一种含碳量≤0.6%钢材上的微小深孔加工方法与流程

本发明涉及钢材上的微小深孔加工方法，具体是一种含碳量≤0.6%钢材（例如不锈钢、中碳钢或低碳钢等）上的微小深孔（特别是法向或斜角度的微小深孔）的加工方法。

背景技术：

在精密工业设备（例如航空设备等）的组成零件中，含碳量≤0.6%的钢材、特别是不锈钢得到了大量应用。

精密工业设备的组成零件，有的需要在其上进行法向或是斜角度微小深孔（通常，将直径为0.3～1mm的孔归类为细小孔；将直径≤0.3mm的孔归类为微孔；将满足关系5≤l/d≤20的孔为一般深孔；将满足关系式20≤l/d≤30的孔为中等深孔；将满足关系式30≤l/d≤100的为超深孔；式中，l为孔型的深度、d为孔型的直径）的加工，这样才能满足于其使用技术要求（例如润滑油孔等），含碳量≤0.6%的钢材所成型的零件亦是如此，参见图1或图2所示。

现以不锈钢所成型的精密零件为例，对其上的法向或斜角度微小深孔加工所存在的技术问题作出说明。

长期以来，不锈钢所成型精密零件上的法向或斜角度微小深孔加工主要通过以下方式加工。其一，以专用钻模为核心配合普通加工中心进行加工，这会使得不同型号零件法向或斜角度微小深孔加工需要制作对应的钻模，其加工周期长、加工效率不高且成本较高；此外，普通加工中心因其本身主轴转数不高（通常最高转数为8000～10000r/min），在微小深孔钻孔加工中无法提供足够的加工线速度，容易导致微小钻头折断，同时冷却系统压力不足无法提供良好的散热和排屑环境，也增加了微型钻头折断的风险，进而导致成品率低下，进一步会增大加工成本。其二，以激光加工、等离子束加工、电加工等特种方法进行加工，其虽加工效率高，亦不存在钻头折断的技术问题，但是，这些特种加工方法因其加工过程的特殊性，而使得所加工出的孔型的孔截面呈现不规则的技术问题，技术精度难以满足于精密零件的技术要求。

综上所述，针对含碳量≤0.6%的钢材（特别是不锈钢）所成型零件上的精密微小深孔（特别是法向或斜角度的微小深孔）的加工特殊性和现有加工技术的不足，有必要研发一种加工精度、加工成品率和加工效率均高、且能够有效控制加工成本的加工方法。

技术实现要素：

本发明的技术目的在于：针对上述含碳量≤0.6%钢材（特别是不锈钢）上的微小深孔加工特殊性和现有加工技术的不足，提供一种加工精度、加工成品率和加工效率均高、且能够有效控制加工成本的加工方法。

本发明的技术目的是通过下述技术方案而实现的，一种含碳量≤0.6%钢材上的微小深孔加工方法，所述微小深孔加工方法是以含碳量≤0.6%的钢材所成型工件作为被加工对象，所述微小深孔加工方法采取的工艺措施是：

-以五轴联动高速加工中心作为加工机床；

-采用硬质合金键槽铣刀先在工件上的设计开孔部位的表面铣出定位面；

-采用硬质合金微型钻头再在工件的定位面上以高速啄钻方式加工出符合设计要求的孔型，所述高速啄钻加工过程中配以高压冷却液。

作为优选方案之一，所述硬质合金键槽铣刀或所述硬质合金微型钻头采用热缩刀柄装夹在所述五轴联动高速加工中心的主轴上。进一步的，所述热缩刀柄的夹持回转精度误差≤0.003mm。

作为优选方案之一，所述硬质合金微型钻头的整体回转精度误差＜0.01mm。

作为优选方案之一，所述硬质合金键槽铣刀和所述硬质合金微型钻头的加工直径相同，所述硬质合金键槽铣刀和/或所述硬质合金微型钻头的夹持柄部为锥面直柄结构。

作为优选方案之一，所述五轴联动高速加工中心具有如下工作参数：

-主轴能长期稳定工作在15000～35000r/min；

-主轴径向和轴向的跳动误差≤0.002mm；

-各轴定位误差≤0.005mm；

-冷却系统的冷却液压力≥60kg。

作为优选方案之一，所述硬质合金键槽铣刀在工件表面铣出的定位面为不小于硬质合金微型钻头的钻进头部直径2/3的小平面。

作为优选方案之一，所述高速啄钻加工的加工参数如下：

-切削速度为18.85～23.56m/min；

-每次啄钻深度为0.03～0.05mm；

-每齿进给量为2.5～3μm；

-回退至安全平面的速度为3000～5000mm/min；

-返回至前一加工平面的速度为3000～5000mm/min；

-暂停时间为2～3秒。

作为优选方案之一，所述工件为不锈钢工件、中碳钢工件或低碳钢工件。

作为优选方案之一，所述孔型的直径≤0.3mm；所述孔型的孔深满足如下关系式：

5≤l/d≤30；

式中，l为孔型的深度；

d为孔型的直径。

本发明的有益技术效果是：

1.本发明以高性能的五轴联动高速加工中心作为加工机床，利用其工作台或主轴的空间旋转定位功能，在没有专用钻模的情况下而实现对工件上的设计开孔部位的准确定位；再利用硬质合金键槽铣刀在工件上的设计开孔部位的表面铣出定位面，以防止微型钻头起钻时不发生偏移；最后利用高速加工轻载、高效的加工特点，在以高压冷却系统提供的良好的散热和排屑条件下，使用硬质合金微型钻头在工件的定位面上高速啄钻加工出符合设计要求的孔型；本发明的这些技术措施的综合作用使得含碳量≤0.6%钢材（特别是不锈钢）上的微小深孔（特别是法向或斜角度的微小深孔，当然本发明的深孔主要是指一般深孔和中等深孔）加工效率高、加工周期短，而且加工成品率和加工精度均高，所加工出的深孔能够满足零件使用环境的技术要求，进而使得加工成本得以有效控制；

2.本发明在加工过程中将硬质合金键槽铣刀或硬质合金微型钻头采用热缩刀柄装夹在五轴联动高速加工中心的主轴上，其能够实现优异的装夹精度和动平衡性，以降低刀具在加工过程中产生的振动，最大限度的保证微型钻头在加工过程中具有良好的刚性和动平衡性，使其均匀受力，降低折断风险，从而使得硬质合金键槽铣刀或硬质合金微型钻头在主轴上的装夹性能可靠，有利于确保工件上的微小深孔以高效、高精度加工成型；

3.本发明的硬质合金键槽铣刀和硬质合金微型钻头的加工直径配合关系，有利于保障工件上的微小深孔的加工质量；本发明硬质合金键槽铣刀或硬质合金微型钻头的夹持柄部结构，有利于方便装夹，亦能够有效提高装夹精度和稳定性；本发明使用的硬质合金微型钻头的整体回转精度误差的控制，有利于确保加工过程中微型钻头受力均匀，不易折断，同时保证微小深孔的加工精度；

4.本发明对五轴联动高速加工中心的工作参数要求，能够有效确保机床对工件上的微小深孔实现高效、高精度的可靠加工，亦有利于实现良好的散热和排屑效果；

5.本发明对工件上的定位面与硬质合金微型钻头之间对应关系的要求，有利于保障工件上的微小深孔的加工质量；

6.本发明对高速啄钻加工过程的加工参数的要求，能够保障微型钻头在高速、轻负载状态下以较高效率完成孔型加工，降低微型钻头因散热和排屑情况较差和负载偏重而引发的折断情况。

附图说明

图1为本发明所涉及的一种工件的结构示意图，图中能够看出微小深孔结构的孔型2是开设在工件1的法向面上的。

图2是本发明所涉及的另一种工件的结构示意图，图中能够看出微小深孔结构的孔型2是以斜角度开设在工件1的平直面上的。

具体实施方式

本发明涉及钢材上的微小深孔加工方法，具体是一种含碳量≤0.6%钢材（例如不锈钢、中碳钢或低碳钢等）上的微小深孔加工方法，下面以多个实施例对本发明的主体技术内容进行详细说明。

实施例1

本发明是以含碳量≤0.6%的不锈钢（例如304不锈钢）所制成的零件作为被加工的工件，工件上所设计的孔型为法向的微小深孔结构，该孔型的直径约为0.3mm、孔深约为5mm，孔深与孔径之比约为17，属于典型的深孔结构。工件及工件上所设计的孔型可以参见图1所示，需要特别说明的是，本发明所能够适应的工件及工件上的孔型不局限于图1中的示例。

本发明的加工过程是采取如下主要的工艺措施而实现的：

措施1.以高性能、高速动作、轻载切削的五轴联动高速加工中心作为加工设备，利用其工作台或主轴的空间旋转定位功能在无需专用夹具的情况下实现法向孔位的准确定位；

该五轴联动高速加工中心应具有如下工作参数：

-主轴能长期稳定工作在15000～35000r/min；

-主轴径向和轴向的跳动误差≤0.002mm；

-各轴定位误差≤0.005mm；

-冷却系统的冷却液压力≥60kg；

措施2.采用对应于设计孔型的硬质合金键槽铣刀，该硬质合金键槽铣刀的夹持柄部为刚性较好且加持方便的锥面直柄结构；

将硬质合金键槽铣刀采用装夹精度和可靠性极高、且具有优秀动平衡性能的热缩刀柄装夹在机床的主轴上，该热缩刀柄的夹持回转精度误差约为0.002mm；

采用硬质合金键槽铣刀先在工件上的设计开孔部位的表面铣出定位面，要求该定位面为不小于硬质合金微型钻头的钻进头部直径2/3的小平面，以保障硬质合金微型钻头起钻时孔位不发生偏移；

措施3.采用对应于设计孔型的硬质合金微型钻头，该硬质合金微型钻头的加工直径与硬质合金键槽铣刀的加工直径相同，且硬质合金微型钻头的夹持柄部为刚性较好且加持方便的锥面直柄结构，硬质合金微型钻头的整体回转精度误差约为0.008mm；

将硬质合金微型钻头采用装夹精度和可靠性极高、且具有优秀动平衡性能的热缩刀柄装夹在机床的主轴上，该热缩刀柄的夹持回转精度误差约为0.002mm；

利用五轴联动高速加工中心的高速、轻载加工特点，采用硬质合金微型钻头再在工件的定位面上以高速啄钻加工方式加工出符合设计要求的孔型，要求在高速啄钻加工的过程中配以高压冷却液，以实现良好的散热和排屑效果；

上述高速啄钻加工的加工参数如下：

-切削速度约为20.56m/min；

-每次啄钻深度约为0.04mm；

-每齿进给量约为2.6μm；

-回退至安全平面的速度约为3800mm/min；

-返回至前一加工平面的速度约为3800mm/min；

-暂停时间约为2秒。

实施例2

本发明是以含碳量≤0.6%的中碳钢所制成的零件作为被加工的工件，工件上所设计的孔型为法向的微小深孔结构，该孔型的直径约为0.25mm、孔深约为2mm，孔深与孔径之比约为8，属于典型的深孔结构。

本发明的加工过程是采取如下主要的工艺措施而实现的：

措施1.以高性能、高速动作、轻载切削的五轴联动高速加工中心作为加工设备，利用其工作台或主轴的空间旋转定位功能在无需专用夹具的情况下实现法向孔位的准确定位；

该五轴联动高速加工中心应具有如下工作参数：

-主轴能长期稳定工作在15000～35000r/min；

-主轴径向和轴向的跳动误差≤0.002mm；

-各轴定位误差≤0.005mm；

-冷却系统的冷却液压力≥60kg；

措施2.采用对应于设计孔型的硬质合金键槽铣刀，该硬质合金键槽铣刀的夹持柄部为刚性较好且加持方便的锥面直柄结构；

将硬质合金键槽铣刀采用装夹精度和可靠性极高、且具有优秀动平衡性能的热缩刀柄装夹在机床的主轴上，该热缩刀柄的夹持回转精度误差约为0.003mm；

采用硬质合金键槽铣刀先在工件上的设计开孔部位的表面铣出定位面，要求该定位面为不小于硬质合金微型钻头的钻进头部直径2/3的小平面，以保障硬质合金微型钻头起钻时孔位不发生偏移；

措施3.采用对应于设计孔型的硬质合金微型钻头，该硬质合金微型钻头的加工直径与硬质合金键槽铣刀的加工直径相同，且硬质合金微型钻头的夹持柄部为刚性较好且加持方便的锥面直柄结构，硬质合金微型钻头的整体回转精度误差约为0.009mm；

将硬质合金微型钻头采用装夹精度和可靠性极高、且具有优秀动平衡性能的热缩刀柄装夹在机床的主轴上，该热缩刀柄的夹持回转精度误差约为0.003mm；

利用五轴联动高速加工中心的高速、轻载加工特点，采用硬质合金微型钻头再在工件的定位面上以高速啄钻加工方式加工出符合设计要求的孔型，要求在高速啄钻加工的过程中配以高压冷却液，以实现良好的散热和排屑效果；

上述高速啄钻加工的加工参数如下：

-切削速度约为19.35m/min；

-每次啄钻深度约为0.03mm；

-每齿进给量约为2.7μm；

-回退至安全平面的速度约为4300mm/min；

-返回至前一加工平面的速度约为4300mm/min；

-暂停时间约为3秒。

实施例3

本发明是以含碳量≤0.6%的低碳钢所制成的零件作为被加工的工件，工件上所设计的孔型为法向的微小深孔结构，该孔型的直径约为0.3mm、孔深约为4.5mm，孔深与孔径之比约为15，属于典型的深孔结构。

本发明的加工过程是采取如下主要的工艺措施而实现的：

措施1.以高性能、高速动作、轻载切削的五轴联动高速加工中心作为加工设备，利用其工作台或主轴的空间旋转定位功能在无需专用夹具的情况下实现法向孔位的准确定位；

该五轴联动高速加工中心应具有如下工作参数：

-主轴能长期稳定工作在15000～35000r/min；

-主轴径向和轴向的跳动误差≤0.002mm；

-各轴定位误差≤0.005mm；

-冷却系统的冷却液压力≥60kg；

措施2.采用对应于设计孔型的硬质合金键槽铣刀，该硬质合金键槽铣刀的夹持柄部为刚性较好且加持方便的锥面直柄结构；

将硬质合金键槽铣刀采用装夹精度和可靠性极高、且具有优秀动平衡性能的热缩刀柄装夹在机床的主轴上，该热缩刀柄的夹持回转精度误差约为0.001mm；

采用硬质合金键槽铣刀先在工件上的设计开孔部位的表面铣出定位面，要求该定位面为不小于硬质合金微型钻头的钻进头部直径2/3的小平面，以保障硬质合金微型钻头起钻时孔位不发生偏移；

措施3.采用对应于设计孔型的硬质合金微型钻头，该硬质合金微型钻头的加工直径与硬质合金键槽铣刀的加工直径相同，且硬质合金微型钻头的夹持柄部为刚性较好且加持方便的锥面直柄结构，硬质合金微型钻头的整体回转精度误差约为0.007mm；

将硬质合金微型钻头采用装夹精度和可靠性极高、且具有优秀动平衡性能的热缩刀柄装夹在机床的主轴上，该热缩刀柄的夹持回转精度误差约为0.001mm；

利用五轴联动高速加工中心的高速、轻载加工特点，采用硬质合金微型钻头再在工件的定位面上以高速啄钻加工方式加工出符合设计要求的孔型，要求在高速啄钻加工的过程中配以高压冷却液，以实现良好的散热和排屑效果；

上述高速啄钻加工的加工参数如下：

-切削速度约为18.85m/min；

-每次啄钻深度约为0.03mm；

-每齿进给量约为2.5μm；

-回退至安全平面的速度约为3100mm/min；

-返回至前一加工平面的速度约为3100mm/min；

-暂停时间约为2.5秒。

实施例4

本发明是以含碳量≤0.6%的不锈钢所制成的零件作为被加工的工件，工件上所设计的孔型为斜角度的微小深孔结构，该孔型的直径约为0.25mm、孔深约为3mm，孔深与孔径之比约为12，属于典型的深孔结构。

本发明的加工过程是采取如下主要的工艺措施而实现的：

措施1.以高性能、高速动作、轻载切削的五轴联动高速加工中心作为加工设备，利用其工作台或主轴的空间旋转定位功能在无需专用夹具的情况下实现法向孔位的准确定位；

该五轴联动高速加工中心应具有如下工作参数：

-主轴能长期稳定工作在15000～35000r/min；

-主轴径向和轴向的跳动误差≤0.002mm；

-各轴定位误差≤0.005mm；

-冷却系统的冷却液压力≥60kg；

措施2.采用对应于设计孔型的硬质合金键槽铣刀，该硬质合金键槽铣刀的夹持柄部为刚性较好且加持方便的锥面直柄结构；

将硬质合金键槽铣刀采用装夹精度和可靠性极高、且具有优秀动平衡性能的热缩刀柄装夹在机床的主轴上，该热缩刀柄的夹持回转精度误差约为0.003mm；

采用硬质合金键槽铣刀先在工件上的设计开孔部位的表面铣出定位面，要求该定位面为不小于硬质合金微型钻头的钻进头部直径2/3的小平面，以保障硬质合金微型钻头起钻时孔位不发生偏移；

措施3.采用对应于设计孔型的硬质合金微型钻头，该硬质合金微型钻头的加工直径与硬质合金键槽铣刀的加工直径相同，且硬质合金微型钻头的夹持柄部为刚性较好且加持方便的锥面直柄结构，硬质合金微型钻头的整体回转精度误差约为0.008mm；

将硬质合金微型钻头采用装夹精度和可靠性极高、且具有优秀动平衡性能的热缩刀柄装夹在机床的主轴上，该热缩刀柄的夹持回转精度误差约为0.003mm；

利用五轴联动高速加工中心的高速、轻载加工特点，采用硬质合金微型钻头再在工件的定位面上以高速啄钻加工方式加工出符合设计要求的孔型，要求在高速啄钻加工的过程中配以高压冷却液，以实现良好的散热和排屑效果；

上述高速啄钻加工的加工参数如下：

-切削速度约为21.38m/min；

-每次啄钻深度约为0.05mm；

-每齿进给量约为2.8μm；

-回退至安全平面的速度约为5000mm/min；

-返回至前一加工平面的速度约为5000mm/min；

-暂停时间约为3秒。

实施例5

本发明是以含碳量≤0.6%的不锈钢所制成的零件作为被加工的工件，工件上所设计的孔型为法向的微小深孔结构，该孔型的直径约为0.3mm、孔深约为3.2mm，孔深与孔径之比约为10，属于典型的深孔结构。

本发明的加工过程是采取如下主要的工艺措施而实现的：

措施1.以高性能、高速动作、轻载切削的五轴联动高速加工中心作为加工设备，利用其工作台或主轴的空间旋转定位功能在无需专用夹具的情况下实现法向孔位的准确定位；

该五轴联动高速加工中心应具有如下工作参数：

-主轴能长期稳定工作在15000～35000r/min；

-主轴径向和轴向的跳动误差≤0.002mm；

-各轴定位误差≤0.005mm；

-冷却系统的冷却液压力≥60kg；

措施2.采用对应于设计孔型的硬质合金键槽铣刀，该硬质合金键槽铣刀的夹持柄部为刚性较好且加持方便的锥面直柄结构；

将硬质合金键槽铣刀采用装夹精度和可靠性极高、且具有优秀动平衡性能的热缩刀柄装夹在机床的主轴上，该热缩刀柄的夹持回转精度误差约为0.002mm；

采用硬质合金键槽铣刀先在工件上的设计开孔部位的表面铣出定位面，要求该定位面为不小于硬质合金微型钻头的钻进头部直径2/3的小平面，以保障硬质合金微型钻头起钻时孔位不发生偏移；

措施3.采用对应于设计孔型的硬质合金微型钻头，该硬质合金微型钻头的加工直径与硬质合金键槽铣刀的加工直径相同，且硬质合金微型钻头的夹持柄部为刚性较好且加持方便的锥面直柄结构，硬质合金微型钻头的整体回转精度误差约为0.009mm；

将硬质合金微型钻头采用装夹精度和可靠性极高、且具有优秀动平衡性能的热缩刀柄装夹在机床的主轴上，该热缩刀柄的夹持回转精度误差约为0.002mm；

利用五轴联动高速加工中心的高速、轻载加工特点，采用硬质合金微型钻头再在工件的定位面上以高速啄钻加工方式加工出符合设计要求的孔型，要求在高速啄钻加工的过程中配以高压冷却液，以实现良好的散热和排屑效果；

上述高速啄钻加工的加工参数如下：

-切削速度约为23.56m/min；

-每次啄钻深度约为0.04mm；

-每齿进给量约为3μm；

-回退至安全平面的速度约为4600mm/min；

-返回至前一加工平面的速度约为4600mm/min；

-暂停时间约为3秒。

实施例6

本发明是以含碳量≤0.6%的不锈钢所制成的零件作为被加工的工件，工件上所设计的孔型为斜角度的微小深孔结构，该孔型的直径约为0.3mm、孔深约为5mm，孔深与孔径之比约为17，属于典型的深孔结构。工件及工件上所设计的孔型可以参见图2所示，需要特别说明的是，本发明所能够适应的工件及工件上的孔型不局限于图2中的示例。

本发明的加工过程是采取如下主要的工艺措施而实现的：

措施1.以高性能、高速动作、轻载切削的五轴联动高速加工中心作为加工设备，利用其工作台或主轴的空间旋转定位功能在无需专用夹具的情况下实现法向孔位的准确定位；

该五轴联动高速加工中心应具有如下工作参数：

-主轴能长期稳定工作在15000～35000r/min；

-主轴径向和轴向的跳动误差≤0.002mm；

-各轴定位误差≤0.005mm；

-冷却系统的冷却液压力≥60kg；

措施2.采用对应于设计孔型的硬质合金键槽铣刀，该硬质合金键槽铣刀的夹持柄部为刚性较好且加持方便的锥面直柄结构；

将硬质合金键槽铣刀采用装夹精度和可靠性极高、且具有优秀动平衡性能的热缩刀柄装夹在机床的主轴上，该热缩刀柄的夹持回转精度误差约为0.003mm；

采用硬质合金键槽铣刀先在工件上的设计开孔部位的表面铣出定位面，要求该定位面为不小于硬质合金微型钻头的钻进头部直径2/3的小平面，以保障硬质合金微型钻头起钻时孔位不发生偏移；

措施3.采用对应于设计孔型的硬质合金微型钻头，该硬质合金微型钻头的加工直径与硬质合金键槽铣刀的加工直径相同，且硬质合金微型钻头的夹持柄部为刚性较好且加持方便的锥面直柄结构，硬质合金微型钻头的整体回转精度误差约为0.006mm；

将硬质合金微型钻头采用装夹精度和可靠性极高、且具有优秀动平衡性能的热缩刀柄装夹在机床的主轴上，该热缩刀柄的夹持回转精度误差约为0.003mm；

利用五轴联动高速加工中心的高速、轻载加工特点，采用硬质合金微型钻头再在工件的定位面上以高速啄钻加工方式加工出符合设计要求的孔型，要求在高速啄钻加工的过程中配以高压冷却液，以实现良好的散热和排屑效果；

上述高速啄钻加工的加工参数如下：

-切削速度约为22.76m/min；

-每次啄钻深度约为0.04mm；

-每齿进给量约为2.7μm；

-回退至安全平面的速度约为4000mm/min；

-返回至前一加工平面的速度约为4000mm/min；

-暂停时间约为2秒。

以上各实施例仅用以说明本发明，而非对其限制。尽管参照上述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对上述各实施例中的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明的精神和范围。