孔加工的几种方法与技术难点

孔是箱体、支架、套筒、环、盘类零件的重要曲面，也是机械加工中经常遇到的曲面。在加工精度和表面粗糙度要求相同的情况下，加工孔比加工圆柱面困难，生产率低，成本高。

生产率低、成本高的原因是:孔加工所用刀具的尺寸受到被加工孔尺寸的限制，所以刚性差，容易产生弯曲变形和振动；用定尺刀具加工孔时，孔的加工尺寸往往直接取决于刀具的相应尺寸，刀具的制造误差和磨损将直接影响孔的加工精度。加工孔时，切削区域在工件内部，排屑散热条件差，加工精度和表面质量不易控制。

孔的加工方法包括钻、铰、铰、镗、拉、磨和精加工。下面详细介绍几种解决孔加工问题的孔加工技术。

钻孔和铰孔

钻子

钻孔是在固体材料上加工孔的第一道工序，钻孔直径一般小于80mm。钻孔有两种方式:一种是旋转钻头；另一个是工件旋转。

以上两种钻孔方法产生的误差是不同的。在钻头旋转的钻孔方法中，当由于切削刃不对称和钻头刚性不足而使钻头偏斜时，被加工孔的中心线会歪斜或不直，但孔径基本保持不变。相反，当工件旋转时，钻头的偏差会引起孔径的变化，而孔的中心线仍然是直的。

两种钻孔方法

a)钻头旋转b)工件旋转

常用的钻孔工具有:麻花钻、中心钻、深孔钻等。其中最常用的是麻花钻，其直径规格为φ 0.1~80mm一个标准麻花钻的结构，其手柄是钻头的夹紧部分，用来传递扭矩；钻柄有两种:直柄和锥柄。前者用于小直径钻头，后者用于大直径钻头。

标准麻花钻的结构

a)锥柄b)直柄

由于结构限制，钻头的抗弯刚度和抗扭刚度较低，对中不良导致钻孔精度较低，只能达到IT13 ~ IT11。表面粗糙度也较大，Ra一般为50 ~ 12.5微米；而钻孔的金属去除率高，切削效率高。

钻孔主要用于加工质量要求不高的孔，如螺栓孔、螺纹底孔、油孔等。对于加工精度和表面质量要求较高的孔，在后续加工中要进行铰孔、扩孔、镗孔或研磨。

令

扩孔钻用于进一步加工钻孔、铸造或锻造的孔，以扩大孔径和提高孔的加工质量。铰孔可以作为精孔前的预处理，也可以作为要求不高的孔的最终加工。

令

扩孔钻类似于麻花钻，但它有更多的齿，没有十字刀片。

扩孔

与钻孔相比，扩孔具有以下特点:

(1)铰刀齿数多(3~8齿)，导向性好，切削稳定；

(2)铰刀没有十字刃，切削条件好；

(3)加工余量小，切屑槽可以做得浅一些，钻芯可以做得粗一些，刀体具有较好的强度和刚度。

铰孔精度一般为IT11~IT10，表面粗糙度Ra为12.5 ~ 6.3 μ m，铰孔常用于加工直径小于30mm的孔。钻大直径(D≥30mm)的孔时，常采用小钻头(直径为孔径的0.5~0.7倍)预钻，然后用相应尺寸的铰刀扩孔，可提高孔的加工质量和生产效率。

铰孔除了加工圆柱孔外，还可以用各种异形铰刀(也叫沉孔)加工各种沉孔和沉孔端面。锪孔钻的前端通常设有导向柱，由加工孔导向。

反钻

令

铰孔是孔的精加工方法之一，在生产中应用广泛。对于较小的孔，与内圆磨削和精镗相比，铰孔是一种经济实用的加工方法。

钻孔器

铰刀一般分为手动铰刀和机用铰刀。手动铰刀的手柄是直的，工作部分长，导向效果好。手铰刀分为整体式(图A)和外径可调的代数式(图B)。

机用铰刀可分为刀柄(图C，φ 1 ~ 20mm为直柄，φ 10 ~ 32为锥柄)和套筒(图D)。该铰刀不仅可以加工圆孔，还可以用锥形铰刀加工锥孔(图E)。

钻孔器

扩孔技术及其应用

铰削余量对铰削质量有很大影响。如果余量过大，铰刀负荷大，切削刃会很快变钝，不易获得光滑的加工表面，尺寸公差也不易保证。如果余量太小，无法去除前道工序留下的刀痕，自然不会提高孔的加工质量。一般粗铰余量为0.35~0.15mm，精铰余量为0.15~0.05mm

为了避免切屑堆积的形成，铰削通常以较低的切削速度进行(用高速钢铰刀加工钢和铸铁时V < 8m/min)。进给量与加工的孔径有关。孔径越大，进给量越大。高速钢铰刀加工钢和铸铁时，进给量通常为0.3 ~ 1 mm/r。

铰孔时，必须使用合适的切削液进行冷却、润滑和清洗，以防止切屑堆积的形成，并及时清除切屑。与磨削和镗削相比，铰削生产率高，容易保证孔的精度。但是铰孔并不能修正孔轴线的位置误差，孔的位置精度要靠前道工序来保证。铰孔不应用于加工阶梯孔和盲孔。

铰孔精度一般为IT9~IT7，表面粗糙度Ra一般为3.2 ~ 0.8 μ m，对于尺寸中等、精度要求高的孔(如IT7精密孔)，钻孔-铰孔-铰孔技术是生产中常用的典型加工方案。

钻孔

镗孔是用刀具扩大预制孔的一种加工方法。钻孔可以在镗床或车床上进行。

钻孔方法

镗孔有三种不同的加工方法。

(1)工件旋转，刀具做进给运动。

其工艺特点是:被加工孔的轴线与工件的回转轴线一致，孔的圆度主要取决于机床主轴的回转精度，孔的轴向几何误差主要取决于刀具进给方向相对于工件回转轴线的位置精度。这种镗孔方法适用于加工与外表面有同轴要求的孔。

工件旋转和刀具进给的镗孔方法

(2)刀具旋转，工件进给。

镗床主轴带动镗刀旋转，工作台带动工件进给。

(3)刀具旋转并进行进给运动。

采用这种镗削方法，镗杆的伸出长度发生变化，镗杆的应力和变形也随之变化。靠近主轴箱的孔径大，远离主轴箱的孔径小，形成锥形孔。另外，随着镗杆悬臂长度的增加，主轴因自重引起的弯曲变形也会增加，被加工孔的轴线也会相应弯曲。这种镗孔方法只适合加工短孔。

刀具旋转和进给的镗削方法

1-镗杆2-镗刀3-工件4-工作台5-主轴

高速精镗孔(金刚石镗孔)

与普通镗孔相比，金刚石镗孔的特点是背吃刀量小，切削速度快。可获得较高的加工精度(IT7~IT6)和光滑的表面(Ra 0.4~0.05μm)。金刚石镗孔最初是用金刚石镗刀加工，现在广泛使用硬质合金、CBN和人造金刚石刀具。主要用于加工有色金属工件，也可用于加工铸铁件和钢件。

金刚石镗削常用的切削参数如下:背切削预镗为0.2 ~ 0.6mm；终镗0.1mm进给速度为0.01-0.14毫米/转；加工铸铁时切削速度为100 ~ 250m/min；加工钢筋时150 ~ 300米/分钟；加工有色金属时300 ~ 2000米/分钟；

为了保证金刚石镗孔能达到较高的加工精度和表面质量，所用的机床(金刚石镗床)必须具有较高的几何精度和刚度。精密角接触球轴承或静压滑动轴承通常用于支撑机床的主轴，高速旋转部件必须精确平衡。另外，进给机构的运动必须非常平稳，这样才能保证工作台能够做出稳定的低速进给运动。

镗孔加工质量好，生产效率高，广泛应用于大批量生产中精密孔的最终加工，如发动机气缸孔、活塞销孔、机床主轴箱主轴孔等。但需要注意的是，用金刚石镗孔加工黑色金属制品时，只能使用硬质合金和CBN材质的镗刀，而不能使用金刚石材质的镗刀，因为金刚石中的碳原子与铁元素有很大的亲和力，刀具寿命短。

镗刀

镗刀可分为单刃镗刀和双刃镗刀。单刃镗刀(如图)的结构和车刀类似，只有一个主切削刃。用单刃镗刀镗孔时，操作者通过调整镗刀盘的位置来保证孔的尺寸。

单刃钻孔工具

a)通孔单刃镗刀b)盲孔单刃镗刀

双刃镗刀有两个对称的切削刃，相当于两个对称安装的车刀同时参与切削；孔尺寸的精度取决于镗刀本身的尺寸。图中所示的浮动镗刀是一种双刃镗刀。镗刀刀片插入镗杆的槽内，其位置由作用在两切削刃上的反作用力自动平衡，可消除镗刀安装误差或镗杆偏斜引起的误差。但类似于铰孔，只能保证尺寸精度，不能在铰孔前修正孔轴线的位置误差。

浮动镗刀

钻孔工艺特点及应用范围

与镗削-铰削-铰削工艺相比，镗削不受刀具尺寸的限制，镗削具有很强的纠错能力。通过多次走刀可以修正原有的孔轴线偏差误差，并保持钻孔和定位面的高位置精度。

与外圆镗削相比，镗削的加工质量和生产效率不如外圆镗削高，原因是刀杆系统刚性和变形差，散热排屑条件差，工件和刀具热变形大。

综上所述，通过分析可以看出，镗孔的加工范围很广，可以加工不同尺寸和精度等级的孔。对于直径较大、尺寸和位置精度要求较高的孔和孔系，镗孔几乎是唯一的加工方法。镗孔的加工精度为IT9~IT7。镗孔可以在镗床、车床、铣床等机床上进行。它具有灵活性的优点，在生产中应用广泛。在大批量生产中，为了提高镗孔效率，经常使用镗刀。

珩磨孔

珩磨原理和珩磨头

珩磨是一种用带研磨棒(油石)的珩磨头抛光孔的方法。珩磨时，工件是固定的，珩磨头由机床主轴带动旋转并做直线往复运动。珩磨时，研磨棒以一定的压力作用于工件表面，从工件表面切下一层很薄的材料，其切削轨迹呈十字网状。为了防止磨粒轨迹重复，珩磨头每分钟的转速和珩磨头每分钟的往复行程数应该是质数。

珩磨原理

a)成形运动b)砂带磨削轨迹的展开c)合成速度

珩磨轨迹的交角与珩磨头的往复速度和圆周速度有关，角度影响珩磨的质量和效率。为了排出破碎的磨粒和切屑，降低切削温度，提高加工质量，珩磨时应使用足够的切削液。

为了均匀地加工待加工孔的壁，砂棒的行程必须在孔的两端超过超程量。为了保证珩磨余量均匀，减少主轴回转误差对加工精度的影响，珩磨头与主轴之间多采用浮动连接。珩磨头磨杆径向伸缩调节有手动、气动、液压等结构形式。

珩磨技术的特点及应用范围

①珩磨可获得较高的尺寸精度和形状精度，加工精度为IT7~IT6，孔的圆度和圆柱度误差可控制在3 ~ 5μ m范围内，但珩磨不能提高被加工孔的位置精度。

②珩磨可以获得较高的表面质量，表面粗糙度Ra为0.2 ~ 0.025μ m，表面金属的变质缺陷层深度极小(2.5 ~ 25μ m)。

③与磨削速度相比，珩磨头的圆周速度不高(Vc=16~60m/min)，但由于砂带与工件的接触面积较大，往复速度相对较高(Va=8~20m/min)，因此珩磨仍具有较高的生产率。

珩磨广泛应用于大批量生产的发动机气缸孔和各种液压装置中的精密孔的加工，可以加工深径比大于10的深孔。但珩磨不适合加工塑性较大的有色金属工件上的孔，也不能加工带有键槽和花键孔的孔。

拉削

拉刀和拉刀

拉削是一种高生产率的精加工方法，它是在带有专用拉刀的拉床上进行的。拉床分为卧式拉床和立式拉床，卧式拉床最为常见。

拉削时，拉刀只做低速直线运动(主运动)。拉刀同时工作的齿数一般不应少于3个，否则拉刀工作不稳定，容易在工件表面产生环形波纹。为了避免拉削力过大而折断拉刀，拉刀工作时，工作刀齿数一般不超过6~8个。

拉孔有三种不同的拉削方法，如下所示:

1)分层拉削

这种拉削方法的特点是拉刀逐层依次切除工件的加工余量。为了便于断屑，刀齿上磨有十字形的分屑槽。根据分层拉削法设计的拉刀称为普通拉刀。

分层拉削

a)拉削模式b)切削零件齿形c)切屑

2)整体拉削

这种拉削方法的特点是被加工表面的每一层金属都被一组大小基本相同但相互交错的刀齿(通常每组由2-3个刀齿组成)切断。每个刀齿只切掉一层金属的一部分。由整体拉削设计的拉刀称为轮式拉刀。

3)综合拉削

这种方法结合了分层拉削和块拉削的优点，块拉削用于粗切削，分层拉削用于精切削。这不仅可以缩短拉刀长度，提高生产率，而且可以获得较好的表面质量。按综合拉削法设计的拉刀称为综合拉刀。

拉孔工艺的特点及适用范围

1)拉刀是一种多刃刀具，可以在一个拉削行程内完成孔的粗加工、精加工和精加工，生产效率高。

2)拉削的精度主要取决于拉刀的精度。正常情况下，拉削精度可达IT9~IT7，表面粗糙度Ra可达6.3 ~ 1.6 μ m。

3)拉孔时，工件靠被加工的孔本身定位(拉刀的前导部分是工件的定位元件)，拉孔时很难保证孔与其他表面的相互位置精度；对于内外圆面有同轴度要求的回转体零件的加工，往往是先画孔，再以孔为定位基准加工其他面。

4)拉刀不仅能加工圆孔，还能加工成形孔和花键孔。

5)拉刀是定尺刀具，形状复杂，价格高，不适合加工大孔。

大批量生产中常采用拉孔法在直径为φ10~80mm，孔深不超过5倍直径的中小型零件上加工通孔。

总结

钻削特点:刀具刚性差，排屑困难，切削热不易排出。

铰孔特点:①切削刃不必从外圆向中心延伸，避免了横刃及其硬气的影响；②由于ap小，切割窄，容易去除；同时，排屑槽可以做得更小更浅，增加了刀具的刚性；③生产率高，导向性好，切割稳定；④铰孔加工质量高于钻孔加工质量。

铰孔特点:刀具刚性好，导向性好，铰孔余量小，切削力小，Vc低，切削热低，减少了工件的发热和变形，可用于精加工。

另外，钻孔、铰孔、铰孔只能保证孔本身的精度，不能保证孔间距离的尺寸精度。这时候可以用夹具或者镗夹具来保证。