内孔表面加工方法和加工方案

2．孔径容易扩大。钻削时钻头两切削刃径向力不等将引起孔径扩大；卧式车床钻孔时的切入引偏也是孔径扩大的重要原因；此外钻头的径向跳动等也是造成孔径扩大的原因。 　　3．孔的表面质量较差。钻削切屑较宽，在孔内被迫卷为螺旋状，流出时与孔壁发生摩擦而刮伤已加工表面。 　　4．钻削时轴向力大。这主要是由钻头的横刃引起的。试验表明，钻孔时50%的轴向力和15%的扭矩是由横刃产生的。因此，当钻孔直径d﹥30mm时，一般分两次进行钻削。第一次钻出(0.5~0.7)d，第二次钻到所需的孔径。由于横刃第二次不参加切削，故可采用较大的进给量，使孔的表面质量和生产率均得到提高。

　　二、扩孔

　　扩孔是用扩孔钻对已钻出的孔做进一步加工，以扩大孔径并提高精度和降低表面粗糙度值。扩孔可达到的尺寸公差等级为IT11~IT10, 表面粗糙度值为Ra12.5~6.3μm，属于孔的半精加工方法，常作铰削前的预加工，也可作为精度不高的孔的终加工。

　　扩孔方法如图7－4所示，扩孔余量（D-d），可由表查阅，。扩孔钻的形式随直径不同而不同。直径为Φ10~Φ32的为锥柄扩孔钻，如图7－5a所示。直径Φ25~Φ80的为套式扩孔钻，如图7－5b所示。

　　扩孔钻的结构与麻花钻相比有以下特点：

　　1．刚性较好。由于扩孔的背吃刀量小，切屑少，扩孔钻的容屑槽浅而窄，钻芯直径较大，增加了扩孔钻工作部分的刚性。

　　2．导向性好。扩孔钻有3~4个刀齿，刀具周边的棱边数增多，导向作用相对增强。

　　3．切屑条件较好。扩孔钻无横刃参加切削，切削轻快，可采用较大的进给量，生产率较高；又因切屑少，排屑顺利，不易刮伤已加工表面。

　　因此扩孔与钻孔相比，加工精度高，表面粗糙度值较低，且可在一定程度上校正钻孔的轴线误差。此外，适用于扩孔的机床与钻孔相同。

　　三、铰孔

　　铰孔是在半精加工（扩孔或半精镗）的基础上对孔进行的一种精加工方法。铰孔的尺寸公差等级可达IT9~IT6，表面粗糙度值可达Ra3.2~0.2μm。

　　铰孔的方式有机铰和手铰两种。在机床上进行铰削称为机铰，如图7－6所示；用手工进行铰削的称为手铰，如图7－7所示。

　　铰刀一般分为机用铰刀和手用铰刀两种形式。如图7－8所示。

　　机用铰刀可分为带柄的（直径1~20mm为直柄，直径10~32mm为锥柄，如图7－8a、b、c所示）和套式的（直径25~80mm,如图7－8f所示）。手用铰刀可分为整体式（如图7－8d所示）和可调式（如图7－8e所示）两种。铰削不仅可以用来加工圆柱形孔，也可用锥度铰刀加工圆锥形孔（如图7－8g、h所示）。

　　1.铰削方式

　　铰削的余量很小，若余量过大，则切削温度高，会使铰刀直径膨胀导致孔径扩大，使切屑增多而擦伤孔的表面；若余量过小，则会留下原孔的刀痕而影响表面粗糙度。一般粗铰余量为0.15~0.25mm，精铰余量为0.05~0.15mm。铰削应采用低切削速度，以免产生积屑瘤和引起振动，一般粗铰=4~10m/min, 精铰 =1.5~5m/min。机铰的进给量可比钻孔时高3~4倍，一般可0.5~1.5mm/r。为了散热以及冲排屑末、减小摩擦、抑制振动和降低表面粗糙度值，铰削时应选用合适的切削液。铰削钢件常用乳化液，铰削铸铁件可用煤油。

　　如图7－9a所示，在车床上铰孔，若装在尾架套筒中的铰刀轴线与工件回转轴线发生偏移，则会引起孔径扩大。如图7－9b所示，在钻床上铰孔，若铰刀轴线与原孔的轴线发生偏移，也会引起孔的形状误差。

　　机用铰刀与机床常用浮动联接，以防止铰削时孔径扩大或产生孔的形状误差。铰刀与机床主轴浮动联接所用的浮动夹头如图7－10所示。浮动夹头的锥柄1安装在机床的锥孔中，铰刀锥柄安装在锥套2中，挡钉3用于承受轴向力，销钉4可传递扭矩。由于锥套2的尾部与大孔、销钉4与小孔间均有较大间隙，所以铰刀处于浮动状态。

　　2.铰削的工艺特点

　　（1）铰孔的精度和表面粗糙度主要不取决于机床的精度，而取决于铰刀的精度、铰刀的安装方式、加工余量、切削用量和切削液等条件。例如在相同的条件下，在钻床上铰孔和在车床上铰孔所获得的精度和表面粗糙度基本一致。

　　（2）铰刀为定径的精加工刀具，铰孔比精镗孔容易保证尺寸精度和形状精度，生产率也较高，对于小孔和细长孔更是如此。但由于铰削余量小，铰刀常为浮动联接，故不能校正原孔的轴线偏斜，孔与其它表面的位置精度则需由前工序或后工序来保证。

　　（3）铰孔的适应性较差。一定直径的铰刀只能加工一种直径和尺寸公差等级的孔，如需提高孔径的公差等级，则需对铰刀进行研磨。铰削的孔径一般小于Φ80mm，常用的在Φ40mm以下。对于阶梯孔和盲孔则铰削的工艺性较差。

　　四、镗孔、车孔

　　镗孔是用镗刀对已钻出、铸出或锻出的孔做进一步的加工。可在车床、镗床或铣床上进行。镗孔是常用的孔加工方法之一，可分为粗镗、半精镗和精镗。粗镗的尺寸公差等级为IT13~IT12，表面粗糙度值为Ra12.5~6.3μm；半精镗的尺寸公差等级为IT10~IT9，表面粗糙度值为Ra6.3~3.2μm；精镗的尺寸公差等级为IT8~IT7，表面粗糙度值为Ra1.6~0.8μm。

　　1．车床车孔

车床车孔如图7－11所示。车不通孔或具有直角台阶的孔（图7—11b），车刀可先做纵向进给运动，切至孔的末端时车刀改做横向进给运动，再加工内端面。这样可使内端面与孔壁良好衔接。车削内孔凹槽（图7—11d），将车刀伸入孔内，先做横向进刀，切至所需的深度后再做纵向进给运动。

　　车床上车孔是工件旋转、车刀移动，孔径大小可由车刀的切深量和走刀次数予以控制，操作较为方便。

　　车床车孔多用于加工盘套类和小型支架类零件的孔。

2．镗床镗孔 　　镗床镗孔主要有以下三种方式： 　　（1）镗床主轴带动刀杆和镗刀旋转，工作台带动工件做纵向进给运动，如图7－12所示。这种方式镗削的孔径一般小于120mm左右。图7－12a所示为悬伸式刀杆，不宜伸出过长，以免弯曲变形过大，一般用以镗削深度较小的孔。图7－12b所示的刀杆较长，用以镗削箱体两壁相距较远的同轴孔系。为了增加刀杆刚性，其刀杆另一端支承在镗床后立柱的导套座里。

　　（2）镗床主轴带动刀杆和镗刀旋转，并做纵向进给运动，如图7－13所示。这种方式主轴悬伸的长度不断增大，刚性随之减弱，一般只用来镗削长度较短的孔。

　　上述两种镗削方式，孔径的尺寸和公差要由调整刀头伸出的长度来保证，如图7－14所示。需要进行调整、试镗和测量，孔径合格后方能正式镗削，其操作技术要求较高。

　　（3）镗床平旋盘带动镗刀旋转，工作台带动工件做纵向进给运动。

　　图7－15所示的镗床平旋盘可随主轴箱上、下移动，自身又能做旋转运动。其中部的径向刀架可做径向进给运动，也可处于所需的任一位置上。

　　如图7－16a所示，利用径向刀架使镗刀处于偏心位置，即可镗削大孔。Φ200mm以上的孔多用这种镗削方式，但孔不宜过长。图7－16b为镗削内槽，平旋盘带动镗刀旋转，径向刀架带动镗刀做连续的径向进给运动。若将刀尖伸出刀杆端部，亦可镗削孔的端面。

　　镗床主要用于镗削大中型支架或箱体的支承孔、内槽和孔的端面；镗床也可用来钻孔、扩孔、铰孔、铣槽和铣平面。

　　3．铣床镗孔

　　在卧式铣床上镗孔与图7－12a所示的方式相同，镗刀杆装在卧式铣床的主轴锥孔内做旋转运动，工件安装在工作台上做横向进给运动。

　　4．浮动镗削

　　如上所述，车床、镗床和铣床镗孔多用单刃镗刀。在成批或大量生产时，对于孔径大（＞Φ80mm）、孔深长、精度高的孔，均可用浮动镗刀进行精加工。

　　可调节的浮动镗刀块如图7－17所示。调节时，松开两个螺钉2，拧动螺钉3以调节刀块1的径向位置，使之符合所镗孔的直径和公差。浮动镗刀在车床上车削工件如图7－18所示。工作时刀杆固定在四方刀架上，浮动镗刀块装在刀杆的长方孔中，依靠两刃径向切削力的平衡而自动定心，从而可以消除因刀块在刀杆上的安装误差所引起的孔径误差。

　　浮动镗削实质上相当于铰削，其加工余量以及可达到的尺寸精度和表面粗糙度值均与铰削类似。浮动镗削的优点是易于稳定地保证加工质量，操作简单，生产率高。但不能校正原孔的位置误差，因此孔的位置精度应在前面的工序中得到保证。

　　5．镗削的工艺特点

　　单刃镗刀镗削具有以下特点：

　　（1）镗削的适应性强。镗削可在钻孔、铸出孔和锻出孔的基础上进行。可达的尺寸公差等级和表面粗糙度值的范围较广；除直径很小且较深的孔以外，各种直径和各种结构类型的孔几乎均可镗削，如表7－1所示。

　　（2）镗削可有效地校正原孔的位置误差，但由于镗杆直径受孔径的限制，一般其刚性较差，易弯曲和振动，故镗削质量的控制（特别是细长孔）不如铰削方便。

　　（3）镗削的生产率低。因为镗削需用较小的切深和进给量进行多次走刀以减小刀杆的弯曲变形，且在镗床和铣床上镗孔需调整镗刀在刀杆上的径向位置，故操作复杂、费时。

　　（4）镗削广泛应用于单件小批生产中各类零件的孔加工。在大批量生产中，镗削支架和箱体的轴承孔，需用镗模。

　　五、拉孔 

　　拉孔是一种高效率的精加工方法。除拉削圆孔外，还可拉削各种截面形状的通孔及内键槽，如图7－19所示。拉削圆孔可达的尺寸公差等级为IT9~IT7，表面粗糙度值为Ra1.6~0.4μm。

　　1．拉削可看作是按高低顺序排列的多把刨刀进行的刨削，如图7－20所示。圆孔拉刀的结构如图7－21所示，其各部分的作用如下：

　　柄部是拉床刀夹夹住拉刀的部位。

　　颈部直径最小，当拉削力过大时，一般在此断裂，便于焊接修复。

　　过渡锥引导拉刀进入被加工的孔中。

　　前导部分保证工件平稳过渡到切削部分，同时可检查拉前的孔径是否过小，以免第一个刀齿负载过大而被损坏。

　　切削部分包括粗切齿和精切齿，承担主要的切削工作。

　　校准部分为校准齿，其作用是校正孔径，修光孔壁。当切削齿刃磨后直径减小时，前几个校准齿则依次磨成切削齿。

　　后导部分在拉刀刀齿切离工件时，防止工件下垂刮伤已加工表面和损坏刀齿。

　　卧式拉床如图7－22所示。床身内装有液压驱动油缸，活塞拉杆的右端装有随动支架和刀夹，用以支承和夹持拉刀。工作前，拉刀支持在滚轮和拉刀尾部支架上，工件由拉刀左端穿入。当刀夹夹持拉刀向左作直线移动时，工件贴靠在“支撑”上，拉刀即可完成切削加工。拉刀的直线移动为主运动，进给运动是靠拉刀的每齿升高量来完成的。

　　（1）拉削圆孔如图7－23所示。拉削的孔径一般为8~125mm，孔的长径比一般不超过5。拉前一般不需要精确的预加工，钻削或粗镗后即可拉削。若工件端面与孔轴线不垂直，则将端面贴靠在拉床的球面垫圈上，在拉削力的作用下，工件连同球面垫圈一起略为转动，使孔的轴线自动调节到与拉刀轴线方向一致，可避免拉刀折断。

　　（2）拉削内键槽如图7－24a所示。键槽拉刀呈扁平状，上部为刀齿。工件与拉刀的正确位置由导向元件来保证。拉刀导向元件(图7－24b)的圆柱1插入拉床端部孔内，圆柱2用以安放工件，槽3安放拉刀。

　　2．拉削的工艺特点

　　（1）拉削时拉刀多齿同时工作，在一次行程中完成粗精加工，因此生产率高。

　　（2）拉刀为定尺寸刀具，且有校准齿进行校准和修光；拉床采用液压系统，传动平稳，拉削速度很低（=2~8m/min），切削厚度薄，不会产生积屑瘤，因此拉削可获得较高的加工质量。

　　（3）拉刀制造复杂，成本昂贵，一把拉刀只适用于一种规格尺寸的孔或键槽，因此拉削主要用于大批大量生产或定型产品的成批生产。

　　（4）拉削不能加工台阶孔和盲孔。由于拉床的工作特点，某些复杂零件的孔也不宜进行拉削，例如箱体上的孔。

　　六、磨孔

　　磨孔是孔的精加工方法之一，可达到的尺寸公差等级为IT8~IT6，表面粗糙度值为Ra0.8~0.4μm。

　　磨孔可在内圆磨床或万能外圆磨床上进行，如图7－25所示。使用端部具有内凹锥面的砂轮可在一次装夹中磨削孔和孔内台肩面，如图7－26所示。

　　磨孔和磨外圆相比有以下不利的方面：

　　（1）磨孔的表面粗糙度值一般比外圆磨削略大，因为常用的内圆磨头其转速一般不超过20000r/min，而砂轮的直径小，其圆周速度很难达到外圆磨削的35~50m/s。

　　（2）磨削精度的控制不如外圆磨削方便。因为砂轮与工件的接触面积大，发热量大，冷却条件差，工件易烧伤；特别是砂轮轴细长、刚性差，容易产生弯曲变形而造成内圆锥形误差。因此，需要减小磨削深度，增加光磨行程次数。

　　（3）生产率较低。因为砂轮直径小，磨损快；且冷却液不容易冲走屑末，砂轮容易堵塞，需要经常修整或更换，使辅助时间增加。此外磨削深度减少和光磨次数的增加，也必然影响生产率。因此磨孔主要用于不宜或无法进行镗削、铰削和拉削的高精度孔以及淬硬孔的精加工。

七、孔的精密加工 　　1．精细镗孔 　　精细镗与镗孔方法基本相同，由于最初是使用金刚石作镗刀，所以又称金刚镗。这种方法常用于材料为有色金属合金和铸铁的套筒零件孔的终加工，或作为珩磨和滚压前的预加工。精细镗孔可获得精度高和表面质量好的孔，其加工的经济精度为IT7~IT6，表面粗糙度值为Ra0.4~0.05μm。 　　目前普遍采用硬质合金YT30、YT15、YG3X或人工合成金刚石和立方氮化硼作为精细镗刀具的材料。为了达到高精度与较小的表面粗糙度值，减少切削变形对加工质量的影响，采用回转精度高、刚度大的金刚镗床，并选择切削速度较高（切钢为200m/min；切铸铁为100m/min；切铝合金为300m/min），加工余量较小（约0.2~0.3mm），进给量较小（0.03~0.08mm/r），以保证其加工质量。精细镗孔的尺寸控制，采用微调镗刀头，图7－27所示的是一种带游标刻度盘的微调镗刀，刀杆4上夹有可转位刀片5，刀杆4上有精密的小螺距螺纹，刻度盘3的螺母与刀杆4组成精密的丝杠螺母副。微调时，半松开夹紧螺钉7，转动刻度盘3，因刀杆4用键9导向，因此刀杆只能作直线移动，从而实现微调，最后将夹紧螺钉锁紧。这种微调镗刀的刻度值可达0.0025mm。

　　2．珩磨

　　珩磨是用油石条进行孔加工的一种高效率的光整加工方法，需要在磨削或精镗的基础上进行。珩磨的加工精度高，珩磨后尺寸公差等级为IT7~IT6，表面粗糙度值为Ra0.2~0.05μm。

　　珩磨的应用范围很广，可加工铸铁件、淬硬和不淬硬的钢件以及青铜等，但不宜加工易堵塞油石的塑性金属。珩磨加工的孔径为Φ5~Φ500mm，也可加工L/D＞10的深孔，因此广泛应用于加工发动机的汽缸、液压装置的油缸以及各种炮筒的孔。

　　珩磨是低速大面积接触的磨削加工，与磨削原理基本相同。珩磨所用的磨具是由几根粒度很细的油石条组成的珩磨头。珩磨时，珩磨头的油石有三种运动：旋转运动、往复直线运动和施加压力的径向运动，如图7－28a所示。旋转和往复直线运动是珩磨的主要运动，这两种运动的组合，使油石上的磨粒在孔的内表面上的切削轨迹成交叉而不重复的网纹，如图7－28b所示。径向加压运动是油石的进给运动，施加压力愈大，进给量就愈大。

　　在珩磨时，油石与孔壁的接触面积较大，参加切削的磨粒很多，因而加在每颗磨粒上的切削力很小（磨粒的垂直载荷仅为磨削的1/50~1/100），珩磨的切削速度较低（一般在100m/min以下，仅为普通磨削的1/30~1/100），在珩磨过程中又施加大量的冷却液，所以在珩磨过程中发热少，孔的表面不易烧伤，而且加工变形层极薄，从而被加工孔可获得很高的尺寸精度、形状精度和表面质量。

　　为使油石能与孔表面均匀地接触，能切去小而均匀的加工余量，珩磨头相对工件有小量的浮动，珩磨头与机床主轴是浮动连接，因此珩磨不能修正孔的位置精度和孔的直线度，孔的位置精度和孔的直线度应在珩磨前的工序给予保证。

3．研磨 　　研磨也是孔常用的一种光整加工方法，需在精镗、精铰或精磨后进行。研磨后孔的尺寸公差等级可提高到IT6~IT5，表面粗糙度值为Ra0.1~0.008μm，孔的圆度和圆柱度亦相应提高。 　　研磨孔所用的研具材料、研磨剂、研磨余量等均与研磨外圆类似。 　　套筒零件孔的研磨方法如图7－29所示。图中的研具为可调式研磨棒，由锥度心棒和研套组成。拧动两端的螺母，即可在一定范围内调整直径的大小。研套上的槽和缺口，为在调整时研套能均匀地张开或收缩，并可存贮研磨剂。

　　研磨前，套上工件，将研磨棒安装在车床上，涂上研磨剂，调整研磨棒直径使其对工件有适当的压力，即可进行研磨。研磨时，研磨棒旋转，手握工件往复移动。

　　固定式研磨棒多用于单件生产。其中带槽研磨棒（如图7－30a）便于存贮研磨剂，用于粗研；光滑研磨棒（如图7－30b）一般用于精研。

　　壳体或缸筒类零件的大孔，需要研磨时可在钻床或改装的简易设备上进行，由研磨棒同时做旋转运动和轴向移动，但研磨棒与机床主轴需成浮动连接。否则当研磨棒轴线与孔轴线发生偏斜时，将产生孔的形状误差。

　　4．滚压

　　孔的滚压加工原理与滚压外圆相同。由于滚压加工效率高，近年来多采用滚压工艺来代替珩磨工艺，效果较好。孔径滚压后尺寸精度在0.01mm以内，表面粗糙度值为Ra0.16μm或更小，表面硬化耐磨，生产效率比珩磨提高数倍。

　　滚压对铸件的质量有很大的敏感性，如铸件的硬度不均匀、表面疏松、含气孔和砂眼等缺陷，对滚压有很大影响。因此，对铸件油缸不可采用滚压工艺而是选用珩磨。对于淬硬套筒的孔精加工，也不宜采用滚压。

　　图7－31所示为一加工液压缸的滚压头，滚压头表面的圆锥形滚柱3支承在锥套5上，滚压时圆锥形滚柱与工件有0.5°~1°的斜角，使工件能逐渐弹性恢复，避免工件孔壁的表面变粗糙。

　　孔滚压前，通过调节螺母11调整滚压头的径向尺寸，旋转调节螺母可使其相对心轴1沿轴向移动，向左移动时，推动过渡套10、推力轴承9、衬套8及套圈6经销子4，使圆锥形滚柱3沿锥套的表面向左移，结果使滚压头的径向尺寸缩小。当调节螺母向右移动时，由压缩弹簧7压移衬套，经推力轴承使过渡套始终紧贴在调节螺母的左端面，当衬套右移时，带动套圈，经盖板2使圆锥形滚柱也沿轴向右移，使滚压头的径向尺寸增大。滚压头径向尺寸应根据孔滚压过盈量确定，通常钢材的滚压过盈量为0.1~0.12mm，滚压后孔径增大0.02~0.03mm。

　　径向尺寸调整好的滚压头，在滚压加工过程中圆锥形滚柱所受的轴向力经销子、套圈、衬套作用在推力轴承上，最终经过渡套、调节螺母及心轴传至与滚压头右端M40×4螺纹相连的刀杆上。滚压完毕后，滚压头从孔反向退出时，圆锥形滚柱受一向左的轴向力，此力传给盖板2经套圈、衬套将压缩弹簧压缩，实现向左移动，使滚压头直径缩小，保证滚压头从孔中退出时不碰坏已滚压好的孔壁。滚压头从孔中退出后，在弹簧力作用下复位，使径向尺寸又恢复到原调数值。

　　滚压用量：通常选用滚压速度v=60~80m/min；进给量f=0.25~0.35mm/r；切削液采用50﹪硫化油加50﹪柴油或煤油。

　　八、孔加工方案及其选择

　　以上介绍了孔加工的常用加工方法、原理以及可达到的精度和表面粗糙度。但要达到孔表面的设计要求，一般只用一种加工方法是达不到的，而是往往要由几种加工方法顺序组合，即选用合理的加工方案。表3-15所示为孔的加工方案。选择加工方案时应考虑零件的结构形状、尺寸大小、材料和热处理要求以及生产条件等。

　　例如表3-15中序号5“钻－扩－铰”和序号8“钻－扩－拉”两种加工方案能达到的技术要求基本相同，但序号8所示的加工方案应该在大批大量生产中采用较为合理。再如序号11“粗镗（扩）－半精镗（精扩）－精镗（铰）”和序号13“粗镗（扩）－半精镗－磨孔”两种加工方案达到的技术要求也基本相同，但如果内孔表面经淬火后只能用磨孔方案（即序号13），而材料为有色金属时以采用序号11所示方案为宜，如未经淬硬的工件则两种方案均能采用，这时可根据生产现场设备等情况来决定加工方案。又如序号16中所示了三种加工方案，如为大批大量生产则可选择“钻－（扩）－拉－珩磨”的方案，如孔径较小则可选择“钻－（扩）－粗铰－精铰－珩磨”的方案，如孔径较大时则可选择“粗镗－半精镗－精镗－珩磨”的加工方案。