关键词：深孔加工；发动机；油孔；加工工艺；刀具
The research of engine deep drilling on processing technology
LU Wei
(Guangdong Tayo Motorcycle Technology co. LTD, JiangMen 529000, China;)
Abstract: In the machining of box parts, hole machining accounts for about 1/3 of the total amount of machining, and deep hole machining accounts for 30% of hole processing. In the actual production process, the phenomenon of cutting tool breaking occurs from time to time due to the unstable precision of the machine tool, the poor quality of the cutting tool and the unreasonable processing technology setting, which leads to the scrapping of the cutting tool, the scrapping of the workpiece and the production stoppage. In view of this problem, this paper analyzes various factors affecting deep hole processing from the characteristics of deep hole processing technology, combined with the processing technology requirements and the field working environment, and analyzes from the aspects of processing sequence, process parameters and equipment precision, providing important reference value for starting oil hole processing.
Key words: Deep hole machining; The engine; The oil hole; Processing technology; The cutting tool
0 前言
在制造企业中，一般将孔的长度和孔的直径比大于５的孔定义为深孔[1]。发动机中油孔是润滑和供油的主要通道，其加工质量优良直接影响供油系统功能，从而影响发动机使用寿命。发动机复杂的结构注定了油孔往往是大比例的深孔，有时油孔之间出现两两相贯情况，这便使得油孔机加工成为发动机制造企业生产过程中的重点和难点，影响着整体加工工序的节拍，增大了企业的制造成本。本文以广东大冶摩托车技术有限公司自主设计品牌的发动机主轴孔加工为研究对象，分析影响深油孔加工的关键因素并结合实际工况，提出了解决办法。
１ 发动机深油孔加工的关键点
在实际深孔加工过程中，深孔加工一般都是在全封闭或者半封闭状态下进行。工人只能通过经验听加工声音、看设备监测数据或查看切削后的效果判断加工质量，很难掌握刀具切削实况及把控加工过程。深油孔由于长径比值大，影响加工的关键点有：
（1）排屑困难。发动机油孔因为加工深度长，直径小，导致加工时断屑和排屑困难，切屑若不及时排出孔外，在孔内产生堵塞，不仅影响孔的加工质量，甚者可能会导致刀具断裂。
（2）散热困难。在加工时，产生的切削可包含加工时总热量的80%[2]。因排屑困难，会导致刀具局部热量增高加剧，使得刀具磨损严重，影响刀具寿命，往往就导致生产时刀具因温度急剧升高而断裂。
（3）精度稳定性差。深油孔因其工艺特性，除了对其深度要求苛刻，有时对其表面粗糙度、直线度和同轴度都有特殊要求，从而又提高了其加工难点。深油孔加工刀具因刀杆悬深长，换刀速度快以及转速提高时都会导致刀具加工时产生“偏摆”，从而影响加工稳定性，甚至刀具振动过大导致刀具折裂[3]。
2 初定加工工艺方案
广东大冶摩托车技术有限公司摩托车发动机主轴材料为20CrMo，热处理前硬度为HB150，油孔直径Φ5，深度150mm。在其径向方向还分布有5个Φ2的小油孔，其中1个是完全贯通主轴。简图如下：
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图1 主轴结构图
Fig1 The drawing of spindle structure
加工机床使用现场韩国DOOSAN DNM415立式加工中心，按照传统工艺并结合我司自身情况，前期制定了如下加工方案：
（1）加工顺序。油孔直径为Φ5和Φ2，按照一般“先小后大”的原则[4]，加工顺序为先加工5个Φ2油孔，最后加工Φ5油孔。
（2）钻孔表面处理。根据以往加工经验，当钻孔表面倾斜角度小于5o时，可直接钻孔但进给参数应该减少三分之一，以免入口进刀速度过快刀具折断；当倾斜角度在5o-10o时，刀具直接下刀会导致单边受力情况严重，因此一般先需要铣削出一个小平面或者增加预钻；当倾斜角度大于10o，一般不建议在表面进行钻孔[4]。主轴Φ5孔为锻造毛坯，表面倾斜角度较小，对此采取的是直接降低加工参数，直接钻削加工。Φ2油孔先锪端面在进行钻削。
（3）预钻处理。对于深孔钻，为保证垂直方向导向效果，一般先需要增加预钻加工，预钻的深度采用刀具2倍直径为佳。此主轴四个油孔均需进行预钻。此外考虑到深孔的排屑困难，将Φ5孔分段进给并增加两次退刀排屑。
（4）钻头的选择。深孔加工的难点在于刀具细长、刚度差、强度低。刀具的扭转振动将直接影响加工精度、耐用度和切削效率。一般钻孔粗加工，可以选择普通麻花钻或枪钻。因Φ5油孔长径比为30，为保证加工质量并综合加工工况，采用外排屑的枪钻，其具有单切屑刃、自动排屑、冷却润滑以及自导向功能等特点[5]。而Φ2油孔采用一般麻花钻头即可。
（5）加工参数选择。孔加工时，刀具转速和进给参数要配合设置。刀具转速并不能因为是深孔加工振动大就将转速设置得过低。转速低使得刀具线速度过小，刀具前刀面进行挤压而非真正切屑，孔内表面质量达不到加工要求，且刀具极易产生崩刃现象。相反，也不能设置成高转速低进给，刀具振动加大且使孔表面重复多次切削，影响切削效率和孔加工质量。针对待切削的材料为20CrMo，我们一般采用主轴转速为3000-4000 r/min，进给速度为0.15-0.3mm/r。
3 存在问题和加工工艺改善
根据前期制定的加工工艺方案，零件试制时发现Φ5油孔在加工时频繁断刀，且将孔剖开后发现内孔表面十分粗糙。结合加工现场情况，断刀经常出现在Φ5油孔与Φ2油孔贯通处，此处加工噪音相比其它异常明显。综合相关影响因素，进行了以下措施来改善加工情况：
（1）加工顺序改进。断刀时常出现在油孔贯通处，说明Φ5油孔加工至贯通处时单向受力严重，刀具无侧向支撑，径向力超过刀具自身承受能力导致断裂。因此，先加工长径比为30的Φ5的深油孔，再加工4个Φ2油孔，最后分角度分两步加工贯穿主轴的Φ2油孔。若Φ2孔一刀钻削，在主轴内部也会因为进口倾斜角度太大导致刀具断裂。
（2）锪毛坯面。主轴毛坯为锻造成型，表面较粗糙，加工Φ5孔前先用D5.1平底钻进行锪面，为后续钻孔准确度作基础。
（3）增加引导钻。主轴材料硬度相对较高，为防止刀具在主轴带动下窜动，需先进行预钻。引导钻头直径和角度要比深孔钻头大，预钻深度取2倍径为宜，以完全发挥出定心作用。在此，我们取用Φ5.02麻花钻，开口角度120作为引导钻头，加工深度10 mm。
（4）改善深孔钻加工参数。预钻完成后，深孔钻在距离引导孔孔底约1 mm 前，一定要以低转速低进给移动，在主轴带动下，大悬身的刀具会有微弱的偏摆现象，刀具势必会与引导孔孔壁发生摩擦，此时以转速500 r/min，进给0.08-0.1 mm/r左右为宜[6]。快靠近引导孔孔底再开冷却液，因为提前开启也会导致刀具窜动。在以低转速低进给加工到2-3倍径深度时，对主轴转速和进给进行缓慢提升，或者在刀具最终变速前使刀具在进给方向退刀约1 mm，使刀具在切削量急剧增多之前就已具备高转速高进给。切勿未采取任何措施时便对主轴转速和刀具进给提升，因为加工中的进给突变对切削刃的冲击很大，足可以超过刀具本身的承受，出现刀刃崩损甚至断刀情况。加工完成后，退刀不能采用传统快速退刀方式，退刀时因深孔钻的加工特点，受在平行度方面的限制，刀具在孔中存在挠曲变形现象，此时快速退刀会使刀具与孔壁激烈碰触，或刀具受缠绕在其上面的切屑拉力过大，都可能导致刀具折断或孔壁表面损伤。
（5）增加设备稳定性；加工所用机床为四轴立式加工中心，日常内冷水压为7-8Mpa，加工结果表明，水压过大会导致刀具振动加大，过小不利于深孔排屑，经验值将水压调至3.5-4Mpa较好；另外夹具的夹紧力对加工质量也会有影响，夹紧力过大，会使工件变形或已加工面产生压痕；夹具夹紧力过小，加工时工件会产生振刀。一般将夹具夹紧力设置在3.2 KN-3.5 KN具有较好效果。
通过以上改良措施，在后期大批量生产过程中，除刀具正常磨损导致工件加工质量偶然出现偏差外，未再出现内孔表面粗糙度和其它形位公差不达标，以及断刀情况。
4 结论
深孔加工因加工精度要求，又受加工特性限制，一直以来是机加行业的难题。本文结合深孔加工工艺特点，以广东大冶摩托车技术有限公司发动机长油孔加工实例，分析了深油孔加工如何从设备精度、加工参数和加工顺序方面进行改良，为企业实际深油孔加工工艺改善提供了重要参考。
参考文献：
[1]王世清. 深孔加工技术[M]. 西安:西北工业大学出版社, 2003.
[2]郭威.深孔钻加工工艺浅析[J].技术应用.2014. 12(5):48.
[3]赵志霞. 深孔加工工艺分析[J].石化技术. 2004,11(3):42.
[4]盛兴涛，董璠，苏展. 发动机长油孔加工技术研究[J]. 2017,5(6):68.
[5]赵志霞. 深孔加工工艺分析[J].石化技术. 2004,11(3):42.
[6]刘党生. 金属切屑原理与刀具[M]. 北京:北京理工大学出版社.2009.
论文作者:卢伟
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第17期
论文发表时间:2020/3/4
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