深孔加工技術(shù)最早應(yīng)用于軍工生產(chǎn)領(lǐng)域，主要用于加工槍管、炮管的內(nèi)孔。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技創(chuàng)新的推動(dòng)該技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，幾乎涉及到所有的機(jī)械制造業(yè)，重點(diǎn)是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，特別是在航空航天制造業(yè)。涉及的領(lǐng)域深孔加工內(nèi)容越來(lái)越多，技術(shù)難度也越來(lái)越高，如導(dǎo)彈機(jī)翼模具上的測(cè)溫孔、各類(lèi)飛機(jī)上的作動(dòng)筒內(nèi)孔等等。這就形成了多行業(yè)對(duì)現(xiàn)代深孔加工工藝及其關(guān)鍵技術(shù)迫切需求的局面，為此，深入開(kāi)展新型深孔加工技術(shù)及其裝置的研究與創(chuàng)新，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)必將產(chǎn)生重大影響。

在機(jī)械制造中，孔加工可分為淺孔加工和深孔加工兩大類(lèi)，一般長(zhǎng)徑比L/D<5（L為孔深，D為孔直徑）的孔稱(chēng)為淺孔，L/D>50的孔稱(chēng)為深孔，L/D>100的孔稱(chēng)為超深孔。眾所周知，深孔加工是機(jī)械加工領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支，同時(shí)深孔加工動(dòng)力學(xué)理論也是機(jī)械加工研究的一個(gè)重要課題，已被許多國(guó)家的學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。

本文從鉆桿的力學(xué)行為、深孔加工過(guò)程、深孔鉆削的監(jiān)控等方面綜述了深孔加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，從而介紹了深孔加工機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀，指出了其中存在的技術(shù)問(wèn)題，并展望了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

深孔加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

最早的深孔加工技術(shù)出現(xiàn)在軍事工業(yè)中槍管、炮管的加工中，后來(lái)隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種新型的深孔加工技術(shù)。它們分別是槍鉆（圖1（a））、BTA鉆孔（圖1（b））、噴吸鉆孔（圖1（c））和DF鉆孔系統(tǒng)（圖1（d））。

槍鉆系統(tǒng)主要用于小直徑（φ2~ф30 mm）孔的加工，是最常見(jiàn)的深孔鉆加工方法，適用于中小型批量生產(chǎn)。

BTA鉆削系統(tǒng)主要用于直徑ф>12mm的深孔鉆削，是大批量、高負(fù)荷連續(xù)深孔加工的首選。

吸力鉆孔系統(tǒng)是一種高效的深孔加工方法，但加工孔的直徑不能小于18毫米。

DF鉆孔系統(tǒng)綜合了BTA鉆孔系統(tǒng)和吸力鉆孔系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，鉆孔直徑范圍更廣（最小可達(dá)φ6mm），加工精度和效率更高。

1.鉆桿的力學(xué)行為

臺(tái)灣國(guó)立交通大學(xué)秦繼華教授利用哈密頓原理，在考慮切削液及流體中軸向壓力影響的Timoshenko及Euler-Bernoulli梁模型基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出深孔鉆桿的運(yùn)動(dòng)方程，并對(duì)旋轉(zhuǎn)及非旋轉(zhuǎn)鉆桿以?xún)煞N不同方式添加隨機(jī)激勵(lì)，研究鉆桿的動(dòng)力學(xué)行為，為鉆桿動(dòng)力學(xué)研究的國(guó)際領(lǐng)先地位之一；對(duì)旋轉(zhuǎn)及非旋轉(zhuǎn)鉆桿以不同方式添加隨機(jī)激勵(lì)，研究鉆桿的動(dòng)態(tài)特性，為鉆桿動(dòng)力學(xué)研究的國(guó)際領(lǐng)先地位。

FUJJ和EMA等觀察了深孔鉆削過(guò)程中鉆桿系統(tǒng)的渦流行為，指出這種渦流行為是一種由切削力和摩擦引起的自激振動(dòng)。

BAYLY等通過(guò)理論分析與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，對(duì)鉆桿系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行了分析，詳細(xì)研究了刀具振動(dòng)頻率的分布范圍以及穩(wěn)定性準(zhǔn)則，指出深孔加工過(guò)程中鉆桿系統(tǒng)存在明顯的非線性特性。

首次利用KOVAC-IC建立了深孔加工鉆削系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)采用不同的刀具前角、剪切角和進(jìn)給量對(duì)刀具顫動(dòng)進(jìn)行了理論分析。

2.深孔加工工藝研究

在深孔加工工藝方面，中北大學(xué)的王軍教授于1980世紀(jì)XNUMX年代發(fā)明了SIED（單管內(nèi)排屑噴射鉆）技術(shù)，解決了內(nèi)排屑深孔鉆無(wú)法鉆削小直徑深孔的問(wèn)題，并改進(jìn)了DF鉆的容屑槽設(shè)計(jì)。DF鉆的容屑槽設(shè)計(jì)得到改進(jìn)，鉆頭切削部分不設(shè)斷屑槽，刀具重磨方便，加工性能好。

西安石油大學(xué)的彭海、張敏，大連交通大學(xué)的史志輝，以及國(guó)外的BTASDELENB2、Arup Kuar NANDI、R HEINEMANN9等探討了孔加工的綠色加工技術(shù)(干式或準(zhǔn)干式深孔加工)。

隨著各種深孔鉆在各行業(yè)的推廣應(yīng)用，日本、德國(guó)、瑞典、美國(guó)等國(guó)家在深孔加工技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。

美國(guó)ATI Stellram刀具公司專(zhuān)門(mén)從事難加工材料切削刀具的開(kāi)發(fā)，在國(guó)際難加工材料切削刀具材料開(kāi)發(fā)領(lǐng)域處于最前線。

瑞典Sandvik-Cotomant公司對(duì)直徑3mm以上的BTA深孔鉆的系列化、其減振刀具也處于世界領(lǐng)先水平。

德國(guó)BOTEK公司的槍鉆規(guī)格已標(biāo)準(zhǔn)化為φ0.9～φ50mm。

3.深孔鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)研究

由于深孔加工的長(zhǎng)徑比很大，且加工屬于封閉、半封閉狀態(tài)，決定了深孔加工過(guò)程中刀具狀態(tài)的變化不能直接觀察到，因此通過(guò)各種手段對(duì)深孔加工過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控已成為深孔加工的一個(gè)研究方向。

國(guó)內(nèi)一些院校和研究機(jī)構(gòu)如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安工業(yè)大學(xué)、中北大學(xué)、北京理工大學(xué)、吉林大學(xué)、北京科技大學(xué)等對(duì)此進(jìn)行了一些研究。

其中西安理工大學(xué)的張超、李巖等四人利用正交小波變換對(duì)不同刀具狀態(tài)的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分解重構(gòu)，得到了不同頻帶內(nèi)振動(dòng)信號(hào)的重構(gòu)分量。

美國(guó)的Issam ABU-MAHFOUZ等人通過(guò)獲取加工過(guò)程的振動(dòng)信號(hào)，利用后向算法訓(xùn)練的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，成功識(shí)別了鉆頭的五種不同磨損狀態(tài)。

目前，在深孔鉆削力的測(cè)量技術(shù)方面處于國(guó)際領(lǐng)先地位，德國(guó)多特蒙德大學(xué)的科研工作者WEBBER、THEIS和RAABE等致力于開(kāi)發(fā)用鉆頭測(cè)量元件進(jìn)行力的測(cè)量，利用該測(cè)量元件可直接測(cè)量切削分量，但該方法尚處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，且價(jià)格昂貴，設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)。

日本町田鐵工所生產(chǎn)的全自動(dòng)鉆孔機(jī)“Micro-ole”裝有“扭矩檢測(cè)器”和“鉆頭磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，一旦施加在鉆頭上的扭矩超過(guò)預(yù)先選定的扭矩值，鉆頭就會(huì)進(jìn)給到鉆頭中。一旦施加在鉆頭上的扭矩超過(guò)預(yù)先選定的扭矩值，進(jìn)給系統(tǒng)就會(huì)停止進(jìn)給，使鉆頭返回到回轉(zhuǎn)位置，然后恢復(fù)鉆孔，直到加工完整個(gè)微孔為止。

綜上所述，雖然深孔加工技術(shù)經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，從加工方法上已日趨成熟，但對(duì)于微細(xì)超長(zhǎng)深孔的加工，在理論和實(shí)踐上尚未形成一套完整而成熟的體系，尤其對(duì)于鉆削直徑lmm以?xún)?nèi)長(zhǎng)徑比大于200的微細(xì)超長(zhǎng)深孔，仍是一個(gè)亟待解決的難題。

數(shù)控深孔加工工藝技術(shù)特點(diǎn)

深孔零件加工不同于一般孔加工，一般孔加工常采用工件不固定，刀具作進(jìn)給和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的方式加工；深孔零件常采用工件旋轉(zhuǎn)，刀具作進(jìn)給成型運(yùn)動(dòng)。但由于工件形狀：材料性質(zhì)、工藝限制和需要等原因，深孔鉆削運(yùn)動(dòng)形式不斷開(kāi)拓，一般有以下幾種：。

（1）工件旋轉(zhuǎn)，刀具作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
（2）工件固定，刀具旋轉(zhuǎn)并做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
（3）工件與刀具相對(duì)旋轉(zhuǎn)，刀具作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
（4）工件作旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，刀具不動(dòng)。

深孔加工技術(shù)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展，在實(shí)體鉆削中逐漸形成和完善了五種加工體系：。

1）槍鉆外部排屑加工系統(tǒng)。
2）BTA內(nèi)排屑加工系統(tǒng)。
3)吸鉆加工系統(tǒng)；4)DF加工系統(tǒng)；
4）DF加工系統(tǒng)；5）SIED加工系統(tǒng)。
5）SIED加工系統(tǒng)。

這五種深孔加工技術(shù)在機(jī)床結(jié)構(gòu)、刀具、供油、排屑等方面各有特點(diǎn)，加工的適用孔直徑、加工精度和表面質(zhì)量也各有不同。

但其共同的缺點(diǎn)是：在加工精度要求較高的時(shí)候，比如飛機(jī)上執(zhí)行器氣缸的內(nèi)孔，這些深孔在鉆孔之后，還需要進(jìn)行相應(yīng)的精加工工序（如對(duì)這些孔進(jìn)行磨削），從而使制造成本增加。

影響深孔加工工藝的因素

1.加工件材質(zhì)及其均勻性

在深孔加工過(guò)程中，由于加工零件的材料、性能及組織的不均勻等原因，常常會(huì)導(dǎo)致沖擊力、沖擊振動(dòng)等意外問(wèn)題的產(chǎn)生，造成刀具損壞，生產(chǎn)過(guò)程被迫停止，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成零件報(bào)廢，造成生產(chǎn)過(guò)程不穩(wěn)定、不連續(xù)。

2.刀具質(zhì)量問(wèn)題

在深孔加工過(guò)程中，由于刀具質(zhì)量的問(wèn)題，也會(huì)產(chǎn)生切削振動(dòng)等突發(fā)問(wèn)題，使上述現(xiàn)象再次發(fā)生。

3.定位及夾緊裝置

定位導(dǎo)向不準(zhǔn)確，會(huì)造成加工孔的直線度超差、孔的位置偏移，工件裝夾不穩(wěn)定、不正確，也會(huì)造成加工過(guò)程中突發(fā)問(wèn)題，如刀具損壞、加工精度差等。

4.供油裝置的供油及減振作用

深孔加工過(guò)程中產(chǎn)生的一些沖擊力、沖擊振動(dòng)等，會(huì)造成工件定位不準(zhǔn)確、撞刀和加工過(guò)程不穩(wěn)定，嚴(yán)重影響加工質(zhì)量和生產(chǎn)率。目前的供油裝置及其技術(shù)，雖然對(duì)刀具有一定的阻尼和減振作用，但其主要作用仍以供油為主，減振效果不明顯。

5.負(fù)壓切屑提取裝置的作用

排屑不良一直是影響深孔加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率的主要問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)切屑堵塞、刀具破損和終止生產(chǎn)過(guò)程等現(xiàn)象，是深孔加工技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題，也是目前許多科研院所和大專(zhuān)院校在深孔加工技術(shù)發(fā)展中關(guān)注的重點(diǎn)。為了解決該問(wèn)題，目前已對(duì)負(fù)壓排屑裝置進(jìn)行了大量改進(jìn)和自主創(chuàng)新，以提高排屑效果。

深孔加工機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀

大多數(shù)企業(yè)無(wú)法承受深孔加工設(shè)備昂貴的價(jià)格和過(guò)高的使用成本，沒(méi)有建立專(zhuān)業(yè)化的深孔加工設(shè)備生產(chǎn)體系，只能通過(guò)改造普通車(chē)床、鏜床來(lái)滿足基本生產(chǎn)需要。

制造業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家不僅有三坐標(biāo)（三個(gè)數(shù)控軸）深孔鉆機(jī)床，而且出現(xiàn)了四軸、五軸，甚至六軸的全自動(dòng)數(shù)控槍鉆加工中心或數(shù)控鉆銑中心（圖3），且有自動(dòng)換刀裝置。

為了擴(kuò)大加工范圍，有的深孔鉆床除了具有槍鉆法鉆孔、銑削、剛性攻絲等功能外，還具有內(nèi)切屑鉆孔法（BTA法）鉆孔功能。國(guó)內(nèi)雖然也有同類(lèi)產(chǎn)品，但精度程度、規(guī)格品種與國(guó)外還存在很大差距。

現(xiàn)在深孔加工機(jī)床雖然類(lèi)型繁多，但不具備通用性，為了解決機(jī)床功能少數(shù)過(guò)剩以及功能轉(zhuǎn)換成本高等問(wèn)題，美國(guó)學(xué)者首先提出了可重構(gòu)制造系統(tǒng)和可重構(gòu)機(jī)床的概念。

1996年，美國(guó)密歇根大學(xué)在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和工業(yè)界25家公司的資助下，率先啟動(dòng)了“可重構(gòu)制造系統(tǒng)研究”。各發(fā)達(dá)國(guó)家也紛紛開(kāi)展了可重構(gòu)機(jī)床的研究。

例如，德國(guó)斯圖加特大學(xué)的研究人員對(duì)制造系統(tǒng)的重新配置、機(jī)器模塊和運(yùn)動(dòng)功能模塊的接口提出了理論。

在機(jī)床設(shè)計(jì)和改進(jìn)中，機(jī)床關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)的動(dòng)靜態(tài)優(yōu)化、輕量化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工性能和加工精度的主要途徑之一。

深孔加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

雖然自BTA加工方法出現(xiàn)以來(lái)，深孔技術(shù)并沒(méi)有發(fā)生太大的變化。但一些加工工藝的優(yōu)化，如新型刀具的開(kāi)發(fā)、導(dǎo)塊的優(yōu)化布置、負(fù)壓排屑裝置的應(yīng)用等，仍是現(xiàn)階段提高深孔加工水平的重要手段。

建立在綠色加工技術(shù)基礎(chǔ)上的準(zhǔn)干、干式深孔加工技術(shù)將因人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)而受到越來(lái)越多的重視。

現(xiàn)代深孔加工機(jī)床與其它機(jī)床一樣，飛速發(fā)展，正朝著高效、精密、高可靠、智能化、模塊化的方向發(fā)展。特別是模塊化可重構(gòu)機(jī)床近年來(lái)已經(jīng)做了大量的研究。

然而如同深孔加工工藝一樣，近年來(lái)在傳統(tǒng)深孔加工領(lǐng)域，國(guó)際上尚未出現(xiàn)更為先進(jìn)的加工設(shè)備。

由于傳統(tǒng)的深孔加工技術(shù)無(wú)法避免利用切削力去除材料的一致做法和切削力對(duì)工藝系統(tǒng)的干擾，不能很好地完成難加工材料、特殊復(fù)雜曲面、超小超深孔等加工。

特種加工技術(shù)（激光、水射流、電火花加工及電解深孔加工等）也為深孔加工技術(shù)開(kāi)辟了新的發(fā)展領(lǐng)域。