機械零件越來越復雜，零件對深孔加工的需求日益增多，這在模具制造業中尤為突出(如模具頂出孔和冷卻水道孔的加工)。有關資料顯示，孔加工約占整個機械加工的30%，而深孔加工又占到孔加工的40%以上，其中有22%是實心料的加工。在刀具生產行業，世界各國每年生產的用于孔加工的鉆頭占整個刀具行業的60%。在29個制造行業中，至少有50%對深孔加工及其設備有直接需求，1/3以上有迫切需求。但是，我國深孔加工技術的發展和普及比歐洲等發達******至少落后近30年，90%的深孔加工裝備都依賴進口，擁有自主知識產權和核心技術的高端產品不足10%。發展和推廣深孔加工技術直接關系到我國機械產品的生產效率和質量。

1  深孔加工常用方法

在機械制造業，孔加工一般按孔的長徑比分為淺孔加工和深孔加工。由于傳統的孔加工普遍采用標準麻花鉆，因此根據麻花鉆的直徑d0、螺旋角β和螺旋槽導程P之間的關系，將長徑比＞5的孔稱為深孔。在近現代，隨著科技發展以及孔加工方式的增加，淺孔與深孔之間已經沒有明確的界限。人為地將孔加工按孔的長徑比進行劃分，主要是為了便于選擇刀具和選用工藝。對于淺孔加工，可以用麻花鉆鉆削、激光加工、電火花加工、線切割加工等多種方式來實現。由于淺孔的長徑比小，加工比較容易，因此可選擇的加工方法也較多。但對于深孔或超長深孔(一般定義為長徑比＞10的孔)的加工，可選擇的加工方法明顯減少。深孔加工刀具可按排屑方式分為內排屑和外排屑兩大類，外排屑刀具包括槍鉆、深孔扁鉆、深孔麻花鉆等；內排屑刀具因所用加工系統不同，分為BTA深孔鉆系統、噴吸鉆系統和DF深孔鉆系統。

深孔麻花鉆是目前***常用的深孔加工刀具，由于其應用的廣泛性，大量國內學者對其進行了研究，大致包含以下四個研究方向：①麻花鉆鉆尖結構的研究。例如：A.S.Salama和A.H.Elsawy研究了雙平面鉆尖的動態幾何結構，分析了進給速度對雙平面鉆尖切削刃關鍵角度參數的影響。李信能研究了平面鉆尖的加工方法，建立了刃磨單平面和雙平面鉆尖的數學模型。②麻花鉆螺旋槽結構的研究。例如：Kaldor S.等研究了加工螺旋槽時的刀具截面輪廓和砂輪截面輪廓設計問題，給出了正問題和反問題的明確定義，即正問題是給定砂輪軸截面形狀，求解螺旋槽橫截面形狀；反問題則是給定螺旋槽截面形狀，求解砂輪軸截面形狀。劉彬從切屑的卷曲、流出兩個方面對麻花鉆螺旋槽的優化設計方法進行了探討性研究，提出一種排屑順暢的麻花鉆刃型設計方案。③麻花鉆橫刃修磨的研究。橫刃修磨能顯著減小軸向鉆削力，提高進給量，其主要修磨型式有R型修磨、X型修磨、N型修磨、S型修磨、杯型修磨和無橫刃型修磨等幾種方式。④深孔麻花鉆的結構研究。原江西量具刃具廠曾開發了一種深孔加工拋物線麻花鉆，該鉆頭的螺旋槽型由拋物線和圓弧旋轉而成，無刃背，容屑槽寬，采用大螺旋角和無錐度的厚鉆芯。雖然深孔麻花鉆的發展已經達到成熟階段，但由于加工深度受到制約，深孔麻花鉆還無法完成小直徑超長深孔的加工。

另一種常用的深孔加工方式是內排屑加工系統，但由于切屑要通過刀具內部空腔排出，因此刀具直徑偏大，一般用于加工Φ18mm以上的孔。因此，對于長徑比＞10，直徑小于20mm的小直徑深孔，槍鉆幾乎是*********有效的加工刀具，而且長徑比越大，槍鉆的優勢越明顯。如圖1所示，槍鉆可分為單溝槍鉆和雙溝槍鉆兩種類型。槍鉆由頭部、鉆桿、鉆柄三部分組成，一般采用整體硬質合金結構，或鉆頭采用硬質合金，鉆桿用鋼管軋制而成，然后將鉆頭和鉆桿無縫焊接到一起。槍鉆的鉆尖形狀復雜，幾何參數也較多，槍鉆內部有冷卻液輸入孔，外部有一條貫穿前后的V形槽。隨著機械制造業的發展，對小直徑深孔的加工需求急劇增加，而槍鉆在小直徑深孔加工中有著其它刀具無法替代的優勢，所以槍鉆在機械制造業日益受到重視。

2  鈦合金切削加工性能研究

鈦合金是以鈦為基礎，加入其它合金元素構成的一種金屬間化合物結構材料。該材料的特點是：比強度高，熱強性高，抗蝕性好，化學活性大，導熱性能差，彈性模量小；切削加工時彈性變形大，切削溫度高，單位面積切削力大，高溫時表面易硬化，粘刀現象嚴重。

早在上世紀中葉，歐美發達******就圍繞鈦合金加工開展了大量研究，包括刀具磨損、切削機理、切削力、切屑形態等。Lockheed公司***早嘗試在6-220m/min速度范圍內進行鈦合金銑削試驗。Michigan大學對三種鈦合金進行了銑削試驗，以提高鈦合金的材料去除率，并通過試驗研究了高速銑削的加工振動問題。Jawaid等通過試驗研究了鈦合金Ti-6246的刀具磨損。結果表明，細晶粒刀具或經過研磨的刀具耐磨性能較好。Nouari和Iordanoff用離散元法分析了切削鈦合金的刀具磨損。研究表明，運用離散元法可有效幫助控制刀屑接觸。Komanduri***早對鈦合金的切削機理進行研究，通過研究正交切削鈦合金時的切屑變形，提出了著名的鋸齒狀切屑突變剪切失穩理論。Huriung對鈦合金加工中的刀具磨損機理進行了深入研究，指出WC-Co 基硬質合金刀具和PCD刀具中的碳會與鈦合金切屑在界面處發生反應，生成TiC 界面層，當擴散速率受到TiC界面反應層的阻隔后，將減緩刀具的磨損。他還指出，穩定的 TiC 界面層將有助于減緩這兩種刀具的磨損。

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圖1  槍鉆結構

我國對鈦合金切削性能的研究要晚于西方發達******，但經過國內高校和科研院所的努力，已經取得了很多研究成果。南京航空航天大學王珉首先對銑削加工鈦合金的刀具磨損機理進行了深入研究，指出低速銑削時以粘結撕裂磨損為主，高速銑削時主要為擴散磨損。何寧等基于綠色切削理念，用硬質合金刀具進行了高速銑削鈦合金的單因素試驗，得出了徑向切深、軸向切深、每齒進給量和銑削速度對銑削力的影響規律，并比較分析了干銑削、氮氣油霧和空氣油霧介質下銑削力的變化特點。西北工業大學的史興寬和上海交通大學的陳明等研究了在高速銑削和普通銑削條件下，鈦合金TC4材料的加工表面完整性，指出高速銑削對提高加工效率、改善加工表面完整性******有益。山東大學石磊從化學、物理和力學性能三個方面對刀具材料與鈦合金的性能匹配進行了研究，并通過Ti-6Al-4V鈦合金的銑削試驗加以驗證，建立了鈦合金切削刀具選擇系統模型。

雖然我國對鈦合金切削性能的研究有了很大進展，但大部分集中在對鈦合金銑削性能的研究，而對鈦合金深孔槍鉆加工性能研究甚少。鈦合金深孔槍鉆加工的刀具磨損機理、加工質量狀況、加工效率等都有待進一步深入研究。

3  槍鉆研究現狀

槍鉆加工技術***早出現在軍工行業，直到20世紀中葉，出于******建設和經濟發展的需求，日、歐、美率先將一批軍用技術轉移到民用企業，用于民品生產，槍鉆也從此被人們廣泛知曉和應用。此后，國內外很多高校和科研院所都圍繞槍鉆加工展開了一系列研究，包括槍鉆結構研究、槍鉆加工工藝研究、槍鉆振動鉆削研究以及槍鉆加工穩定性研究，并取得了豐碩的研究成果。

(1)槍鉆結構的研究

槍鉆刀具角度復雜，主要包括內刃鋒角(也稱為內刃余偏角或內角)、外刃鋒角(也稱為外刃余偏角或外角)、外刃******后角、外刃第二后角、內刃后角、刀尖角、導流面后角等。每一個角度的變化都會對切削力產生影響，進而影響刀具的壽命和加工質量。所以，從槍鉆的結構出發，研究槍鉆的刀具壽命和加工質量具有重要意義。

Osman和Chahil通過開放的液壓回路系統研究了槍鉆鉆尖與V型槽接觸面處的截面形式對加工質量的影響，提出了單孔、雙孔、腰型孔三種截面形式。并指出，與其他兩種截面形式相比，雙孔截面形式的液壓損失***小。隨后，Astakhov等開發了一種可以測出孔底部切削液壓力的封閉液壓回路裝置，并通過試驗，闡釋了孔底幾何形狀對鉆尖附近的冷卻液壓力有極大影響，而孔底幾何形狀取決于鉆頭的幾何形狀。K.S.Woon等研究了薄壁深孔加工中槍鉆刀刃圓角半徑對孔的直線度的影響，提出了集切削力、鉆孔偏差、薄壁變形以及過程運動學于一體的機械模型，建立了研究薄壁深孔槍鉆加工的理論基礎。Dirk Biermann等以槍鉆刃形為研究對象，通過對比試驗，揭示了單刃深孔鉆切削刃的形狀對深孔鉆削過程的影響，包括對刀具磨損、刀具負載以及孔的質量的影響。大連工業大學的李元坤通過槍鉆的磨損試驗和扭矩試驗，研究得出了***優的導流面名義后角參數，并引入了沖擊壓力損失的概念，建立了底面凈隙區內的冷卻液流動模型。首次提出了壓力不平衡度的概念，并將其作為槍鉆設計中必須考慮的影響因素之一。大連工業大學的張偉等以鈦合金為加工對象，改進了深孔鉆削工藝，調整了刀具的幾何參數。為了提高槍鉆的強度，將槍鉆的后角由15°減小到12°，并在刀具其它參數不變的情況下，通過實驗對比了改進前后的刀具壽命，實驗結果顯示，改進后的刀具壽命顯著增加。湖南大學的張秋麗分析了槍鉆的受力狀態，并結合槍鉆的結構特點，基于切削原理和微刀具理論，建立了平面型后刀面槍鉆的鉆削力數學模型，為預測槍鉆的鉆削力提供了理論參考，同時也為槍鉆的優化設計提供了新的設計方法。

從國內外目前的研究情況來看，對槍鉆結構的研究并不完善，且大部分研究都是對試驗結果的分析，缺乏相應的理論支撐。在對刀具結構進行調整時，很大一部分是在特定的加工環境下，依據加工經驗進行判斷，導致研究結果不夠******。

(2)槍鉆加工工藝的研究

目前對槍鉆加工工藝的研究主要集中在切削速度、進給速度等切削用量以及油壓對加工質量的影響上，其中對油壓的研究相對較少，對切削參數的研究占絕大多數。

Astakhov等研究了在刀具運動、工件靜止的情況下，槍鉆入鉆喇叭口的形成原理。并從槍鉆鉆入的穩定性入手，分析了從鉆尖接觸工件到鉆頭完全鉆入工件的過程，剖析了各方面因素(如支撐面位置、導向套、刀具角度等)對鉆入穩定性的影響，并對提高槍鉆鉆入的穩定性提出了合理化建議。Astakhov和Galitsky等還研究了槍鉆工藝參數(切削速度、進給量)和幾何參數對刀具壽命的影響，通過對實驗數據的分析，得出了***佳的工藝參數和刀具幾何參數，并指出刀具壽命并非只受單個因素的影響，而是所有工藝參數和幾何參數綜合作用的結果。大連工業大學的潘宇豪等以不銹鋼的槍鉆加工為研究對象，通過實驗得出了***優切削參數，并對比了標準型槍鉆、雙外刃槍鉆、帶斷屑槽的單外刃槍鉆三種槍鉆在***優切削參數下的加工性能。天津大學的杜云芝通過有限元分析，建立了槍鉆和麻花鉆的三維模型，用有限元法動態模擬了鉆削加工過程，驗證了鉆削過程動態有限元模擬的可行性，并對比了不同鉆速下兩種鉆頭加工過程中的應力、應變場、溫度分布、材料流動以及切屑成形，進而間接分析了其垂直度的差別。華南理工大學的梁浩文通過實驗，研究了槍鉆加工工藝以及轉速對工件質量的影響，包括工件的出入口直徑差、孔徑偏差、圓度、軸線偏差等，指出在進給速度、冷卻液壓力一定的情況下，隨著槍鉆鉆速的增加，刀具的振動變大，出入口的直徑差增大，而出入口的軸線偏差和圓度隨鉆速的增加波動較小。上海工具廠的胡江林和大連工業大學的張偉針對切削銀銅合金時不易斷屑的問題，對加工參數進行了優化，分別采用兩種鉆速、四種進給量進行了試驗，通過研究切屑的形狀和變形系數，得出了合理的切削速度和進給量范圍。張文強等根據槍鉆在加工過程中避硬趨軟的特點，研究了薄壁深孔的加工工藝，通過對加工過程中切削力的分析，提出了四種改善薄壁深孔加工中孔軸線偏斜問題的加工方法。孫慶等對槍鉆的冷卻系統進行了分析，根據計算公式和經驗數據，重新優化設計了槍鉆加工冷卻系統，為在普通車床上進行槍鉆深孔加工提供了更合理的冷卻加工系統。

分析已有的對槍鉆加工工藝的研究發現，絕大部分研究成果都建立在實驗基礎之上，對內在機理的研究與分析相對較少，且研究的加工工藝大多是針對特定的工件材料，不能適用于所有材料的加工，更缺少具有參考價值的、與材料相匹配的工藝參數。

(3)槍鉆振動切削的研究

振動鉆削是振動切削的一個分支，它與普通鉆削的區別在于：振動鉆削在鉆頭(或工件)正常進給的同時，對鉆頭(或工件)施加某種有規律的振動，使鉆頭在振動中切削，形成脈沖式的切削力波形，使切削用量按某種規律變化，以達到改善切削效能的目的。

振動鉆削理論首先由日本宇都宮大學的隈部淳一郎提出，他率先對超聲振動鉆削的加工機理進行了研究，他在其著作《精密加工振動切削(基礎與應用)》中提出了鉆頭的靜止化和剛性化理論。此后，美國學者W.Hansen對低頻振動鉆削進行了研究，提出了低頻振動鉆削的概念與方法，并研制了安裝在自動車床上，用凸輪控制的機械式軸向振動鉆削裝置，實驗研究發現，低頻振動鉆削可以減少鉆頭燒傷，提高鉆頭壽命，加快排屑過程以及提高孔的位置精度。西安理工大學的薛萬夫等通過理論分析和試驗驗證，給出了斷屑區域圖和鉆頭動態后角計算圖，利用該圖可以方便地選擇振動鉆孔的工藝參數和合理的刀具角度，并指出，只要恰當地選擇振動參數及其與切削用量的匹配關系，在適用范圍內無論加工何種材抖，采用何種刀具角度，都能根據需要隨意控制切屑的大小和形狀，從而實現切屑的自主控制。西安石油大學的劉戰鋒等在DF振動鉆削系統上采用槍鉆對35CrMo材料進行了超細長深孔低頻振動鉆削與普通鉆削的對比實驗，比較了兩種不同加工方式獲得的工件質量，包括工件的擴孔量、粗糙度、直線度和圓度，驗證了只要匹配的工藝參數合理，采用低頻振動鉆削得到的各項工藝參數均優于普通鉆削。華中理工大學的李偉用偏心機械扭轉振動槍鉆對鋁合金進行了鉆削實驗，證明振動槍鉆可以減小刀具鉆削力，提高工件表面質量。青島大學的茍琪和西安理工大學的李云芳通過對振動斷屑的理論分析，根據振動波形干涉得出了理論斷屑條件和理論斷屑區域圖，并指出，振動鉆孔斷屑是由間斷切削過程造成的。他們還定量分析了間斷切削過程中的空切角度、空切時間對斷屑的影響，并通過試驗驗證了用空切理論分析斷屑的正確性。北京航空航天大學李振東等由理論公式推導繪制出理論上的振動斷屑區域圖，并通過實驗，對振動斷屑區域圖進行了驗證。中北大學的房嘉賡以深孔振動鉆削技術中的軸向振動鉆削為研究對象，對其加工時產生的軸向力和扭矩預測進行了研究。運用計算機數值模擬分析軟件Deform-3D，根據軸向振動鉆削的關鍵技術，建立了槍鉆軸向振動鉆削硬鋁合金的有限元模型，實現了對該技術的有限元動態模擬，為振動鉆削技術的研究提供了有限元仿真方法。

雖然振動鉆削理論在上世紀50年代就已提出，并且迄今已取得了大量研究成果，但有關振動鉆削在槍鉆深孔鉆削中的研究與應用卻比較少。在振動鉆削加工中，對不同的工件材料和尺寸應采用何種振動方式(自由振動、自激振動或受迫振動)和什么樣的振動頻率(低頻振動或高頻振動)，目前尚無明確的定義。

(4)槍鉆加工穩定性的研究

槍鉆加工的穩定性直接影響工件的加工質量及刀具的使用壽命。雖然影響加工穩定性的因素很多，但追根究底是由切削力的變化造成的。迄今為止，對加工穩定性的研究大多集中在對加工過程中產生的顫振進行分析，以及研究輔助加工工具(如導向條、導向套、鉆桿支撐架等)對加工穩定性的影響。

Alexander M.Gouskov等研究了槍鉆加工過程中的非線性彎曲振動與扭轉振動，將槍鉆簡化為受橫向振動和軸向振動的連續梁模型來進行分析，并結合連續切削與斷續切削理論，提出了新的彎曲扭轉耦合振動鉆削模型，為研究槍鉆的振動鉆削提供了理論依據。Tarng和Li基于ART2神經網絡方法開發了一種顫振識別系統，并通過試驗證實該系統可有效檢測出加工顫振，該系統是根據軸向力隨時間的變化來判別是否產生顫振。西安工業大學白萬民以槍鉆為研究對象，根據機床的回轉精度和進給精度、工件材料、機床的三點一線、鉆桿的剛度等，分析了刀具在加工時的受力狀況，并用有限元法推導出中心線偏移量的計算公式。中北大學鄭志群等基于轉子系統動力學、機床顫振的非線性理論、深孔加工系統的非線性動力學等，建立并分析了槍鉆加工小直徑深孔的動力學模型，從而得到槍鉆加工系統的動力學方程，并用MATLAB軟件求解方程，為小直徑深孔鉆削的穩定性分析建立了理論基礎。中北大學的段曉奎和魏旭民針對深孔鉆削加工中出現的顫振問題，分析了金屬切削加工中顫振產生的機理，研究了磁流變液材料的原理、磁流變效應的機理和磁流變液減振器的設計原理，提出利用磁流變液來抑制顫振的發生，并給出了基于BP神經網絡PID控制的深孔加工磁流變液減振器控制算法。

目前加工穩定性的研究主要集中在車削和銑削領域，對鉆削穩定性的研究相對較少。在研究鉆削加工穩定性時，幾乎都是采用麻花鉆或BTA深孔鉆作為研究對象，并且忽略了過程阻尼對切削加工穩定性的影響。因此，結合過程阻尼的形成機理及其對加工穩定性的影響，以槍鉆為對象進行鉆削穩定性的研究，對提高槍鉆一次加工成形質量具有重要意義。

小結

盡管隨著制造業的發展，在各國研究人員的共同努力下，槍鉆加工技術有了質的飛躍，但要使槍鉆加工技術在民用制造業得到普及應用，還有許多工作要做。此外，對槍鉆加工的研究還存在以下一些問題：

(1)與車削和銑削加工相比，目前對鉆削加工的研究總體上還比較少。車削和銑削的研究從切削理論到實際應用都已達到成熟階段，而鉆削的研究還不夠成熟，且鉆削理論和工藝試驗90％都是以麻花鉆為研究對象。而對深孔加工的研究，絕大部分都是采用內排屑深孔鉆，對槍鉆的研究只占其中很少一部分。因此，加強對深孔槍鉆加工的研究，對其發展與應用具有重要意義。

(2)對槍鉆加工的研究，無論是研究刀具壽命，還是研究切削用量或刀具參數等，大多是從切削試驗出發，根據實際加工狀況、切屑形態、刀具磨損等進行直觀判斷，缺乏一套完整的理論作為支撐。因此，揭示槍鉆加工的內在機理和規律顯得尤為重要。

(3)對槍鉆加工切削用量的研究較少，且目前對切削用量的研究大多是針對特定的加工材料，對于常用工件材料，尚未給出具體的、定量的***優化切削參數，或直接建立可供加工人員選用的匹配參數表，這就導致深孔槍鉆加工推廣困難，在加工新的材料時，需要花費大量時間來確定***優切削用量。

(4)在斷屑臺或斷屑槽是否可應用于槍鉆斷屑的問題，國內外基本上很少研究。槍鉆加工中的可靠斷屑一直是一個加工難題，它對刀具壽命和孔的表面質量有直接的影響。對這一問題的深入研究，將大幅提高槍鉆一次加工的精度，從而減少后續加工工序。

(5)由于槍鉆自身的結構特點，在加工大長徑比深孔時，鉆桿的振動不可避免。但是，目前對鉆桿穩定性的研究并不多見，如何***大限度地減小加工過程中的鉆桿振動是槍鉆研究的又一重點。

(6)槍鉆的刀頭結構參數是影響其加工性能***直接的要素。目前的研究表明，改變刀頭結構參數或多或少會對加工質量產生影響，但影響的程度和規律還需要加以研究和分析。對于特定材料的加工，目前只能給出刀具幾何參數的大概范圍，具體數值仍需用戶根據實際加工情況來決定，因此，對刀頭結構參數進行深入研究，實現工件材料與切削參數的合理匹配對于槍鉆加工技術的發展至關重要。

原載《工具技術》  作者：李亮