高精度深长孔的精密加工法
一、历史背景
枪钻与内排屑深孔钻两种加工孔的刀具分别出现于20世纪30年代初和40年代初的欧洲兵工厂，这并非历史的偶然。其主要历史背景是：
一次世界大战（1914?1918年）首次使战争扩大到世界规模。帝国主义列强为瓜分殖民地而需要大量现代化的枪炮（特别是枪械和小口径火炮的需求量极大）。而继
续使用传统的扁钻、麻花钻、单刃炮钻，已经完全不能满足大量生产新式武器的要求，迫切需要进行根本性的技术更新。于是高精度深长孔的制造就成为了一个摆在制造者
面前的一个首要问题，并且一直延续到了现今。
第一次世界大战中的火炮
二、传统加工工艺及存在的问题
在现代机械加工中，也经常会遇到一些深孔的加工，例如长径比(L/D)≥10，精度
要求高，内孔粗糙度一般为Ra0.4～0.8的典型深孔零件，过去我们采用的传统工艺路线一般是：钻孔(加长标准麻花钻)→扩孔(双刃镗扩孔刀)→铰孔(标准六刃铰刀)→研磨
此工艺虽可达到精度要求，但也存在诸多缺点，特别是在最初工序采用加长麻花钻钻孔时，切削刃越靠近中心，前脚就越大。若钻头刚性差，则震动更大，表面形状误差难以控制，加工后孔的直线度误差，钻头易产生不均匀的磨损等现象，生产效率和产品合格率低，而且研磨抛光时，工作环境比较脏，由于钻孔工序的缺点，而带来的影响难以在后面的工序中克服，形状误差不能得以修正，因此加工质量差。
传统深孔的加工流程
三、工艺路线与刀具的改进
本着提高生产效率提高产品合格率的原则，结合深孔加工的一些特性，对加工工艺及刀具进行了改进，改进后的工艺路线是：钻孔(BTA钻)→扩孔(BTA扩)→铰孔(单刃铰刀)→研磨
1、钻孔与扩孔刀具及工艺的改进
单管内排屑深孔钻的由来
单管内排屑深孔钻产生于枪钻之后。其历史背景是:枪钻的发明，使小深孔加工中自动冷却润滑排屑和自导向问题获得了满意的解决，但由于存在钻头与钻杆难于快速拆装更换和钻杆刚性不足、进给量受到严格限制等先天缺陷，而不适用于较大直径深孔的加工。如能改为内排屑，则可以保持钻头和枪杆为中空圆柱体，使钻头快速拆装和提高刀具刚性问题同时得到解决。
20世纪内排屑深孔钻的发展，可概括出以下6项里程碑式的成果：
①单出屑口单管内排肩深孔钻基本结构的形成。
②用硬质合金取代工具钢和高速钢做切削刃及导向条，使加工效率大幅度提髙。
③由单出屑口单切削刃发展成双出屑口的错齿结构。
④错齿焊接式结构进一步发展为硬质合金刀片机夹结构，最后发展为机夹可转位涂层刀片结构并实现了专业化制造。
⑤双管喷吸钻和DF系统喷吸钻的问世。
⑥SIED抽屑器和SIED刀具系列的发明。
最初的内排屑深孔钻结
构有三种模式。图2.1是由
双刃麻花钻演变而成的内排
屑莫尔斯钻头。为了易于排
屑，在麻花钻的对称切削刃
后刀面上磨出间隔有序的分
屑刃。这种钻头的柄部由于和刀杆同属圆柱体，可以很方便地实现可快速拆装的方牙螺纹连接。为了保持钻头与钻杆的同轴度，同时在受力情况下有足够的结合刚度，在连接螺纹的前后方各设一个互相同轴的短圆柱面（俗称“制口”）。这种可拆卸的钻柄结构，一举克服了枪钻与钻杆不可拆卸的弊端，成为内排屑深孔刀具柄部的通用模式。
图2.2为一种比莫尔斯钻更
加完善的内排屑深孔钻头（又名
“维列梅丘克整体深孔钻”）。
钻头由整体的合金工具钢或高速
钢制成，其切削刃部继承了枪钻
的单边刃自导向结构，柄部则借
鉴了莫尔斯钻头和枪钻：当钻头
直径大于22mm时采用方牙螺纹
连接;钻头直径小于等于22mm时
采用钻柄与钻杆对焊。这种钻头
曾采用两种分屑方法以克服排屑
故障：图2.2(a)为在后刀面磨出分屑刃(二三个）；图2.2(b)_为在前刀面磨出分削刃，其中前者应用最多。直到20世纪末,我国和国外一些
兵工厂都仍有其应用，
可认为它是现代内排屑
深孔钻的原创结构。这
种内排屑深孔钻的最大缺点是制造成本高，而且工效低(平均切削速度不超过
20m/min)，不易重磨。
到二战后期的1942年,德国人Beisner设计出一种带3片硬质合金镶片(一片为切削刃，其余2片为导向条）组成的单出屑口内排屑深孔钻(图2.3)。其外刃后刀面上磨出一二个分屑刃，外刃前刀面磨有断屑台。钻头有一个封闭的空腔，后部有制口和方牙螺纹，与钻杆相应的外制口和外方牙螺纹构成快速连接副。
直到Beisnei钻头的出现，内排屑深孔钻都是单出屑口的结构。这种内排屑钻头
的明显优点在于钻头和枪杆的快速拆卸功能和远大于枪钻的刚度，因而可以采用更大
的进给量，工效高于枪钻。但在实际应用中很快就暴露出以下各种缺陷：钻头出屑口
通道面积不足，对切屑的宽度和形态要求苛刻，必须根据工件材质的变化刃磨出与之
相适应的断屑台（高度、宽度和过渡圆角R，使切屑成为“C”形，并且_屑宽度不大
于钻头直径的1/3。曾经有不少史料报道过这种单出屑口的内排屑硬质合金深孔钻的
极限加工记录(例如，最小钻孔直径达令6mm，达到的钻孔深度超过孔径的300倍等）。但是，这些实验记录与生产实践中的应用效果并不能相提并论。要求操作人员
根据不同的工件材质、钻头直径、进给量大小相应地控制断屑台尺寸参数和分屑刃参数，并且在切削刃重磨时，保持断屑台的参数不变，这在实践中几乎是行不通的。基
于上述原因，当时欧洲的跨国研究机构“钻镗孔与套料协会"对这种内排屑钻头加以总结后，推出了由双出屑口单管内排屑深孔钻和扩孔钻、套料钻三种内排屑深孔刀具组
成的BTA刀具系列。20世纪60年代后，BTA刀具基本上由瑞典
SANDVIK/COROMANT公司独
家生产，单出屑口的实体钻结构
一律由双出屑口结构取代，又称
为STS(Single-TubeSystem,单
管钻）钻头。
STS钻采用
Φ18.4~Φ65mm焊接刀片结构，
Φ65~Φ180mm的大直径钻头采
取机夹可转位刀片的组装结构，
分别见图2.4(a)、2.4(b)。
焊接刀片型BTA钻原来为可重磨式，其切削刀片和导向条较长。但由于断屑台的刃磨涉及工件材质、进给量等复杂因素，加上刀具为错齿结构，中间齿的切削刃与其
他齿的切削刃不在一个圆锥面上(关于这方面的论述，详见本章以下各节），因而一般企业用户基本不具备重磨条件，不得不在一次使用后尚可重磨的情况下将钻头报废。20世纪80年代后，这种焊片式钻头一律改为短刀齿的一次性使用（Disposible)产品。
BTA扩钻由BTA实体钻所派生，其排屑方法与实体钻相同。BTA扩钻的主要用途是对工件已有的粗孔（无缝管孔、铸孔等）进行加工，也可对已钻出的较小孔进行扩大。
目前，以商品形式提供
的BTA扩钻，一律采用机
夹可转位刀片型结构,仅有一
片刀齿，见图2.5。直径大
于100mm的扩钻，则设计
成一种结构更复杂的直径可
调式机夹结构。
图2.6为BTA套料钻，
其直径为
Φ120~Φ250mm,可套出
料心Φ32.5~Φ142.5mm,
全部为机夹可转位结构。
套料钻用于在大型棒料上
钻出Φ120mm以上的深
孔。
2、BTA刀具的工作原理
单管内排屑深孔机床的基本配置见图2.7。不论是实体钻、扩钻或套料钻，都采用相同的供油和排屑方式。钻头的柄部有方牙螺纹与钻杆相连接。具有一定压力的切削
液进人输油器5后通过钻杆外部的环状空隙流向切削刃部（钻杆与输油器的右端有密封），将切削刃上形成的切屑反向压人钻头的出屑口，经钻杆的中空内腔向后排出，
直至积屑盘。切削液经过滤网回落到油箱中，经过若干层过滤网后，重新被供油泵抽出，反复使用。20世纪70年代以前，内排屑深孔钻床主要用于加工管形工件，绝大
多数深孔机床属于主轴（带工件）旋转、刀具进给或刀具与主轴反向旋转工件进给的
运动方式。80年代以后，在固定工件上钻系列孔、坐标孔的事例越来越多，工件固定、刀具旋转并进给的内排屑深孔机床已经很常见。
图2.8(a)、(b)、(c)分别示出BTA实体
钻、扩孔钻和套料钻的供油和出屑情况。图
中箭头表示切削液进人通道和切屑排出通道
的走向。
图2.9为输油器(或称油压头）的示意
图。输油器是内排屑深孔钻床上一个十分重
要的部件（也称辅具），它同时要承担以下
三项重要功能。
①将高压切削液输向钻头切削刃，以完成冷却、润滑和排屑三重使命。
由图可见，切削液从输油器中间的孔口进人空腔后，由于其右方是封闭的，切削液只能向左通过钻套与钻杆之间的环状空隙和切削刃与导向条之间的空隙流向切削刃部，然后将切屑以反方向推入钻头出屑口，进人钻杆内腔并向后排出。
②对工件定心和实行轴向夹紧。
③对钻头进行导向。
以上②、③两项功能一般都由钻套来完成。钻套的外部与车床的尾顶尖相似，通常加工成60°锥面，而内腔为钻头导向孔。钻套的内外径须高度精确同轴，轴的中心线与主轴中心严格保持一致。钻套孔与钻头之间的间隙必须严格控制。
这种兼有工件后顶尖作用的导向套，又称空心顶尖，是棒料毛坯钻深孔时常见的一种定位和钻头导向方法。采用这种定位方法的棒料，在钻深孔之前一般应先切平端面，预钻顶尖孔并粗车外圆，以保证在工件旋转情况下不发生振摆。推荐采用图2.10所示三种顶尖孔型式之一。
当工件过重、过长或弯曲度较中心架大时，不适于采用带有外锥的空心顶尖。常见的对策有两种：
①工件钻人端支承在中心架上，用带有平头端面和密封环的钻套顶紧工件的端面（图
2.11)。工件旋转时，钻套也随之旋转。采用本方案时，工件的后端必须切平，与中心架接触的外圆部分应先行预车。
②将工件钻人端的外部车出60°锥面，在输油器前端相应置带有60°内锥的定位套，见图2.12。
钻套内径与钻头之间的间隙，对深孔钻切入阶段的正常工作有重大影响，间隙过大还会加大钻头走偏。根据国内外的实践经验，对于Φ50mm以下的钻头，新钻头与新钻套之间的直径差应不大于0.01mm;已磨损的钻套，其直径的最大磨损量应控制在0.005mm范围内。Φ50rnm以上的钻头与新钻套之间的间隙应不大于0.02mm,钻套的直径磨损量应不大于0.01mm。
为此，应从钻头直径和钻套内径两方面加以保证。Φ50mm以内的钻头，其直径公差不大于0.005mm,Φ50mm以上的钻头不大于0.01mm。钻套内径一般经研磨而成，新钻套的内径应允许尺寸为钻头直径上限的柱塞规刚刚能通过。钻套的内外径应严格同轴。—般是先研出钻套孔，再以孔为基准，套在锥度心棒上磨出外圆。
输油器后端与钻杆的密封也很重要。除了保证切削液不泄露这一基本功能以外，密封件实际上还起到钻杆辅助支承的作用。密封件因磨损而必须及时调节或更换，当更换不同直径的钻杆时，需相应地换装不同直径的密封件。因此，换装密封件是否方便快速，将直接影响机床的工作效率。
装配好的输油器，其钻套中心线应与机床主轴的回转中心严格保持一致。
在深孔钻削工序的精度指标中，钻孔偏移量常常是受普遍重视的一项技术指标。对于缸体类零件来说，走偏量越大，工件毛坯的外径必须按走偏量的2倍增大其毛坯余量，否则将会导致零件报废。对于其他形体的零件来说，深孔的位置误差超标，其后果将涉及所有已加工工序和毛坯的成本全部损失。因此，在工艺上应力争减小钻孔走偏量。对于产品设计者来说，应要求对深孔钻削的钻头走偏问题有基本的常识，在制订技术要求时应力求切实合理,必要时应与工艺人员共同磋商，最终找到既保证产品性能质量要求，工艺上又切实可行的解决方案。
钻孔的偏移量一般以mm/m为单位计算。
内排屑深孔钻的平均加工精度等级范围，主要受工件材质的影响。硬度HB200以下的一般钢材，加工精度为IT8~IT10;HB200以上的调质钢，加工精度略高一些。但如果是超深孔，钻头直径的磨损量会使孔径尺寸变化范围增大。灰铸铁和球墨铸铁的钻孔精度与钢材相当，铝合金的加工精度为IT7~1T9。
当深孔的尺寸精度超过IT8时，需要在钻孔之后进行后续的精加工。
2、铰孔工艺及刀具的改进
多刃深孔铰削
有推铰、拉铰两种
不同方式。20世
纪50年代以前，
曾经在枪管和小U
径炮管制造中使用
过推铰方法。由于
刀杆过细而氏径比
极大，刀杆易丁变
形并发生振动，会
降低工效和加工质
量。50年代中期
后，普遍采用拉式
铰刀。因其采用的
切深和切削速度比
推铰刀高出很多，
生产中称为“高速拉铰刀”由于拉铰刀是多齿孔加工刀具，加工过程中基本遵循已有孔的轴线方向，而不能修正已有底孔的位置度误差。经拉铰刀加工后的深孔，虽然可以达到满意的尺寸精度和圆度，但不能纠正孔的偏斜和弯曲度。如孔的弯曲度较大,需要用校直方法及时加以修正。
自导向式单刃深
孔铰刀是从枪钻发展
而来的一种高效深孔
精加工刀具,在我国通
称“单刃铰刀”，20
世纪70年代以来广泛
应用于的Φ7?
Φ60mm深孔的半精
加工和精加工。当加
工精度要求不很高时，
其功能与BTA扩钻相
近,但刀具寿命比BTA
扩钻高得多。
单刃铰刀与自导向深孔钻头在外观上的明显区别是前者采用加长切削刃和加长导向条。铰刀结构有机夹可转位刀片式和焊接式两大类。机夹式单刃绞刀用于415mm
以上深孔。其刀片可以磨成双面可转位式，或单面的径向尺寸可调式。导向条可以为
机夹式，也可以为焊接式（当直径较小时），见图4.5(a)。焊接式单刃绞刀适用于小
直径深孔或小批量生产，见图4.5(b)。
单刃铰刀适用于通孔的二次加工,孔的长径比可达100以上。由于有自导作用，能修正底孔已有的弯度和圆度误差。铰孔后的表面粗糙度Ra，依底孔状况、工件材质、切削刃几何形状、刀片材料及切削用量的不同,可达1.6?0.4um,孔圆度可达0.003?0.008mm，圆柱度可达0.005mm/100mm，铰孔精度可达IT7?IT8。
由于是在已有通孔中加工，单刃铰刀可采取两种不同的排屑方式：当使用实心刀
杆时，从刀杆和铰刀外部供油，切屑沿未加工孔向前排出；当使用空心刀杆时，切削
液从刀杆内部供人，冲切屑向前排出。在后一种情况下，油压不宜过高，以避免产生
振动。
单刃铰刀可用于加工各种不同的材质。与工件材质相应，刀具材质可采用硬质合金、涂层刀片、陶瓷刀片、CBN或金刚石。
同其他自导向刀具一样，单刃铰刀在切入工件前必须靠刀具导向套进行导向。导
向套内径的要求同枪钻和BTA钻。刀杆、导向套和铰刀切削刃部的轴线应严格同轴，否则会降低加工孔的圆度并使加工粗糙度增大。
用于单刃铰刀加工的机床尚无专业化产品规格，需要由用户自行设计或改造已有
设备，也可以利用现有深孔加工机床。
在配置机床设备时，应首先区分以下两种不同的生产条件：
①当产品对象的孔径尺寸范围不大，又有足够大的生产批量时，可采取旧机床改造或
自行设计专门化用途的机床。机床应满足下面一些基本要求：机床主轴转速范围应满
足最小铰孔直径的要求和必要的变速级别；机床功率应符合最大孔径的加工要求；机
床应配置流量足够的液压系统，液压为2MPa左右即可。
②如用于多品种、中小批生产且绞孔直径变动范围较大的场合，可利用现有深孔钻床。排屑方式可采取从刀杆外部进油、向前排屑，或从刀杆内部进油、向前排屑。如自行
设计，主轴最高转速应不低于5000r/min,并应有良好的动态性能。机床应具有与双管喷吸钻相当的切削液系统。
总之，单刃铰刀的突出优点是工效高（比多刃深孔铰刀高3?5倍）、具有自导向功能，结构较简单，刀具寿命高，并能适应各种材质的加工。其不足之处是：切削刃
的刃磨不易掌握；因切深范围太小(但与普通多齿铰刀相比，其切深则大得多）而对预制孔的精度有依赖性。
对于大中直径深孔我们推荐采用镗削加工，镗削类似铰削也分为拉镗和推镗，具体内容不再展开。
3、研磨工艺的改进
珩磨是磨料加工的一种独特方式。最早应用于汽车发动机汽缸等浅孔的精加工,其后应用于加工炮管，液压(气压）缸等深孔零件。
珩磨与内圆磨削都属于磨料加工，但在所用工具、工件与工具相对运动方式及加工效果诸方面都有很大差别。
图4.22为珩磨加工示意图。其中图（a)为采用多根珩磨条，图（b）为采用单个珩磨条的加工情况。不论属哪种情况,珩磨头都是以珩磨前的已有底孔为基准进行定位和导向。
珩磨条以一定的张力压向孔壁。珩磨头与工件的相对运动方式有三种：
①工件旋转，珩磨具往复做直线运动。
②工件与珩磨具相对旋转，珩磨具做往复直线运动。
③工件固定不动,珩磨具边旋转、边做往复直线运动。
珩磨笨重或大尺寸的工件、非回转体工件或浅孔时，多用第3种运动方式，一般采用立式珩磨机床。珩磨管件上的深孔时，可用前两种方式。当工件很重或外径很大时,最好用第2种运动方式。
由于珩磨条(或称“油石”——Stone)与被加工孔壁为面接触，通过以上相对运动，获得的孔壁切削纹路为互相交叉的细密交织的螺旋形网状纹路,见图4.23。
珩磨加工的特点可概括如下：
可修正除轴线偏斜(对于管形工件,为同轴度误差）以外的底孔各种误差和表面缺陷（图4.24)。因此，珩磨对各种状态的底孔有很宽的适应性。不仅经过钻、扩、铰、镗、磨削的孔可通过珩磨继续提高其精度和表面质量，在特定情况下，铸孔、冲孔后也可
以进行珩磨加工。用于大余量加工（例如铸孔或热轧无缝钢管）时,孔直径上可切除
6mm以上的余量；用于小余量加工时（例如精镗后的液压缸），珩磨余量可小至
0.15?0.20mm。
珩磨对预制孔的这种适应性，首先是由于珩磨条直径尺寸的可调整性。珩磨前，
先将珩磨头直径按预制孔的下限调好。由于珩磨条受张力后，紧靠孔壁上的干涉点率
先将其磨除，孔径渐次增大并与珩磨条的接触面积增大，孔壁的误差得到不断修正，
表面质量也逐渐趋于完善。其次，珩磨头与拉杆之间由于采用铰接方式,珩磨头得以沿
底孔往复自如地游动，使原有的误差逐渐消除而达到比较理想的圆柱孔。
但应指出，用珩磨法修正长径比很大的弯曲孔是不适当的。这样的深孔最好先行校直，或在粗珩之后进行校直，然后进行精珩。否则会无端地加大加工成本。
同轴度误差大的管坯不能靠珩磨消除其壁厚差，但可以在珩磨之后，以孔为基准迸行外圆加工，最后得到同轴度合格的精密管件。
原则上，只要能实现三种深孔加工方式，具有一般精度和冷却润滑系统，能满足珩磨所需功率和加工深孔所需要的长度，这样的机床都可以用于深孔珩磨，或改装后用于珩磨。深孔珩磨常用深孔钻床、深孔钻镗床和专用的深孔珩磨机床，也可用车床改装。除带有微小深孔的零件可用立式珩磨机（或立式钻、摇臂钻、专用立式珩磨机)外，深孔珩磨机床一般为卧式。
选用（或改装）珩磨机床时，应以下列参数为依据：工件孔径，孔深，工件外廓尺寸及质量；珩磨余量,对珩磨的精度、加工粗糙度要求，珩磨头结构；工件产量（批量）和品种；所需切削液的冷却润滑系统、净化方式，并同时考虑采用何种尺寸控制方式。
对衍磨过程的监控主要涉及直径测控以及对磨条压力的监控和调节。至于对孔壁表面完整性的质量保证，主要是通过正确选择磨条材料、粒度、硬度，通过试加工拟订出规范的操作规程来实现。
在实际生产中，采用中断加工、手工检测的方法对孔径尺寸进行控制，仍然是普遍使用的方法。但对于现代化大批量生产，就显得落后。停机测量不仅会降低工效、增加加工成本,而且易于产生废品。采用在线自动检测，当达到合格尺寸时发出信号或自动停机,就可以有效地解决以上问题。巳用于生产的自动检测方法有：
①塞规式传感器自动控制
如图4.28所示，在被珩孔的末端安装一个尺寸可预先调整的柱塞式传感头4。传感头的直径相当于“过规”，当孔直径略超过下限时，过规即可进入孔内。传感头预先安装于与孔中心同轴的位置上。珩磨头每往复一次，传感头自动试测一次。如孔的直径达不到规定要求,传感头不能进入并随即后退，信号不显示；当珩磨尺寸到位时,传感头进人孔的末端，传感器发出信号,机床自动停止并准备进入下一个工作循环。
②“两点定径”式塞规检测器
如图4.29所示，在珩磨刀杆上加设一个可以自由转动和沿轴移动的环状塞规。塞规的孔与刀杆为精密配合副。塞规的工作部分为阶梯形，前小后大。塞规的后部为一
圆盘。每珩磨一个往复行程，塞规就向已加工孔进行一次试塞。当孔径尺寸逐渐增大，达到设定的“进给终止”尺寸时，塞规前端较小直径部分进人孔中（此时，塞规较大
直径部分仍不能进人），塞规后部圆盘3同时与传感器的第一触点4相触,此时珩磨头获得信号“停止径向进给”,继续往复以完成修整性加工。当第一触点4发生信号后，传感器杠杆6自转180°,第二触点5到达原第一触点所在位置。当采取不进给珩磨使
孔径扩大到规定
尺寸时，塞规的
较大直径也进入
孔口，此时圆盘
与传感器的第二
触点接触，油石
自动缩回，珩磨
头退出工件,机床
停止运转。
③气动电子测头检测器
此法与第一种相近。差别在于所用的气动测规，每当珩磨头往复一次都进入孔内
一次。起初孔径较小，气压偏大；随着孔径变大，气压逐渐降低。当孔径达到相当于“进给中止”尺寸时，气压也回落到某一特定值。此时转换为电子程序控制，直到孔
径合格后，珩磨过程自动停止。
当大余量珩磨时（多见于浅孔珩磨和钢管珩孔），常常需要对油石的压力进行控制。主要目的在于交替地实行定压进给和定量进给，使油石不发生“塞实”而经常处
于正常工作状态。一方面，可以使油石的张力达到最佳状态并提高珩磨效率，另一方
面又能使油石的使用寿命延长且不损伤孔壁。
图4.30为一种电控油石张紧力的珩磨头示意图。在控制油石伸缩量的心杆2后部，有方牙螺母套3(2与3为一体），它与电控张力系统前端的方牙阳螺纹4构成差动副。阳螺纹4受其后部交流电动机5和直流变速电动机6双方的驱动。交流电机的作用是
快速将油石张开使其与孔壁接触。之后，交流电机停止转动；此时具有变速控制功能
的直流电机继续使油石按要求的压力级别张紧油石，直到达到规定的孔径尺寸为止。
四、结语
深孔加工装备是机械制造装备（机床工具）门类中的一个重要组成部分。现代深孔加工技术的崛起，为制造装备行业增添了深孔机床、深孔刀具两个专业化的装备制造行业和一个以专门加工深孔零件为特色的制造行业。它们的历史贡献在于将深孔加工这门新兴技术推广应用于国民经济建设的各个领域，为社会的现代化发展增添了新的生命力。技术的生命力在于其本身不断随社会的进步而更新。技术更新的标志，不仅体现于它的新颖性和创造性，还应最终体现于相应技术装备功能的更加完善而价格更为低廉，能迅速转化为社会生产力，相信在2025中国制造的大背景下，我们的机械行业可以更加朝气蓬勃，在不断完善自身的同时于各个领域发挥应有的作用。
精密和超精密加工的应用和发展趋势 [摘要]本文以精密和超精密加工为研究对象，对世界上精密和超精密加工的应用和发展趋，势进行了分析和阐释，结合我国目前发展状况，提出今后努力方向和发展目标。 【关键词】精密和超精密加工；精度；发展趋势 精密和超精密制造技术是当前各个工业国家发展的核心技术之一，各技术先进国家在高技术领域(如国防工业、集成电路、信息技术产业等)之所以一直领先，与这些国家高度重视和发展精密、超精密制造技术有极其重要的关系。超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。超精密加工技术在国际上处于领先地位的国家有美国、英国和日本。这些国家的超精密加工技术不仅总体成套水平高，而且商品化的程度也非常高。 美国是开展超精密加工技术研究最早的国家，也是迄今处于世界领先地位的国家。早在20世纪50年代末，由于航天等尖端技术发展的需要，美国首先发展了金刚石刀具的超精密切削技术，称为“SPDT技术”（Single Point Diamond Turning）或“微英寸技术”（1微英寸＝0.025μm），并发展了相应的空气轴承主轴的超精密机床。用于加工激光核聚变反射镜、战术导弹及载人飞船用球面非球面大型零件等等。如美国LLL实验室和Y－12工厂在美国能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金刚石车床DTM－3型，该机床可加工最大零件￠2100mm、重量4500kg的激光核聚变用的各种金属反射镜、红外装置用零件、大型天体望远镜（包括X光天体望远镜）等。该机床的加工精度可达到形状误差为28nm（半径），圆度和平面度为12.5nm，加工表面粗糙度为Ra4.2nm。 在超精密加工技术领域，英国克兰菲尔德技术学院所属的克兰菲尔德精密工程研究所（简称CUPE）享有较高声誉，它是当今世界上精密工程的研究中心之一，是英国超精密加工技术水平的独特代表。如CUPE生产的Nanocentre（纳米加工中心）既可进行超精密车削，又带有磨头，也可进行超精密磨削，加工工件的形状精度可达0.1μm，表面粗糙度Ra<10nm。 日本对超精密加工技术的研究相对于美、英来说起步较晚，但是当今世界上超精密加工技术发展最快的国家。日本的研究重点不同于美国，是以民品应用为主要对象。所以日本在用于声、光、图象、办公设备中的小型、超小型电子和光学零件的超精密加工技术方面，是更加先进和具有优势的，甚至超过了美国。 我国的精密、超精密加工技术在20世纪70年代末期有了长足进步，80年代中期出现了具有世界水平的超精密机床和部件。北京机床研究所是国内进行超
振动磁极头用弹簧片与铁心连接,振动磁极头与铁心之间留有一定间隙。振动磁极头连同弹簧片,电磁铁组成一个“质量2弹簧的振动系统”,叫极化电磁振动机构。研究表明,这种形式的振动机构,由于没有电磁吸力带来的导轨摩擦力损耗,因而传动效率高。 但由于铁心与磁极头之间有间隙,就会有一定磁通(磁势)损失 。 图3 Ⅱ型电磁动力机构 图4 极化电磁振动机构 2 电磁力计算 211 电磁动力机构作用力的计算 在这种振动机构中,交变电流产生的磁通与直 流电流产生的极化磁通之间的相互作用,产生外力,其大小用式(1)计算: F Σ=βl nB I A sin ωt (1)式中:I A —交变电流幅值,A ;l —线圈上穿过磁 通的线圈长度,m ;n —线圈的匝数。 β—与尺寸大小有关的系数;B —穿过线圈的磁感应强度,T 。 由式(1)可知,如果由加工条件所确定的极化磁通一定,则交变电流I A sin ωt 就是调节振动运动的主要参数。 212 极化电磁振动机构作用力的计算 在极化电磁机构中,工作气隙内同时存在2个独立的磁通:一个是由直流电磁铁的电磁线圈提供的极化磁通Φj ;另一个是由交流电磁铁线圈提供的交流磁通Φm ,其大小和方向取决于交流线圈中电流的大小和方向。当交流线圈通电后产生的交流磁通Φm ,若在一侧气隙内和极化磁通Φj 的方向相反,则合成磁通为Φm -Φj ,则在另一侧气隙内的合成磁通为Φm +Φj 。作用于磁极头上的电磁力为两侧电磁力的合力可由式(2)计算: F m =(Φ2m +Φ2 j )/S μ0(2)式中:S —交流电磁铁轭铁面积,m 2;μ0—真空 磁导率,μ0=1125×10-6 H/m ;Φm —交流磁通,Wb ;Φj —极化磁通,Wb 。 由式(2)可见,当要求的电磁力一定时,增大极化磁通就可相应地减少交流磁通,也就可以相应地减少交流电磁铁线圈的磁势或功率。一般地极化磁 通是由加工要求确定的,为一定值,且这部分磁通是漏磁通或散磁通,数量较小,约占直流磁通(主磁通)的5%～15%。因此,交流电磁铁参数是控制机构振动的主要参数。 3 结语 电磁力振动型机构可以实现较高的振动频率,能为实现强力研磨提供可能。但为了提高磁力研磨机的综合性能,仍需寻找结构简单、能耗低、传动效率高的振动机构。上述的几种传动形式(当然还有其它传动形式)各有其优点和不足,仍需在生产实践中不断改进与完善,设计和研制出更高效率的振动机构。 超强超硬材料上细长孔的特种加工 中航雷达与电子设备研究院(215001) 赵东宏随着航空航天工业的迅猛发展,超强超硬材料 以其优越的性能得到越来越普遍地使用,加工难度也越来越大。其中,超强超硬材料上细长孔(孔径Φ1～710mm ,孔长150～500mm )的加工是经常碰到的一个难题,即使采用价格昂贵的专用孔加工刀具进行钻孔,其使用寿命也不理想。这是因为细长孔的加工处于半封闭状态下,切削条件恶劣,加工难度加大。 目前细长孔的机加工方式,主要采用枪钻和改良型专用钻头,但难以在超硬材料上进行加工(HRC60以上,包括硬质合金)。加工超强材料时,枪钻磨损很大,效率很低,易折断,加工成本高,更难以进行批量加工。改良型专用钻头因为很长,刚性极差,加工出的细长孔往往出现偏斜。且一旦钻头磨损,很容易出现强度极高的毛刺,若在盲孔内出现毛刺,去除将非常困难,会严重影响产品的使用。因此对于超硬材料产品上的超长孔(如孔径Φ2mm ,孔长300mm 以上),常在产品设计上采用分段钻孔后,中间用过渡环焊接来解决(某国外样品就是这样做的)。由于焊接应力会在随后的使用过程中释放出来,引起工件形状,特别是直线度的变化,这对产品使用品质的影响是致命的(如航空发动机内的温度传感器),使安全隐患增大,可靠性降低。 如何经济高效地加工超强超硬材料上的细长孔是一个非常现实的问题。在模具行业,大量采用电加工等方法在淬火钢等高硬度钢上加工细长孔,如模具行业的高速穿孔机,是为线切割打预孔用的,对孔的精度要求不高。试验结果表明,普通高速穿孔机尽管效率较高,但加工直径Φ6mm ,深100mm 的孔 ? 58?《新技术新工艺》?实用技术与工艺装备 2006年 第2期
精密和超精密加工技术复习思考题答案 第一章 1.试述精密和超精密加工技术对发展国防和尖端技术的重要意义。 答：超精密加工技术在尖端产品和现代化武器的制造中占有非常重要的地位。国防方面，例如：对于导弹来说，具有决定意义的是导弹的命中精度，而命中精度是由惯性仪表的精度所决定的。制造惯性仪表，需要有超精密加工技术和相应的设备。 尖端技术方面，大规模集成电路的发展，促进了微细工程的发展，并且密切依赖于微细工程的发展。因为集成电路的发展要求电路中各种元件微型化，使有限的微小面积上能容纳更多的电子元件，以形成功能复杂和完备的电路。因此，提高超精密加工水平以减小电路微细图案的最小线条宽度就成了提高集成电路集成度的技术关键。 2.从机械制造技术发展看，过去和现在达到怎样的精度可被称为精密和超精密加工。 答：通常将加工精度在0.1-lμm，加工表面粗糙度在Ra 0.02-0.1μm之间的加工方法称为精密加工。而将加工精度高于0.1μm，加工表面粗糙度小于Ra 0.01μm的加工方法称为超精密加工。 3.精密和超精密加工现在包括哪些领域。 答：精密和超精密加工目前包含三个领域： 1)超精密切削，如超精密金刚石刀具切削，可加工各种镜面。它成功地解决了高精度陀螺仪，激光反射镜和某些大型反射镜的加工。 2)精密和超精密磨削研磨。例如解决了大规模集成电路基片的加工和高精度硬磁盘等的加工。 3)精密特种加工。如电子束，离子束加工。使美国超大规模集成电路线宽达到0.1μm。 4.试展望精密和超精密加工技术的发展。 答：精密和超精密加工的发展分为两大方面：一是高密度高能量的粒子束加工的研究和开发；另一方面是以三维曲面加工为主的高性能的超精密机械加工技术以及作为配套的三维超精密检测技术和加工环境的控制技术。 5.我国的精密和超精密加工技术和发达国家相比情况如何。 答：我国当前某些精密产品尚靠进口，有些精密产品靠老工人于艺，因而废品率极高，例如现在生产的某种高精度惯性仪表，从十几台甚至几十台中才能挑选出一台合格品。磁盘生产质量尚未完全过关，激光打印机的多面棱镜尚不能生产。1996年我国进口精密机床价值达32亿多美元(主要是精密机床和数控机床)。相当于同年我国机床的总产值，某些大型精密机械和仪器国外还对我们禁运。这些都说明我国必须大力发展精密和高精密加工技术。 6.我目要发展精密和超精密加工技术，应重点发展哪些方面的内容。
高精度细长孔的数控加工研究摘要：目前世界上利用外排屑（如枪钻)深孔钻削技术,可钻削的孔径小到f2mm。而内排屑深孔钻削的孔径很少有小于f１6mm的,且多数仍采用传统的BTＡ钻削系统。由于枪钻结构为不对称形状，质心偏离中轴，这给制造、重磨都带来一定的困难，也使造价增高。另外，其结构刚度和扭转强度低(同直径的圆形钻杆扭转刚度是枪钻的2.3倍),使其使用的钻削速度降低，进给量小。采用单管内排屑喷吸钻(SED）钻削系统,钻削小深孔直径可小到f3．7ｍm。我工艺所采用SED技术，进行了孔径(mm)f1６、f12、f１0、f８、ｆ7.62、ｆ5.7、f3．7的小深孔钻削加工,钻削过程平稳，排屑流畅,孔的尺寸形状精度和孔壁表面粗糙度均能满意，在上述孔径范围内，完全可以替代枪钻对小深孔进行钻削加工。由于其刚度好,可加大进给量和钻削速度，使生产效率、钻孔质量和经济效益均有所提高,显示了一定的技术优势。 关键词：高精度细长孔数控加工 一、孔的定义与分类 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(见表1）、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。 表1 孔加工的方法
精密和超精密加工论文 一、精密和超精密加工的概念与范畴 通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1?;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01?;m的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。 a.砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。 b.精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 c.珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1?;m，最好可到Ra0.025?;m，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。 d.精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025?;m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，
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高精度深长孔的精密加工 一、历史背景 枪钻与内排屑深孔钻两种加工孔的刀具分别出现于20世纪30年代初和40年代初的欧洲兵工厂，这并非历史的偶然。其主要历史背景是： 一次世界大战（1914?1918年）首次使战争扩大到世界规模。帝国主义列强为瓜分殖民地而需要大量现代化的枪炮（特别是枪械和小口径火炮的需求量极大）。而继 续使用传统的扁钻、麻花钻、单刃炮钻，已经完全不能满足大量生产新式武器的要求，迫切需要进行根本性的技术更新。于是高精度深长孔的制造就成为了一个摆在制造者 面前的一个首要问题，并且一直延续到了现今。 第一次世界大战中的火炮 二、传统加工工艺及存在的问题 在现代机械加工中，也经常会遇到一些深孔的加工，例如长径比(L/D)≥10，精度 要求高，内孔粗糙度一般为Ra0.4～0.8的典型深孔零件，过去我们采用的传统工艺路线一般是：钻孔(加长标准麻花钻)→扩孔(双刃镗扩孔刀)→铰孔(标准六刃铰刀)→研磨 此工艺虽可达到精度要求，但也存在诸多缺点，特别是在最初工序采用加长麻花 钻钻孔时，切削刃越靠近中心，前脚就越大。若钻头刚性差，则震动更大，表面形状 误差难以控制，加工后孔的直线度误差，钻头易产生不均匀的磨损等现象，生产效率 和产品合格率低，而且研磨抛光时，工作环境比较脏，由于钻孔工序的缺点，而带来 的影响难以在后面的工序中克服，形状误差不能得以修正，因此加工质量差。
传统深孔的加工流程 三、工艺路线与刀具的改进 本着提高生产效率提高产品合格率的原则，结合深孔加工的一些特性，对加工工艺及刀具进行了改进，改进后的工艺路线是：钻孔(BTA钻)→扩孔(BTA扩)→铰孔(单刃铰刀)→研磨 1、钻孔与扩孔刀具及工艺的改进 单管内排屑深孔钻的由来 单管内排屑深孔钻产生于枪钻之后。其历史背景是:枪钻的发明，使小深孔加工中自动冷却润滑排屑和自导向问题获得了满意的解决，但由于存在钻头与钻杆难于快速拆装更换和钻杆刚性不足、进给量受到严格限制等先天缺陷，而不适用于较大直径深孔的加工。如能改为内排屑，则可以保持钻头和枪杆为中空圆柱体，使钻头快速拆装和提高刀具刚性问题同时得到解决。 20世纪内排屑深孔钻的发展，可概括出以下6项里程碑式的成果： ①单出屑口单管内排肩深孔钻基本结构的形成。 ②用硬质合金取代工具钢和高速钢做切削刃及导向条，使加工效率大幅度提髙。 ③由单出屑口单切削刃发展成双出屑口的错齿结构。 ④错齿焊接式结构进一步发展为硬质合金刀片机夹结构，最后发展为机夹可转位涂层刀片结构并实现了专业化制造。 ⑤双管喷吸钻和DF系统喷吸钻的问世。
精密和超精密加工现状与发展趋势 一、精密和超精密加工的概念与范畴 通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1μ;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01μ;m的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。 a. 砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。 b. 精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 c. 珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1μ;m，最好可到Ra0.025μ;m，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。 d. 精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025μ;m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。 e. 抛光是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。手工或机械抛光加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05μ;m，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的抛光加工。超声波抛光加工精度0.01~0.02μ;m，表面粗糙度Ra0.1μ;m。化学抛光加工的表面粗糙度一般为Ra≤0.2μ;m。电化学抛光可提高到Ra0.1~0.08μm。 超精密加工就是在超精密机床设备上，利用零件与刀具之间产生的具有严格约束的相对运动，对材料进行微量切削，以获得极高形状精度和表面光洁度的加工过程。当前的超精密加工是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μm，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。 超精密加工包括微细加工、超微细加工、光整加工、精整加工等加工技术。微细加工技术是指制造微小尺寸零件的加工技术；超微细加工技术是指制造超微小尺寸零件的加工技术，它们是针对集成电路的制造要求而提出的，由于尺寸微小，其精度是用切除尺寸的绝对
《精密超精密加工技术》期末试题 1～6题为必答题（每题10分）。 1.精密和超精密加工的精度范围分别为多少？超精密加工包括哪些领 域？ 答：精密加工的精度范围为1μm~0.1μm、表面粗糙度为0.1μm~0.025μm；超精密加工的精度范围为高于0.1μm、表面粗糙度小于0.025μm。 超精密加工领域包括： （1）超精密切削加工。如采用金刚石刀具进行超精密切削，可进行各种镜面、反射镜、透镜等大型器件的精密加工。它成功地解决了激光核聚变系统和天体望远镜中地大型抛物面加工。 （2）超精密磨削和研磨抛光加工。如高密度硬磁盘地涂覆表面加工和大规模集成电路基片的加工，以及高等级的量块加工等。 （3）精密特种加工。如在大规模集成电路芯片上，采用电子束、离子束的刻蚀方法制造图形，目前可以实现0.1μm线宽。 2.超精密切削对刀具有什么要求？天然单晶金刚石、人造单晶金刚石、人 造聚晶金刚石和立方氮化硼刀具是否适用于超精密切削？ 答：超精密切削对刀具性能的要求：1）极高的硬度、极高的耐磨性和极高的弹性模量，以保证刀具有很长的寿命和尺寸耐用度。2）切削刃钝圆半径要极小，这样才能实现超薄切削厚度。3）切削刃无缺陷，因为切削时刃形将复印在加工表面上，切削刃无缺陷能得到超光滑的镜面。4）和工件材料的抗粘结性好、化学亲和性小、摩擦因数低，能得到极好的加工表面完整性。 天然单晶金刚石有着一系列优异的特性，如硬度强度耐磨性极高导热性好，与有色金属摩擦因数低，刀具钝圆半径极小等。虽然价格昂贵，仍被公认为理想不能替代的超精密切削刀具材料。 人造单晶金刚石现在已能工业生产，并已开始用于超精密切削，但它的价格仍很昂贵。 人造聚晶金刚石无法磨出极锋锐的切削刃，钝圆半径很难小于1微米，因此它只能用于有色金属和非金属的精切，很难达到超精密镜面切削。
精密和超精密加工现状与发展趋势 核心提示：当前精密和超精密加工精度从微米到亚微米，乃至纳米，在汽车、家电、IT电子信息高技术领域和军用、民用工业有广泛应用。同时，精密和超精密加工技术的发展也促进了机械、模具、液压、电子、半导体、光学、传感器和测量技术及金属加工工业的发展。 一、精密和超精密加工的概念与范畴 通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1μm，表面粗糙度为Ra0.1~0.01μm的加工技术，但这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。 a. 砂带磨削是用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。 b. 精密切削，也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 c. 珩磨,用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1μm，最好可到Ra0.025μm，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、韧性好的有色金属。 d. 精密研磨与抛光通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度 Ra≤0.025μm加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。 e. 抛光是利用机械、化学、电化学的方法对工件表面进行的一种微细加工，主要用来降低工件表面粗糙度，常用的方法有：手工或机械抛光、超声波抛光、化学抛光、电化学抛光及电化学机械复合加工等。手工或机械抛光加工后工件表面粗糙度Ra≤0.05μm，可用于平面、柱面、曲面及模具型腔的抛光加工。超声波抛光加工精度0.01~0.02μm，表面粗糙度Ra0.1μm。化学抛光加工的表面粗糙度一般为Ra≤0.2μm。电化学抛光可提高到Ra0.1~0. 08μm。
高精度细长孔的数控加工研究摘要:目前世界上利用外排屑(如枪钻)深孔钻削技术，可钻削的孔径小到f2mm。而内排屑深孔钻削的孔径很少有小于f16mm的，且多数仍采用传统的BTA钻削系统。由于枪钻结构为不对称形状，质心偏离中轴，这给制造、重磨都带来一定的困难，也使造价增高。另外，其结构刚度和扭转强度低(同直径的圆形钻杆扭转刚度是枪钻的2.3倍)，使其使用的钻削速度降低，进给量小。采用单管内排屑喷吸钻(SED)钻削系统，钻削小深孔直径可小到f3.7mm。我工艺所采用SED技术，进行了孔径(mm)f16、f12、f10、f8、f7.62、f5.7、f3.7的小深孔钻削加工，钻削过程平稳，排屑流畅，孔的尺寸形状精度和孔壁表面粗糙度均能满意，在上述孔径范围内，完全可以替代枪钻对小深孔进行钻削加工。由于其刚度好，可加大进给量和钻削速度，使生产效率、钻孔质量和经济效益均有所提高，显示了一定的技术优势。 关键词：高精度细长孔数控加工 一、孔的定义与分类 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（见表1）、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。 表1 孔加工的方法
超精密加工技术的发展现状与趋势 一、精密和超精密加工的概念与范畴 通常，按加工精度划分，机械加工可分为一般加工、精密加工、超精密加工三个阶段。目前，精密加工是指加工精度为1~0.1?;m，表面粗糙度为Ra0.1~0.01?;m的加工技术，但 这个界限是随着加工技术的进步不断变化的，今天的精密加工可能就是明天的一般加工。精密加工所要解决的问题，一是加工精度，包括形位公差、尺寸精度及表面状况；二是加 工效率，有些加工可以取得较好的加工精度，却难以取得高的加工效率。精密加工包括微细加工和超微细加工、光整加工等加工技术。传统的精密加工方法有砂带磨削、精密切削、珩磨、精密研磨与抛光等。 1.1砂带磨削 用粘有磨料的混纺布为磨具对工件进行加工，属于涂附磨具磨削加工的范畴，有生产率高、表面质量好、使用范围广等特点。 1.2精密切割 也称金刚石刀具切削(SPDT)，用高精密的机床和单晶金刚石刀具进行切削加工，主要用于铜、铝等不宜磨削加工的软金属的精密加工，如计算机用的磁鼓、磁盘及大功率激光用的金属反光镜等，比一般切削加工精度要高1~2个等级。 1.3珩磨 用油石砂条组成的珩磨头，在一定压力下沿工件表面往复运动，加工后的表面粗糙度可达Ra0.4~0.1?;m，最好可到Ra0.025?;m，主要用来加工铸铁及钢，不宜用来加工硬度小、 韧性好的有色金属。 1.4精密研磨与抛光 通过介于工件和工具间的磨料及加工液，工件及研具作相互机械摩擦，使工件达到所要求 的尺寸与精度的加工方法。精密研磨与抛光对于金属和非金属工件都可以达到其他加工方 法所不能达到的精度和表面粗糙度，被研磨表面的粗糙度Ra≤0.025?;m加工变质层很小，表面质量高，精密研磨的设备简单，主要用于平面、圆柱面、齿轮齿面及有密封要求的配 偶件的加工，也可用于量规、量块、喷油嘴、阀体与阀芯的光整加工。 二、精密加工的发展现状 2.1精密成型加工的发展现状与应用 精密成型加工的发展现状与应用精密铸造成形、精密模压成形、塑性加工、薄板精密成形 技术在工业发达国家受到高度重视，并投入大量资金优先发展。70年代美国空军主持制
提高孔加工的精度的方法 对于钳工专业而言，钻孔是其中最重要的加工操作，它是一种确定孔系和孔位置准确度的方式。钻削加工时，操作者可以利用理论联系实际的方法分析岀孔的中心位置、确定钻床主轴线和被加工工件表面的垂直度以及做好麻花钻刃磨的质量提升工作，从而达到不断提升钻孔工艺以及提高钳工操作能力的目的，希望本文能够使更多的人掌握钳工孔加工精度的方法 在钳工专业的基本实习训练中，孔加工是相对比较难掌握的基本操作之一。在孔加工实习训练中反映问题最多的是单孔的直径控制和多孔的孔距精度控制，特别是对孔距的精度控制最为突出。在实践中，如果是成批量的生产加工，可以通过制做工卡具来实现对孔距的控制，这样不仅能满足产品的技术要求，还能极大地提高工作效率。但在小批量的生产加工中，对孔和孔距的形状和位置精度控制，则要通过划线、找正等方法来予以保证。？ 钳工孔加工实习课题训练中容易岀现的问题：？ 钻孔时孔径超岀尺寸要求，一般是孔径过大；？ 孔的表面粗糙度超岀规定的技术要求；？ 孔的垂直度超出位置公差要求；？ 孔距（包括边心距和孔距）超出尺寸公差的要求；？ 孔加工中岀现问题的主要原因分析：？ 钻头刃磨时两个主切削刃不对称，在钻削过程中，使钻头的径向受力; 对钻削的切削速度选择不当；？ 钻削时工件未与钻头保持垂直；？ 未对孔距尺寸公差进行跟踪控制; 三、提高孔加工精度的方法: 在孔加工的课题训练中，对于前三个问题，需要加强练习。比如主切削刃的不对称问题，在刃磨 时，要对砂轮面进行检查，如果砂轮的磨削面不平整，应及时进行修整，刃磨的角度应保持一致。对于不同 的孔径，要选择相应的切削速度。在钻孔过程中，自始至终都要避免钻头的径向受力。钻孔时，不仅要保证平口钳的上平面与钻头的垂直，也要保证夹持工件时夹持面与加工表面的垂直。夹持要牢固，避免在钻孔过程中，由于夹持不牢使工件发生滑陷。这些都需要在实习的过程中让学生慢慢体会和认真掌握的。？ 最容易出现也是最难掌握的问题是孔距精度的控制问题，在这里作一下重点阐述。传统的孔的位置 精度的检查是靠划出检查圆”和检查框”的方法。检查圆”它是在钻孔划线完毕后，用划规以样冲眼为中心，划出比需要加工孔的直径大的检查圆”作为钻孔时检查位置是否准确的参照基准。由于划规在旋转中其确定圆心的脚尖与样冲眼的接触中会产生滑动，使划规划的检查圆”容易产生误差。检查框”是利用高度游标卡 尺在孔的十字中心线上划岀等距的方格，是在钻孔的初期样冲眼灭失时，用来替代样冲眼检查孔位置是否正确的依据，检查框”确定的找正基准可以保证钻孔的中心与样冲眼定位的中心重合，保证划线精度，也避免 了划检查圆”的误差。这两种保证孔位置精度的做法在教学中很难被学生掌握。在多年的钳工实习教学实践 中，对于孔距的控制我采用的是跟踪控制法”所谓跟踪控制”就是从划线开始，到加工结束，每一道加工 工序都要通过认真的检查来保证孔距的精度要求在加工者的控制之中。做到前道加工工序是后一道加工工序的精度控制前提，后一道加工序是前一道加工工序的精度控制保证。一环扣一环，从而实现对孔距精度的控制。？ 首先是划线，戈熾是孔加工的第一道工序，戈熾的质量是确保孔加工孔距精度的重要前提。俗话说工欲善其事，必先利其器”在孔加工确定孔中心位置的划线中，一般是采用高度游标卡尺，要划线前一是要检查高度尺的示值误差是否在规定的精度误差范围内，以保证所划线条的尺寸准确，检查高度游标卡尺的划线刃口是否锋利，以确保所划线条清晰均匀；二是要检查划线平板的精度，确保划线平板工作表面清洁、无毛刺，以免影响划线精度。调整好尺寸后，可以在工件上轻轻划出一道可见的痕迹，然后用游标卡尺测量 一下这个痕迹，看是否有误差。如果有误差，就要相应调整高度游标卡尺，直到痕迹符合精度要求。接下来就可以按照图纸要求划岀清晰均匀的孔的中心线了。？ 其次是打岀准确的样冲眼，样冲眼的作用是为钻头定心。样冲必须磨得圆而尖并保持足够的硬度，根据多年的教学经验，样冲的顶角为40-50度最为适宜。在打样冲眼时，要使样冲与工件垂直，轻轻敲击出 痕迹，然后观察所敲击的样冲眼是否位于孔的十字中心线的正中。检查符合要求后，再加大敲击力度，使将样冲眼加大，这时应该注
车床主轴箱齿轮 机械加工工艺过程设计 （机电09级） 1．问题提出 零件的几何精度直接影响零件的使用性能，而机械加工工艺过程制定的是否合理将直接影响零件的加工精度。针对车床主轴箱齿轮，应用所学的机械制造基础知识进行一次加机械工工艺过程设计的综合性工程应用训练。 2．专题研究的目的 （1）掌握零件主要部分技术要求的分析方法； （2）掌握零件材料的选择方法和确定毛坯的制备方法及工艺； （3）掌握工艺分析方法； （4）掌握定位基准的选择方法； （5）掌握制定出合理的零件加工顺序的原则和方法； （6）掌握制定出合理的零件加工路线的方法。 3．研究内容 图1所示为车床的一根传动轴车床主轴箱齿轮，完成该齿轮零件的机械加工工艺过程设计。 工艺设计的具体内容包括： 1、进行零件主要部分的技术要求分析研究； 2、确定齿轮的材料、毛坯的制备方法及工艺、热处理工艺； 3、进行加工工艺分析； 4、确定定位基准；
5、制定齿轮的加工顺序； 6、制定齿轮的加工路线； 4．设计过程 4.1零件主要部分的技术要求分析研究 (1)齿轮的工作面为齿面，在传动过程中接触的两齿面会产生一定相互滑动，导致齿面磨损。严重时，会加大齿侧间隙而引起传动不平稳和冲击。为保证传动的平稳性，并且减小摩擦，应采用较高的表面粗糙度，此处选择2.5um. (2)齿轮Φ40H7内孔表面与传动轴为过盈配合，内孔表面为摩擦表面，应采取较高的表面粗糙度要求，此处选择2.5um. (3)齿轮端面和齿顶面为非工作表面，表面粗糙度要求较低，此处为5um. (4)齿轮端面采用端面圆跳动，既保证了端面与基准轴的垂直度要求又保证
了齿轮轴向的圆柱度要求。 (5)Φ40H7内孔选用直线度、垂直度、圆柱度等形位公差，保证了内孔对基准轴的高精度要求。 4.2确定齿轮的材料、毛坯的制备方法及工艺、热处理工艺 1、选择齿轮的材料时，需考虑到机床齿轮工作平稳，无强烈冲击，负荷不大，转速中等，对齿轮强度和韧性的要求不高，但材料要有高的硬度和好的耐磨性。另外综合选用材料的经济因素，选用45#钢。 2、毛坯的制备方法 锻造：下料—自由锻—正火处理 3、热处理工艺：正火或调质处理后再经高频感应加热表面淬火，齿面硬度可达52HRC，齿心硬度为220～250HBS，能够满足性能要求。 ○1正火：将齿轮放入炉中加热到840-8800C，保温约3小时。出炉后在空气中冷却。 目的：充分消除锻造内应力，细化晶粒，适当提高齿轮的硬度，为以后的机加工做性能准备，同时为后序的热处理做组织准备。 ○2表面淬火+回火 表面淬火：利用感应加热淬火装置，只对轮齿部位进行局部感应加热表面淬火。工艺：将齿轮置于感应器内，通入交流电，轮齿温度达到860-9000C后，随即用水快速冷却，淬火后表面不得有裂纹。目的：提高轮齿表面硬度和耐磨性，淬火后表面硬度可达到48-53HRC，淬硬层可达3-4mm。 回火:将齿轮放入炉中加热到200-2400C，保温约1h，出炉后在空气中冷却。目的：消除淬火内应力，防止变形和开裂；获得稳定的组织，保证尺寸稳定性；
《精密与超精密加工技术》知识点总结 1.加工的定义：改变原材料、毛坯或半成品的形状、尺寸及表面状态，使之符合规定要求的各种工作的统称。规定要求：加工精度和表面质量。 2.加工精度：是指零件在加工以后的几何参数（尺寸、形状、位置）与图纸规定的理想零件的几何参数相符合的程度。符合程度越高，加工精度则越高。 3.表面质量：指已加工表面粗糙度、残余应力及加工硬化。 4.精密加工定义：是指在一定时期，加工精度和表面质量达到较高程度的加工技术（工艺）。 5.超精密加工：是指在一定时期，加工精度和表面质量达到最高程度的加工技术（工艺）。 6.加工的划分普通加工（一般加工）、精密加工和超精密加工。普通加工：加工精度在1μm 以上（粗加工IT13～IT9、半精加工IT8～IT7、精加工IT6～IT5），粗糙度Ra0.1-0.8μm。加工方法：车、铣、刨、磨等。适用于:普通机械（汽车、拖拉机、机床）制造等。 精密加工：加工精度在1～0.1μm ，粗糙度Ra0.1μm 以下（一般Ra0.1～0.01μm ）的加工方法。加工方法：车削、磨削、研磨及特种加工。适用于：精密机床、精密测量仪器等中的关键零件的制造。 超精密加工：加工精度在0.1～0.01μm ，粗糙度小于Ra0.01μm（Ra0.01～Ra0.001μm）的加工方法。 加工方法：金刚石刀具超精密切削、超精密磨削、超精密特种加工。适用于：精密元件的制造、计量标准元件、集成电路等的制造。 7.精密加工影响因素 8.切削、磨削加工：精密切削和磨削、超精密切削与磨削。 9.特种加工：是指一些利用热、声、光、电、磁、原子、化学等能源的物理的，化学的非传统加工方法。 10.精密加工和超精密加工的发展趋势：向高精度方向发展、向大型化，微型化方向发展、向加工检测一体化发展、研究新型超精密加工方法的机理、新材料的研究。 11.精密加工和超精密加工的特点：形成了系统工程它是一门多学科的综合高级技术；它与特种加工关系密切传统加工方法与非传统加工方法相结合；加工检测一体化在线检测并进行实时控制、误差补偿；与自动化技术联系密切依靠自动化技术来保证；与产品需求联系紧密加工质量要求高、技术难度大、投资大、必须与具体产品需求相结合。 12.金刚石刀具是超精密切削中的重要关键。金刚石刀具有两个比较重要的问题：一是晶面的选择，因为金刚石晶体各向异性；二是研磨质量，也就是刃口半径，因为影响变形和最小切削厚度。 13.检测技术是超精密切削中一个极为重要的问题。超精密加工要求测量精度比加工精度高一个数量级。 14.超精密加工必须在超稳定的加工环境条件下进行：恒温条件、防振条件。恒温：20℃±(1～0.02)℃恒湿：35﹪～45﹪空气净化、防振等。 15.金刚石分类：天然金刚石和人造金刚石两大类（碳的同素异形体）。 16.金刚石晶体的三种晶面晶体——原子具有规则排列的物体。晶体中各种方位上的原子面 叫晶面。晶体中各种方位上的原子列叫晶向。金刚石晶格中有三种重要晶面，(100),(110),(111)。 17.金刚石晶体具有强烈的各向异性不同晶面，不同方向性能有明显差别；金刚石刀具的晶面选择直接影响切削变形和加工表面质量；金刚石晶体和铝合金、紫铜间的摩擦系数在0.06～0.13之间，而
1、精密和超精密加工的三大领域：超精密切削、精密和超精密磨削研磨、精密特种加工。 2、金刚石刀具进行超精密切削时，适合加工铝合金、无氧铜、黄铜、非电解镍等有色金属 和某些非金属材料。 3、最硬的刀具是天然单晶金刚石刀具。金刚石刀具的的寿命用切削路程的长度计算。 4、超精密切削实际能达到的最小切削厚度和金刚石刀具的锋锐度、使用的超精密机床的性 能状态、切削时的环境条件等直接相关。 5、影响超精密切削极限最小切削厚度最大的参数是切削刃钝圆半径r n。 6、金刚石晶体有3个主要晶面，即（100）、（110）、（111），（100）晶面的摩擦因数曲线有 4个波峰和波谷，（110）晶面有2个波峰和波谷，（111）晶面有3个波峰和波谷。 以摩擦因数低的波谷比较，（100）晶面的摩擦因数最低，（111）晶面次之，（110）晶面最高。 比较同一晶面的摩擦因数值变化，（100）晶面的摩擦因数差别最大，（110）次之，（111）晶面最小。 7、实际金刚石晶体的（111）晶面的硬度和耐磨性最高。 推荐金刚石刀具的前面应选（100）晶面。 8、（110）晶面的磨削率最高，最容易磨；（100）晶面的磨削率次之，（111）晶面磨削率最 低，最不容易磨。 9、金刚石的3个主要晶面磨削（研磨）方向不同时，磨削率相差很大。现在习惯上把高磨 削率方向称为“好磨方向”，把低磨削率方向称为“难磨方向”。 10、金刚石磨损本质是微观解离的积累；破损主要产生于（111）晶面的解离。 11、金刚石晶体定向方法：人工目测定向、X射线晶体定向、激光晶体定向。其中激光晶体 定向最常用。 12、金刚石的固定方法有：机械夹固、用粉末冶金法固定、使用粘结或钎焊固定。 13、精密磨削机理包括：微刃的微切削作用，微刃的等高切削作用，微刃的滑挤、摩擦、 抛光作用。 14、超硬磨料砂轮修整的方法有：车削法、磨削法、滚压挤轧法、喷射法、电加工法、超 声波振动修整法。电解在线修锐法（ELID—electrolytic in—process dressing），原理是利用电化学腐蚀作用蚀出金属结合剂。. 15、砂带磨削的方式包括闭式砂带磨削和开式砂带磨削，又称为“弹性”磨削、“冷态”磨 削、“高效”磨削、“廉价”磨削、“万能”磨削。 16、超精密机床主轴的驱动方式主要有：电动机通过带传动驱动机床主轴、电动机通过柔 性联轴器驱动机床主轴、采用内装式同轴电动机驱动机床主轴。 17、今年生产的中小超精密机床多采用T形机床总体布局。 18、保证零件加工精度的途径： ○1靠所用的机床来保证，即机床的精度要高于工件所要求的精度，这是“蜕化”原则，也称之为“母性”原则。 ○2在精度比工件要求较低的机床上，利用误差补偿技术，提高加工精度，使加工精度比机床原有精度高，这是“进化”原则，也称之为“创造性”原则。 19、提高现有设备加工精度的途径：误差的隔离和消除和误差的补偿。 20、加工精度的检测分为：离线检测、在位检测和在线检测。 21、误差补偿的形式或方法包括：误差的修正、校正、抵消、均匀化、钝化、分离等。 22、误差补偿系统的组成：误差信号的检测、误差信号的处理、误差信号的建模、补偿控 制和补偿执行机构。
齿轮生产工艺流程 展成法是应用齿轮啮合的原理来进行加工的，用这种方法加工出来的齿形轮廓是刀具切削刃运动轨迹的包络线。齿数不同的齿轮，只要模数和齿形角相同，都可以用同一把刀具来加工。用展成原理加工齿形的方法有：滚齿、插齿、剃齿、珩齿和磨齿等方法。其中剃齿、珩齿和磨齿属于齿形的精加工方法。展成法的加工精度和生产率都较高，刀具通用性好，所以在生产中应用十分广泛。 一、滚齿 （一）滚齿的原理及工艺特点 滚齿是齿形加工方法中生产率较高、应用最广的一种加工方法。在滚齿机上用齿轮滚刀加工齿轮的原理，相当于一对螺旋齿轮作无侧隙强制性的啮合，见图9-24所示。滚齿加工的通用性较好,既可加工圆柱齿轮，又能加工蜗轮；既可加工渐开线齿形，又可加工圆弧、摆线等齿形；既可加工大模数齿轮，大直径齿轮。 滚齿可直接加工8~9级精度齿轮，也可用作7 级以上齿轮的粗加工及半精加工。滚齿可以获得较高的运动精度，但因滚齿时齿面是由滚刀的刀齿包络而成，参加切削的刀齿数有限，因而齿面的表面粗糙度较粗。为了提高滚齿的加工精度和齿面质量，宜将粗精滚齿分开。 （二）滚齿加工质量分析 1.影响传动精度的加工误差分析 影响齿轮传动精度的主要原因是在加工中滚刀和被切齿轮的相对位置和相对运动发生了变化。相对位置的变化(几何偏心)产生齿轮
的径向误差；相对运动的变化(运动偏心)产生齿轮的切向误差。 (1)齿轮的径向误差齿轮径向误差是指滚齿时，由于齿坯的实际回转中心与其基准孔中心不重合，使所切齿轮的轮齿发生径向位移而引起的周节累积公差，如图9—4所示。 齿轮的径向误差一般可通过测量齿圈径向跳动△Fr反映出来。切齿时产生齿轮径向误差的主要原因如下： ①调整夹具时，心轴和机床工作台回转中心不重合。 ②齿坯基准孔与心轴间有间隙，装夹时偏向一边。 ③基准端面定位不好，夹紧后内孔相对工作台回转中心产生偏心。 (2)齿轮的切向误差齿轮的切向误差是指滚齿时，实际齿廓相对理论位置沿圆周方向(切向)发生位移，如图9-5所示。当齿轮出现切向位移时，可通过测量公法线长度变动公差△Fw来反映。 切齿时产生齿轮切向误差的主要原因是传动链的传动误差造成的。在分齿传动链的各传动元件中，对传动误差影响最大的是工作台下的分度蜗轮。分度蜗轮在制造和安装中与工作台回转中心不重合（运动偏心），使工作台回转中发生转角误差，并复映给齿轮。其次，影响传动误差的另一重要因素是分齿挂轮的制造和安装误差，这些误差也以较大的比例传递到工作台上。 2.影响齿轮工作平稳性的加工误差分析 影响齿轮传动工作平稳性的主要因素是齿轮的齿形误差△ff和