薄壁深盲孔加工变形机理及工艺控制研究

一、引言

在现代航空发动机关键部件制造中，薄壁结构的大深径比盲孔加工面临严峻挑战。此类结构具有显著的几何特殊性：孔深远超孔径数十倍，且周边壁厚相对薄弱。加工过程中主要存在以下技术难点：刀具系统的刚性严重不足，薄壁结构的刚性特点使其对切削力异常敏感 ，盲孔结构的封闭特性带来排屑困难。

二、变形机理分析

变形机理是分析加工过程中导致零件形状、尺寸误差的内在原因，主要涉及切削力、切削热、残余应力及装夹方式等因素的综合作用。

1. 切削力诱发的变形

薄壁深盲孔加工中，切削力（包括轴向力、径向力和切向力）是导致变形的核心因素，具体表现为：

（1）径向力的弯曲效应：深盲孔加工常用钻头、镗刀等刀具，径向切削力会使刚度不足的薄壁件产生弯曲变形。例如，加工薄壁筒形件内孔时，径向力会导致筒壁向外凸起（弹性变形），若切削力超过材料屈服极限，会产生塑性变形。

（2）刀具挠度的叠加影响：深盲孔长径比大（如 ），刀具悬伸长度增加，刚性降低，易在径向力作用下产生挠度（刀具弯曲），导致孔的轴线偏移或孔径尺寸误差（如锥度）。

（3）振动加剧变形：切削力波动会引发刀具 - 工件系统振动（如颤振），使薄壁件产生周期性变形，表面粗糙度恶化，甚至出现振纹。

2. 切削热导致的热应力变形

深盲孔的封闭性和长径比大的特点导致切削热难以散发，具体影响如下：

（1）热膨胀不均：切削区温度可达数百摄氏度（如铝合金加工约 300-500^∘C ，钛合金可达 800℃以上），薄壁件受热后局部膨胀，而远离切削区的部位温度较低，形成温差，产生热应力。

（2）冷却收缩变形：加工后工件冷却，热应力释放，因各部位冷却速度不同（薄壁处散热快，厚壁处慢），收缩量差异导致变形。例如，深盲孔底部散热最差，冷却后收缩量大于孔口，可能导致孔的轴向尺寸误差。

（3）材料性能变化：高温会使工件材料局部软化，降低其抵抗变形的能力，在切削力作用下更易产生塑性变形。

3. 残余应力释放引起的变形

薄壁件在加工前（如铸造、锻造、轧制等工序）往往存在残余应力，加工过程中应力平衡被打破，导致变形：

（1）残余应力来源：铸造时的冷却不均、锻造时的塑性变形不均、轧制后的晶粒取向差异等，都会使工件内部积累残余应力（表现为拉应力或压应力）。

（2）加工中的应力释放：当加工深盲孔时，去除部分材料（如内孔镗削），原有的应力平衡被破坏，残余应力重新分布，导致工件弯曲、扭曲或孔径失圆。例如，轧制铝合金板加工成薄壁筒后，内孔加工时去除内层材料，残余应力释放可能使筒件产生椭圆变形。

4. 装夹方式不当导致的变形

薄壁件刚性差，装夹力过大会直接引发弹性变形，加工后释放装夹力时产生回弹，导致形状误差：

（1）径向装夹的弊端：采用三爪卡盘径向夹紧薄壁筒件时，装夹力集中在三点，会使工件产生“棱形”弹性变形（类似捏扁易拉罐），加工内孔时按变形后的形状切削，松开后工件回弹，导致孔呈椭圆（长轴与装夹力方向垂直）。

（2）轴向装夹的局限性：若仅通过端面轴向压紧，薄壁件可能因切削力的轴向分力产生轴向弯曲，尤其在深孔加工中，工件悬伸长度增加，挠度增大。

三、工艺控制策略

1. 刀具系统的优化设计

针对大深径比加工的特殊需求，开发了专用刀具系统。刀具采用特殊的材料和结构设计，在保证足够刚性的同时，优化了切削刃的几何参数。重点改进了排屑槽的形态，使其更适应盲孔加工的排屑需求。

刀具的导向部分经过特殊处理，既保证了导向精度，又避免了与孔壁的过度摩擦。切削部分的几何角度根据加工深度进行渐变设计，以平衡不同深度处的切削力。

2. 工艺参数的优化配置

总加工上采用分阶段加工策略，将整个过程划分为粗加工、半精加工和精加工三个阶段。每个阶段采用差异化的切削参数，逐步释放加工应力并提高精度。

在具体切削参数上可以采用低速、小进给量加工，减少切削力和热量（如选用高速钢刀具时，切削速度 5-10m/min ，进给量 0.05-0.1mm/r) ）。使用冷却性能好的切削液（如极压乳化液），增强散热，降低热变形同时引入间歇进给技术，通过有规律的退刀动作实现强制排屑和冷却。这种方法虽然会略微降低效率，但能显著改善加工质量。同时，优化了冷却液的供给方式和压力，确保切削区得到充分冷却。

3. 切削力优化：降低力载荷影响

（1）切削参数合理匹配：通过正交试验或仿真分析，选择低切削力参数组合。例如：降低进给量（f）可减少径向力，适当降低切削速度（v）可避免切削力波动加剧（如铝合金加工 v=100-200m/min ， f=0. 1-0.2mm/r) ）；对于高硬度材料（如钛合金），采用低速大进给（ v=30-80m/min ， f=0.15-0.3mm/r) ），减少刀具与工件的摩擦阻力。

（2）刀具几何参数优化：增大刀具前角（ ，减少切削变形抗力；减小主偏角（ k_r=45^∘-75^∘ ），降低径向力占比；采用锋利的切削刃（如高速钢刀具刃口研磨，硬质合金刀具涂层处理），减少挤压变形。

（3）增强刀具刚性：选用短刃、粗柄刀具（如整体硬质合金钻头），或采用刀柄加粗、加装导向套（如深孔镗刀的导向块），减少刀具挠度；对于超深孔（L/D>15），可采用枪钻、BTA 深孔钻等专用刀具，通过高压切削液驱动刀具，提升刚性。

4. 切削热控制：减少热应力

高效冷却润滑：采用内冷式刀具（如中心通孔钻头），将高压切削液（压力5-20MPa）直接输送至切削区，同时实现冷却和排屑；切削液选用极压乳化液（铝合金）或合成切削液（钛合金），增强润滑性以减少摩擦生热。

工序分散与间歇加工：将深盲孔加工分为粗、半精、精加工，每工序间暂停加工，使工件自然冷却，避免热量累积；对于大型薄壁件，可采用分段加工（如先加工孔深 1/3，冷却后再加工剩余部分）。

四、结论与展望

本研究通过系统的工艺分析，建立了一套针对薄壁大深径比盲孔加工变形的控制方法。实践表明，通过刀具优化、工艺调控和辅助支撑的综合应用，可以有效解决此类加工难题。

未来的研究方向包括：进一步优化刀具材料与涂层技术；开发更智能化的支撑控制系统；研究新型冷却技术在深孔加工中的应用潜力。这些改进将有助于进一步提升加工精度和效率。

参考文献：

[1] 张利军 , 史红艳 , 康晓丽 , 等 . 对小直径深盲孔筒轴件加工方 法 的 研 究 [J]. 新 技 术 新 工 艺 ,2022,(08):22-25.DOI:10.16635/j.cnki.1003-5311.2022.08.004.

[2] 原莉莉 , 陶保平 , 吴漫 . 精密衬套深盲孔清洁度控制方法优化 [J]. 航空精密制造技术 ,2024,60(04):65-67.

[3] 杨支超 , 翟江涛 , 史晋辉 . 一种小直径缸体的深盲孔精加工技术 [J].天津科技 ,2023,50(S1):74-77.DOI:10.14099/j.cnki.tjkj.2023.s1.004.

[4] 朱艳芳 , 刘玉慧 , 权瑞霞 . 大尺寸深盲孔加工方法及刀具设计 [J]. 机械设计与制造 ,2008,(10):208-209.