航空复杂壳体深小孔的高效精密加工技术

２０１２年６月第４８卷第３期航空精密制造技术

ＡＶＩＡＴＩＯＮＰＲＥＣＩＳＩＯＮＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＪｕｎ２０１２Ｖｏｌ．４８Ｎｏ．３

航空复杂壳体深小孔的高效精密加工技术

池宪，闫兵

（北京航空精密机械研究所，北京100076）

［摘要］针对某类复杂壳体深小孔数量多、孔径小、长径比大、精度要求高的特点，在优化设计枪钻切削刃及冷却孔结构的基础上，将枪钻、直槽内冷钻等新型孔加工刀具与加工技术应用到卧式加工中心上，研究开发孔径Φ2~Φ10、长径比20~60深小孔的高效加工方法和加工工艺，优化得到符合要求的最佳切削参数，并建立深小孔高效加工切削参数数据库。实践表明，这一技术将深小孔加工效率提高30%以上，加工质量显著改善，有效解决了深小孔的高效精密加工问题。

［关键词］深小孔；枪钻；高效精密加工；复杂壳体［中图分类号］TG937

［文献标识码］B

［文章编号］1003-5451（2012）03-0037-04

High-efficiency Precision Machining Technology for Small Deep Hole of Complex Shell Part

CHI Xian ，YAN Bing

（Beijing Precision Engineering Institute for Aircraft Industry ，Beijing 100076）

［Abstract ］Aiming at the complex shell part feature of small deep holes for complex shell parts ，witch are numerous ，small aperture, big ratio of length to diameter and high-precision ，the machining method and machining technique for small deep holes of aperture Φ2~Φ10and ratio of length to diameter 20~60were developed, based on gun-drill cutting tool and structure of cooling holes with horizontal machining center using gun-drill and cooling drill in groove. The optimal cutting parameters achieving requirement were got. The machining cutting parameter database for small deep holes was setup. The practice showed that the efficiency of small deep hole machining was improved over 30%，the machining quality was improved and the problem ofsmall deep hole high -efficiency precision machining was solved.

［Keywords ］small deep hole ；gun-drill ；high-efficiency precision machining ；complex shell part

引言

复杂壳体类零件（如舵机壳体、燃油泵壳体、供氧调节器等壳体）是航空机载系统中典型的结构件和关健件，它们都是各自产品的基础零件，对机载系统的质量和性能有着举足轻重的作用。随着航空机载系统技术的快速发展及新一代飞机的发展需求，机载系统复杂壳体类零件的设计越趋复杂，精度越来越高。某类复杂壳体的孔系众多，内部有多达几百个纵显著特点是结构复杂、

横交错的各种深小孔，而且孔径小、长径比大（最高可达到60左右），精度要求高，孔的直线度要求0.1mm 。

传统的深小孔加工方法是使用多只麻花钻、多次退刀排屑、逐级延伸钻孔。这种方法所用钻头种类多，加工周期长，存在刀具易折断、冷却润滑及排屑困难、生产效率低、质量稳定性差等问题，尤其加工Φ3mm 以下长径比60左右的深小孔时更为严重。而且经常因为钻头折断造成返工返修，甚至整套壳体报废，造成巨随着某类复杂壳体批量生产质量要求、大的经济损失。

加工效率的逐步提高，急需解决解决深小孔的高效率、高质量加工问题。

本文在优化设计枪钻切削刃及冷却孔结构的基础上，将深孔钻加工设备专用的单刃外排屑枪钻成功应

航空复杂壳体深小孔的高效精密加工技术

用到卧式加工中心上，有效解决了长径比10~60、孔径Φ2~10深小孔的高效精密加工难题。

面和加工质量。

1.3单刃外排屑枪钻优化设计

由于某类复杂壳体深小孔孔径小、长径比大，材料切屑形以铝合金为主，而枪钻的钻刃结构对孔的公差、成、切削液压力及流量、刀具寿命等均有影响。为了保证在卧式加工中心上能够正常使用枪钻加工深小孔，在小直径枪钻结构设计上，采取以下措施对枪钻进行优化设计，以满足某类复杂壳体深小孔加工的使用要求：

①合理设计枪钻的切削刃结构以便快速切削、断屑及排屑（见图3（a ）、（b ））。

将枪钻的钻尖设计成偏离轴心以形成外内二刃，外角大于内角时，作用在外切削刃较短内切削刃较长。

外刃上的径向切削力大于作用于内刃上的径向切削力，始终有一力作用在导条上，使导条发挥其支撑平衡导向作用，防止钻头钻偏。钻孔时钻尖前方形成小圆锥，可使切屑在钻尖处断离为两段，使之易于排出。

②适当改进冷却孔结构以满足冷却及排屑要求（见图3（c ）、（d ））。

因Φ2～7mm 枪钻的直径较小，为最大限度提高其

1直槽内冷钻与单刃外排屑枪钻

1.1直槽内冷钻

直槽内冷钻的钻尖结构（见图1）使其可在每条直槽的外缘处刃磨出2条刃带，钻头与工件有4个接触点，钻头在加工中更为稳定，从而可以提高加工精度。钻头采用大顶角及内冷结构设计，有助于改善加工性能，使其具有切削轻快、排屑顺畅、效率高、精度高、寿命长的特点。直槽内冷钻能够加工出圆度和直线度较高的孔，而且其切削速度比硬质合金或高速钢钻头更快，以保证枪钻能够顺利进入孔内。

图1直槽内冷钻外排屑效果，将冷却结构设计为腰型冷却孔；内冷却、

Φ7～20mm 枪钻的直径较大，将冷却结构设计为“一大孔+一小孔”的双圆孔冷却孔。这些冷却孔结构优化措施能够增大冷却孔直径，相应增加切削液流量，降低高压冷却系统冷却液的压力损失，提供足够的压力及冷却液及时将切屑排除。

③枪钻制造时要保证夹持钻柄与切削钻头同轴度在0.1以内

。

1.2单刃外排屑枪钻

单刃外排屑枪钻因其独特的内冷却、外排屑结构设计，具有加工精度高、表面质量好、加工效率高、寿命长、排屑好的特点，一般适用于配备高压内冷却系统的深孔钻专用加工设备。

单刃外排屑枪钻由刀头、钻杆与钻柄组成，刀头部分为硬质合金（如图2所示）。专业的枪钻系统由深孔钻机、单刃或双刃的枪钻及高压冷却系统组成。其工作原理为枪钻柄部被夹持在机床主轴上，钻头通过导引孔或钻套进入工件，钻刃的独特结构起到自导向的作用，保证了切削精度。冷却液由钻杆后部中孔注入，经腰形或圆形孔到达切削区后，迫使切屑随切削液由V 型槽与工件孔壁间的空间排出，故称外排屑；同时冷却液润滑钻刃及背部的支撑凸台，从而获良好的加工表

钻头

钻柄

钻杆

（a ）钻孔范围：Φ2～7mm （b ）钻孔范围：Φ7～

20mm

钎焊钎焊（c ）腰型冷却孔（d ）双圆孔冷却孔

图2单刃外排屑枪钻结构图图3枪钻刀头冷却孔设计及刃磨角度

《航空精密制造技术》2012年第48卷第3期

2深小孔的高效精密加工技术

针对深小孔传统加工方法存在需要多次退刀排冷却润滑及排屑困难、生产效率低、质量稳定性差屑、

等问题，在优化设计枪钻切削刃及冷却结构的基础上，大量采用直槽内冷钻、枪钻等高效加工刀具进行深小孔加工工艺优化，优化后的高效加工工艺如图4所示。而且这一工艺不是在专用深孔钻床而是在具有高压内冷却系统的普通卧式加工中心上实现的，与传统加工工艺相比，深小孔高效精密加工技术采用直槽内冷钻加工预孔，然后使用枪钻一次加工到深度，无需多次延延伸钻孔及退刀时间，有效伸钻孔，节省了多次换刀、缩短了加工流程，提高了加工效率及表面质量。

孔没有螺旋状刀痕，Φ2.2mm 深小孔孔壁开始出现明Φ2.5、Φ3、Φ4、Φ7mm 深小孔均有明显的螺旋状刀痕，

显的螺旋状刀痕且越来越严重，这表明采用麻花钻延伸加工的深小孔随着直径的增大，其孔壁的螺旋状刀痕逐渐增大。采用枪钻延伸加工的所有深小孔孔壁均没有出现螺旋状刀痕，其孔壁的圆柱度明显优于麻花钻的加工效果。Φ3mm 深小孔加工效果对比见图6。

深小孔的实测尺寸精度等级达到IT7～IT9、直线度优于0.05/100、粗糙度实测值优于Ra2.0μm ，均满足其技术要求。这表明采用枪钻加工深小孔除了能够大幅提高加工效率外，还能够提高深小孔的尺寸精度、直线度及表面粗糙度。

图4深小孔高效加工工艺

2.1深小孔的加工效率

针对Φ2、Φ2.2、Φ2.5、Φ3、Φ4、Φ4.6、Φ7mm 共7种深小孔，选择每种规格中长径比最大的深小孔在DMG60P 卧式加工中心进行加工试验，两种工艺加工深小孔的效率对比见图5。由图可知，与传统工艺相比，所有深小孔的加工效率均得到了明显的提高，其中Φ7mm 深小孔节省时间达到8′20″，效率提高最明显，达到了78.7%；效率提高最低的是Φ2.2mm 深小孔，共提高效率11.5%。节省时间51s ，

（a ）传统工艺：有螺旋纹，

表明粗糙

（b ）高效工艺：表面光滑，

质量好

图6Φ3mm 深小孔加工效果对比图

3深小孔高效加工切削参数数据库

刀具切削参数的合理选择对于提高复杂壳体零件生产率、降低生产成本、提高设备利用率具有重要的意义。因此，对切削试验及批量生产中获得的大量切削数据进行兼顾加工质量与效率的均衡优化，得到了符合技术要求的最佳切削参数，并建立了深小孔高效加工切削参数数据库，将已经成熟的经验和知识系统化，便于切削参数的共享和进一步的补充与完善。

图57种深小孔加工效率对比图

2.2深小孔的加工质量

Φ2、Φ2.2、Φ2.5、Φ3、Φ4、Φ7mm 深小孔的技术要求为孔径公差符合HB5800-1999（基本尺寸1~3的孔上偏差0.10mm ，基本尺寸3~6的孔上偏差0.12mm ，基），粗糙度Ra3.2μm 。本尺寸6~10的孔上偏差0.15

工艺试验表明，采用麻花钻延伸加工的Φ2深小

图7枪钻切削参数

查询界面

图8直槽内冷钻切削参数

查询结果

深小孔切削参数数据库提供多种规格直槽内冷钻、枪钻的切削参数查询，在如图7、图8

所示界面中

航空复杂壳体深小孔的高效精密加工技术

选择合适的参数，如刀具类型、直径规格、切削刃长度、刀具材料及角度等，点击查询后就可以得到深小孔切削参数数据库推荐的切削速度/转速、进给量、切削深预孔深度等切削参数。度、

某类复杂壳体多批次的批量加工中，并将深小孔加工效率提高30%以上，直线度达到0.05/100，精度达到IT7-IT9，孔的表面质量有明显提高，显著提高了该壳体批量生产的加工效率和质量，有效解决了深小孔的高效精密加工问题，节省了大量的人力及宝贵的机床资源，取得了明显的经济效益。

参考文献

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（收稿日期2011-12-16）

4总结

本文针对某类复杂壳体深小孔的特点，在优化设计枪钻切削刃及冷却孔结构的基础上，将枪钻、直槽内冷钻等新型孔加工刀具与加工技术应用到卧式加工中心上，针对长径比10~60、孔径Φ2~10mm的深小孔进行大量切削试验，研究开发了深小孔的高效加工方法和加工工艺，获得了符合要求的最佳切削参数，建立了深小孔高效加工切削参数数据库。

某类复杂壳体深小孔的批量加工实践表明，本项目开发的深小孔高效精密加工技术加工的深小孔具有质量好、加工效率高等特点。已经应用到加工精度高、

即利用VERICUT 软件进行加工仿（上接36页）成后，

真。在与实际加工相匹配的加工环境下，完成加工仿真，验证所编辑程序的正确性。

在MIKRON UCP710多轴联动加工中心上，进行毛坯直径为190mm 的开式整体叶轮的实例加工。该叶通道深度45mm 、通盘相关参数如下：外径190mm 、道最窄宽度12.6mm 、通道数18。插铣刀具为SECO 公司生产专用插铣刀，其刀杆尺寸为D =7.8mm、Dc=16mm 、a =89°的锥形刀柄，刀片尺寸为D =8mm、L =7.8、2刃刀片。侧铣刀具使用为D =8mm、L =7.9的2刃刀片。加工结果表明，插铣单个流道时间为16min ，侧铣精加工单个叶片时间为15min 。采用插铣加工比传统侧铣开槽加工效率提高了近95%，同时精加工获得了均匀参数的刀具轨迹。

数控加工技术已在开式整体叶轮的多轴加工中得到了加工结果证明本文所提出的技术是可行的，并取应用。

得了良好的加工效果，采用插铣加工比传统侧铣开槽加工效率提高了近95%，同时精加工获得了均匀参数的刀具轨迹。

参考文献

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（收稿日期2011-11-28）

5结束语

本文针对开式整体叶轮的特殊结构，在分析其加工中难点的基础上，针对其结构特点与其制造要求，研究了在多轴数控加工中所使用的一些关键技术。开式整体叶轮的插铣粗加工技术，包括包络面的生成，刀具矢量的规划选择；精加工中对基于参数法的均匀切削轨迹规划等关键技术都有阐述说明。本文中所提出的