调节方便，且精度高。
③ 双刃镗刀。镗削大直径的孔可选双刃镗刀。双刃镗刀分固定式镗刀和浮动镗刀，它的两端具有对称的切削刃，工作时可消除径向力对镗杆的影响。工件孔径尺寸与精度由镗刀径向尺寸保证。
单刃镗刀
1—刀头；2—紧固螺钉；3—调节螺钉；4—镗杆
微调镗刀
1—刀片；2—镗刀杆；3—导向键；4—紧固螺钉；5—精调螺母；6—刀块
双刃浮动镗刀镗孔
（2）镗刀头。镗刀头一般插入镗杆孔中进行镗削加工，刀头采用整体合金钢材料或硬质合金刀片焊接而成，其截面形状有方形和圆形，配置于镗杆的方孔或圆孔中，应用很普遍。
（3）镗刀块。镗刀块是定径刀具，其形式为一种矩形薄片刀块，采用整体合金钢材料或在切削部分用硬质合金刀片焊接而成。
镗刀头
镗刀块
（4）镗刀的安装。镗刀的安装形式主要包括镗刀在刀杆上的安装类型、安装角度及镗刀的安装高度，要根据工件材料及镗削孔的结构类型、镗削刀具系统的刚性等来确定具体安装方法。
① 系统刚性好，镗削浅孔、通孔时选择90°悬臂式镗刀杆，即镗刀可以垂直安装，否则应选择有一定倾斜角度的镗刀杆来安装镗刀。
② 镗刀头在镗刀安装中，通常都有一个安装角，其目的主要在于增强刀具系统的刚性，并能使镗刀和压紧螺钉之间有足够的安装位置。
③ 镗刀安装位置的高低对镗削也有直接影响，如果镗刀装得低于所加工孔的轴心线，则会由于切削力的作用使刀尖楔入工件；若镗刀装得高出所加工孔的轴心线很多，则使镗刀实际前角减小过大从而影响切削加工。
④ 镗刀头的悬伸量也不能过大。
3．镗套
（1）固定式镗套。镗孔时不随镗杆一起转动的镗套称为固定式镗套。已标准化的有A、B两种类型。A型不带油杯和油槽，靠镗杆上开的油槽润滑，从而减少镗套的磨损。
（2）回转式镗套。随镗杆一起转动，与镗杆之间有相对移动而无相对转动的镗套，称为回转式镗套。这种镗套大大减少了磨损，也不会因摩擦发热而“卡死”。
固定式镗套
回转式镗套
4．镗床夹具
镗床夹具又称为镗模，用于加工箱体或支座类零件上的精密孔和孔系。它主要由镗模底座、支架、镗套、镗杆及必要的定位和夹紧装置组成。
1—支架；2—镗套；3、4—定位板；5、8—压板；6—夹紧螺钉；7—可调支撑钉；9—底座；10—镗刀杆；11—浮动接头
5.2.3 镗孔加工工艺
（1）利用主轴带动镗刀镗孔。
（2）利用平旋盘带动镗刀镗孔。当利用径向刀架使镗刀处于偏心位置时，可镗削大孔和大孔的内槽。
（3）孔系镗削。箱体类零件上的孔系除有同轴度的要求外，还常有孔距精度的要求以及轴线间的平行度和垂直度要求。
5.3 孔的其他加工方法
5.3.1 拉孔
1．拉刀
拉刀是多齿刀具，圆柱形刀齿的直径逐渐增大，故每个刀齿只切下一层较薄的金属，最后有几圈等直径的校准齿，用来校准孔径和修光孔壁。因此，拉孔的精度可达IT7～IT8，表面粗糙度值Ra为0.8～0.4 m。
2．拉削原理
拉孔时先把拉刀3的柄部穿入工件1经过预加工（钻孔或扩孔）的通孔中，工件的端面靠在拉床的支撑2上，启动拉床，拉床的卡头拖动拉刀做低速直线运动进行拉削。
1—工件；2—拉刀；3—支撑
3．拉削的工艺特点
（1）生产效率高。拉削加工的切削速度一般并不高，但由于拉刀是多齿刀具，同时参与切削的刀齿数较多，同时参与切削的切削刃较长，并且在拉刀的一次工作行程中能够完成粗加工、半精加工和精加工，大大缩短了基本工艺时间和辅助时间。
（2）加工精度高、表面粗糙度较小。拉刀有校准部分，其作用是校准尺寸，修光表面，并可作为精切齿的后备刀齿。校准刀齿的切削量很小，仅切去零件材料的弹性恢复量。另外，拉削的切削速度较低，目前vc＜18 m/min，拉削过程比较平稳，无积屑瘤；一般拉孔的精度为IT6～IT8，表面粗糙度Ra值为0.8～0.4 m。
（3）拉床结构和操作比较简单。拉削只有一个主运动，即拉刀的直线运动。进给运动是靠拉刀的后一个刀齿高出前一个刀齿来实现的，相邻刀齿的高出量称为齿升量。
（4）拉刀成本高。由于拉刀的结构和形状复杂，精度和表面质量要求较高，故制造成本很高。但拉削时切削速度较低，刀具磨损较慢，刃磨一次可以加工数以千计的零件，加之一把拉刀又可以重磨多次，所以拉刀的寿命长。当加工零件的批量较大时，刀具的单件成本并不高。
（5）与铰孔相似，拉削不能纠正孔的位置误差。
（6）不能拉削加工盲孔、深孔、阶梯孔及有障碍的外表面。
4．拉削的应用
拉削加工主要适用于成批和大量生产，尤其适用于在大量生产中加工比较大的复合型面，如发动机的气缸体等。在单件、小批生产中，对于某些精度要求较高、形状特殊的成形表面，用其他方法加工很困难时，也有采用拉削加工的。拉削加工因拉刀的形状不同，可拉削出各种形状的内孔。
拉孔加工直径通常为10～100 mm，孔深与直径之比为3～5，盲孔、阶梯孔和薄壁孔不宜拉削。此外，拉孔是以孔自身作为定位面，因此，不能保证孔与其他表面的位置精度。
5.3.2 锪孔加工
锪孔是指在已加工的孔上加工圆柱形沉头孔。
1—导柱；2—螺钉；3—刀体；4—锁销式刀柄；5—刀齿；6—垫片
5.3.3 孔的精整加工
1．孔的挤光
（1）分类。挤光加工分为推挤和拉挤两种方式。一般加工短孔时采用推挤。
（2）工具。挤光工具可采用滚球（淬硬钢球或者硬质合金球）、挤压刀（单环或多环）等，以实现工件的精整（尺寸）和强化（表层）等目的。
（3）应用。一般情况下，经过精镗或者铰等预加工、精度为IT8～IT10级的孔经过挤光后，可达到IT6～IT8级精度。经过预加工表面的粗糙度Ra为1.6～6.3 m的孔，经过挤光后铸铁零件表面粗糙度Ra可达0.4～1.6 m。
2．磨孔
磨孔是孔的精加工方法之一精度可达IT7，表面粗糙度值Ra为1.6～0.4 m。
（1）工艺特点
① 砂轮直径受到孔径的限制，磨削速度低。
② 砂轮轴受到工件孔径和长度的限制，刚度低而容易变形。
③ 砂轮与工件接触面积大，单位面积压力小，使磨钝的磨料不易脱落。
④ 切削液不易进入磨削区，磨屑排除和散热困难，工件易烧伤。
⑤ 砂轮磨损快、易堵塞，需要经常修整和更换。
（2）应用。磨孔的质量和生产率都不如磨外圆，但是磨孔的适应性好，可加工通孔、阶梯孔、锥孔、成形孔及孔端面等各式表面，不仅能保证孔本身的尺寸精度和表面质量，而且可提高孔的位置精度和孔轴线的直线度，因此在单件、小批量生产中应用很广。
1—卡盘；2—砂轮；3—工件
5.4 孔加工方案的确定
5.4.1 孔的技术要求
1．孔本身的精度
孔本身的精度指孔径和长度的尺寸精度、孔的形状精度，如圆度、圆柱度以及轴线的直线度等。
2．位置精度
位置精度指孔与孔，或者孔与外圆面的同轴度；孔与孔，或者孔与其他表面之间的尺寸精度、平行度、垂直度以及角度等。
3．表面质量
表面质量指孔表面粗糙度以及表层硬度、残余应力和显微组织等。
5.4.2 影响孔加工方案的主要因素
孔加工可以在车床、钻床、镗床、拉床或者磨床上进行，大孔和孔系则常在镗床上加工。拟订孔的加工方案时，应考虑孔径的大小和孔的深度、精度、表面粗糙度等要求，还要考虑工件的材料、形状、尺寸、重量和批量，以及车间的具体生产条件（如现有的加工设备）。
（1）若在实体材料上加工孔，必须先采用钻孔。若是对已经铸出或锻出的孔（多为中、大型孔）进行加工，则可直接采用扩孔或者镗孔。
（2）对于孔的精加工，铰孔和拉孔适于加工未淬硬的中、小直径的孔；中等直径以上的孔可以采用精镗或者精磨；淬硬的孔只能采用磨削。
（3）在孔的精整加工方法中，珩磨多用于直径稍大的孔，研磨则对大孔和小孔都适用。
5.4.3 孔加工的工艺路线
（1）钻：用于加工IT10以下低精度的孔。
（2）钻→扩（或镗）：用于加工IT9精度的孔，当孔径小于30 mm时，钻孔后扩孔；若孔径大于30 mm，采用钻孔后镗孔。
（3）钻→铰：用于加工直径小于20 mm、IT8精度的孔。
（4）钻→扩（或镗）→铰（或钻→粗镗→精镗）→拉：用于加工直径大于20 mm、IT8精度的孔。
（5）钻→粗铰→精铰：用于加工直径小于12 mm、IT7精度的孔。
（6）钻→扩（或镗）→粗铰→精铰（或钻→拉→精拉）：用于加工直径大于12 mm、IT7精度的孔。
（7）钻→扩（或镗）→粗磨→精磨：用于加工IT7精度并已经淬硬的孔。
（8）对于IT6精度孔的加工方案与IT7精度的孔基本相同，其最后工序要根据具体情况，分别采用精细镗、手铰、精拉、精磨、研磨或者珩磨等精细的加工方法。
铸（或锻）件上已经铸（或锻）出的孔可直接进行扩孔或者镗孔，直径大于100 mm的孔用镗孔比较方便。至于半精加工、精加工和精细加工，可参照在实体材料上加工孔的方案，例如，粗镗→半精镗→精镗→精细镗；扩→粗磨→精磨→研磨（或珩磨）等。

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