钻削和镗削加工

3.3　钻削和镗削加工

在机械加工中，孔广泛存在于各类零件上，而且对孔的要求差异很大，如孔径、孔深、公差等级和表面粗糙度等。因此各种孔加工除了用车削加工方法外，还可以用钻削和镗削等加工方法。

3.3.1　钻削加工

钻削加工孔时常用的钻床有台式钻床、立式钻床和摇臂钻床等。台式钻床适宜加工小型零件上的孔，钻孔最大直径13mm；立式钻床适应加工中小型零件上的孔，钻孔最大直径50mm；摇臂钻床适应加工大型零件上的孔，钻孔最大直径80mm。在钻床上能进行的工作有钻孔、扩孔、铰孔、攻丝、锪孔和锪凸台等。下面我们主要介绍钻孔、扩孔、铰孔。

3.3.2　钻孔

钻孔是用钻头在实体材料上加工孔的方法。在钻床上钻孔，工件固定不动，钻头既旋转做主运动，又同时向下轴向移动完成进给运动，如图3－22所示。

钻孔加工精度低，尺寸精度一般为IT4～IT11，表面粗糙度值为Ra50μm～12.5μm。

1.钻头

钻头是最常用的孔加工刀具，由高速钢制成。其结构如图3－23所示，它由柄部和工作部件组成，柄部的作用是被夹持并传递扭矩，直径小于12mm的做成直柄；大于12mm的做成锥柄。工作部分由导向部分和切削部分组成，导向部分包括两条对称的螺旋槽和较窄的刃带（见图3－24），螺旋槽的作用是形成切削刃和排屑；刃带与工件孔壁接触，起导向和减少钻头与孔壁摩擦的作用。切削部分有两个对称的切削刃和一个横刃，切削刃承担切削工作，

其夹角为118°；横刃起辅助切削和定心作用，但会大大增加钻削时的轴向力。

图3－22　钻孔1—钻头 2—工件

图3－23　钻头

图3－24　钻头的切削部分

图3－25　钻头引偏

2.钻孔的工艺特点

钻孔与车削外圆相比，工作条件要困难得多。因为钻孔时，钻头工作部分大都处在已加工表面的包围中，因而引起一些特殊问题。例如，钻头的刚度和强度、容屑和排屑、导向和冷却润滑等。因此，其特点可概括如下：

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（见图3－25（a））或孔的轴线歪斜（见图3－25（b））等。钻孔时产生“引偏”，主要是因为：

（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。为形成切削刃和容纳切屑，必须作出两条较深的螺旋槽，致使钻心变细，进一步削弱了钻头的刚性。

（2）为减少导向部分与已加孔壁的摩擦，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，实际上不是在切削，而是在挤刮金属，加工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，使钻头弯曲。

（4）钻头的两个主切削刃，很难磨得安全对称，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。

因此，在钻削力的作用下，刚性很差且导向性不好的钻头，很容易弯曲，致使钻出的孔产生“引偏”，降低了孔的加工精度，甚至造成废品。在实际加工中，常采用如下措施来减少引偏：

（1）预钻锥形定心坑（见图3－26（a））。首先用小顶角（2φ＝90°～100°）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的作用。

（2）用钻套为钻头导向（见图3－26（b）），此可以减少钻孔开始时的“引偏”，特别是在斜面或曲面上钻孔时，更为必要。

（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互相抵消，从而减少钻头的“引偏”。

2）排屑困难

钻孔时，由于切屑较宽，容屑槽尺寸又受到限制，因而在排屑过程中，往往与孔壁发生较大的摩擦，挤压、拉毛和刮伤已加工表面，降低表面质量。有时切屑可能阻塞在钻头的容屑槽里，卡死钻头，甚至将钻头扭断。为了改善排屑条件，钻钢料工件时，在钻头上修磨出分屑槽（见图3－27），将宽的切屑分成窄条，以利于排屑。当钻深孔（L／D＜5～10）时，应采用合适的深孔钻进行加工。

图3－26　减少引偏的措施

图3－27　分屑槽

3）切削热不易传散

由于钻削是一种半封闭式的切削，钻削时所产生的热量，虽然也由切屑、工件、刀具和周围介质传出，但它们之间的比例却和车削大不相同。例如，用标准麻花钻不加切削液钻钢料时，工件吸收的热量约占52.5%，钻头约占14.5%，切屑约占28%，而介质仅占5%左右。

钻削时，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率的提高。

3.钻削的应用

钻孔属于孔的粗加工，加工在精度IT10以下，表明粗糙度Ra值大于12.5μm。主要用于以下几类孔的加工：

（1）精度和表面质量要求不高的孔，如螺栓联接孔、油孔等。

（2）精度和表面质量要求较高的孔，或内表面形状特殊（如锥形、有沟槽等）的孔，需用钻孔作为预加工工序。

（3）内螺纹攻螺纹前所需底孔。

单件、小批生产中，中小型工件上的小孔（一般D＜13mm），常用台式钻床加工；中小型工件上直径较大的孔（一般D＜50mm），常用立式钻床加工；大中型工件上的孔，则应采用摇臂钻床加工；回转体工件上的孔，多在车床上加工。

在成批和大量生产中，为了保证加工精度、提高生产效率和降低加工成本，广泛使用钻模（见图3－28）、多轴钻（见图3－29）或组合机床（见图3－30）进行孔的加工。

精度高，粗糙度小的中小直径孔（D＜50mm），在钻削之后，常常需要采用扩孔和铰孔来进行半精加工和精加工。

图3－28　钻模

图3－29　多轴钻

图3－30　组合机床

3.3.3 扩孔

扩孔是使已加工孔、铸孔或锻孔直径扩大的加工过程，如图3－31所示。单件小批生产可使用直径较大的麻花钻扩孔。但由于麻花钻刚度和强度较低，扩孔特别是扩铸孔或锻孔时，背吃量不均匀，切削刃负荷变化大，刀具磨损快，易卡死或折断钻头，因此批量生产常采用钻孔钻扩孔。

图3－32为扩孔钻的结构。与麻花钻相比扩孔钻有以下特点：

图3－31　扩孔

图3－32　扩钻孔

1.刚性较好

由于扩孔的吃刀量a_p小，切屑少，容屑槽可做得浅而窄，使钻芯比较粗大，增加了工作部件的刚性。

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.切削条件较好

扩孔钻的切削刃不必自外缘延续到中心，避免了横刃和由横刃引起的不良影响。轴向力较小，可采用较大的进给量，生产率较高。此外，切屑少，排屑顺利，不易刮伤已加工表面。

由于上述原因，扩孔比钻孔的精度高，表面粗糙度Ra值小，且在一定程度上可校正原孔轴线的偏斜。扩孔常作为铰孔前的预加工，对于质量要求不太高的孔，扩孔也可作终加工。当孔的精度和表面粗糙度要求更高时，则要采用铰孔。

3.3.4　铰孔

铰孔是在扩孔或半精镗的基础上进行的，是应用较普遍的孔的精加工方法之一。铰孔的加工精度可达IT8～IT6，表面粗糙度Ra值为1.6～0.4μm。

铰孔所用的刀具是铰刀，铰刀可分为手铰刀和机铰刀。手铰刀（见图3－33（a））用于手工铰孔，柄部为直柄；机铰刀（见图3－33（b））多为锥柄，将在钻床上或车床上进行铰孔。

铰刀由工作部分、颈部、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，担负主要切削工作。修光部分有窄的棱边和倒锥，以减小与孔壁的摩擦和减小孔径扩张，同时校正孔径、修光孔壁和导向。手用铰刀修光部分较长，以增强导向作用。

图3－33　铰刀

铰孔的工艺特点为：

（1）铰孔余量小。粗铰为0.15～0.35mm；精铰为0.05～0.15mm。

（2）切削速度低。比钻孔和扩孔的切削速度低得多，以避免积屑瘤的产生和减少切削热。一般粗铰v_c＝4～10m／min；精铰v_c＝1.5～5m／min.

（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，不宜铰削梯形、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。一般铰钢件用乳化液；铰铸铁件用煤油。

麻花钻、扩孔钻和铰刀都是标准刀具，市场上比较容易买到。对于中等尺寸以下较精密的孔，在单件小批乃至大批大量生产中，钻—扩—铰都是经常采用的典型工艺。

钻、扩、铰只能保证孔本身的精度，而不易保证孔与孔之间的尺寸精度及位置精度。为了解决这一问题，可以利用夹具（如钻模）进行加工，或者采用镗孔。

3.3.5　镗孔（或在车床上车孔）

镗孔是用镗削方法扩大工件孔的方法，是常用的孔加工方法之一。对孔内环槽等内成形表面，直径较大的孔（D＞80mm），镗削是唯一适宜的加工方法。一般镗孔的尺寸公差等级为IT8～IT7，表面粗糙度R_a值为1.6～0.8μm；精细镗时，尺寸公差等级可达IT7～IT6，表面粗糙度R_a值为0.8～0.1μm。

镗孔多在车床或镗床上进行。

1.在车床上车孔

回转体零件上的轴心孔适宜在车床上加工（图3－34）。主运动和进给运动分别是工件的回转和车刀的移动。

图3－34　车床上车孔

2.在镗床上镗孔

箱体类零件上的孔和孔系（有若干个相互间有平行度或垂直度要求的孔）适宜在镗床上加工。

1）镗床

根据结构和用途不同，镗床分为卧式镗床、坐标镗床、立式镗床、精镗床等。应用最广的是卧式镗床，如图3－35所示。

图3－35　卧式镗床简图

1—尾座 2—后立柱 3—前立柱 4—主轴箱5—床身 6—主轴 7—工作台

镗孔时，镗刀刀杆随主轴一起旋转，完成主运动；进给运动可由工作台带动工件纵向移动（见图3－36（a）），也可由主轴带动镗刀刀杆轴向移动（见图3－36（b））来实现。镗大而浅的孔时，可悬臂安装粗而短的镗杆（见图3－36（a）、（b））；镗深孔或距主轴端面较远的孔时，不能悬臂安装镗杆，否则，会因镗杆过长刚性差，影响孔的加工精度。此时，应将镗杆的远端支承在镗床后立柱的尾座衬套内（见图3－36（c））。

图3－36　镗床上的镗孔

2）镗刀及其镗孔的工艺特点

（1）单刃镗刀镗孔。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，如图3－37所示。其中图（a）为不通孔镗刀，刀头倾斜安装；图（b）为通孔镗刀，刀头垂直于镗杆轴线安装。

单刃镗刀镗孔的工艺特点（与钻—扩—铰相比）如下：

①适应性广。单刃镗刀结构简单、使用方便，一把镗刀可加工直径不同的孔（调整刀头的伸出长度即可）；粗加工、精加工、半精加工均可适应。

②可校正原有孔轴线歪斜。镗床本身精度较高，镗杆直线性好，靠多次进给即可校正孔的轴线歪斜。

图3－37　单刃镗刀1—刀头 2—紧固螺钉 3—调节螺钉 4—镗杆

③制造、刃磨简单方便、费用较低。

④生产率低。镗杆受孔径（尤其是小孔径）的限制，一般刚性较差。为了减少镗孔时引起镗杆振动，只能采用较小的切削用量；只一个切削刃参与切削；需花时间调节镗刀头的伸出长度来控制孔径尺寸精度。

（2）浮动镗刀镗孔。浮动镗刀（见图3－38（a）），在对角线的方位上有两个对称的切削刃（属多刃镗刀），两个切削刃间的尺寸D可以调整，以镗削不同直径的孔。调整时，先松开螺钉1，再旋动螺钉2以改变刀块3的径向位移尺寸，并用千分尺检验两切削刃间尺寸，使之符合被镗孔的孔径尺寸，最后拧紧螺钉1即可。

镗孔时，浮动镗刀插在镗杆的长方孔中，但不紧固，因此，它能沿镗杆径向自由滑动。依靠作用在两个对称切削刃上的径向切削力，自动平衡其切削位置。

浮动镗刀镗孔的工艺特点如下：

①加工质量较高。镗刀的浮动可自动补偿因刀具安装误差或镗杆偏摆所产生的不良影响，加工精度较高；较宽的修光刀，可修光孔壁，减小表面粗糙度。

图3－38　浮动镗刀及镗孔

②生产率较高，有两个主切削刃参加切削，且操作简单，故生产率较高。

③刀具成本较单刃镗刀高。

④与铰孔相似，不校正原有孔的轴线歪斜。

镗床镗孔除适宜加工孔内环槽、大直径外，特别适于箱体类零件的孔系（指若干个彼此有平行度或垂直度要求的孔）加工。原因是镗床的主轴箱和尾座均能上、下移动，工作台能横向移动和转动，因此，放在工作台上的工件能在一次装夹中，把若干个孔依次加工出来，避免了因工件多次装夹产生的安装误差。

此外，装上不同的刀具，在卧式镗床上还可以完成钻孔、车端面、铣端面、车螺纹等多项工作，如图3－39所示。

图3－39　卧式镗床的主要工作