高速小直徑深孔鉆削過程中的切屑形態(tài)分析*

馬 龍 沈興全 任曉敏

(①山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051;②中北大學(xué)，山西 太原 030051)

在機(jī)械加工產(chǎn)品的發(fā)展方向不斷向精密化、小型化轉(zhuǎn)變的過程中，對(duì)小直徑深孔(直徑小于20 mm)的加工精度提出了越來越高的要求，其加工難度也在不斷提升。目前，在多種小直徑深孔加工的方法中，高速鉆削的經(jīng)濟(jì)適用性較高，但由于所加工孔的尺寸較小，而且小直徑深孔高速鉆削的加工過程一般都是一次鉆成，這就給高速小直徑深孔加工鉆床的鉆孔過程提出了極高的要求［1］。在高速小直徑深孔加工過程中，斷屑和排屑十分困難，尤其是排屑過程受切屑形態(tài)影響很大。因此，在對(duì)目前的加工工藝及設(shè)備不斷進(jìn)行完善的同時(shí)，研究高速小深孔加工過程中的切屑形態(tài)，以實(shí)現(xiàn)提高產(chǎn)品的質(zhì)量以及材料性能參數(shù)的目的，已成為深孔加工領(lǐng)域里的一個(gè)有重大意義的課題。

相對(duì)于普通直徑的深孔加工而言，高速小直徑深孔加工對(duì)斷屑排屑的要求極高，其普遍采用能保證大切屑量鉆削順利進(jìn)行的SIED(單管內(nèi)排屑噴吸鉆)深孔鉆削系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了與DF 系統(tǒng)相類似的排屑方式［2］，同時(shí)結(jié)合了槍鉆焊接刀桿、整體燒結(jié)鉆頭的特點(diǎn)［3］，適用于小直徑深孔加工，在加工過程中能夠?qū)η行己颓邢饕夯旌衔锸┘油?、吸雙重作用，促使其迅速向外排出［4］。SIED 深孔鉆削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，將流量為Q0的切削液(46#機(jī)械油與煤油以1∶3 比例混合物)通過可調(diào)節(jié)流閥分為兩部分，使Q1流量的切削液通過授油器對(duì)鉆削區(qū)和刀具進(jìn)行冷卻和潤滑，并通過鉆桿內(nèi)部進(jìn)行排屑作用，同時(shí)使Q2流量的切削液進(jìn)入聯(lián)接器間隙為δ 的射流噴嘴環(huán)形通道進(jìn)行負(fù)壓抽屑，加快排屑速度。

圖1 SIED 深孔鉆削系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)過適應(yīng)性改裝的ZK2112B 深孔鉆床，采用工件轉(zhuǎn)動(dòng)、刀具進(jìn)給的加工方式加工直徑為12 mm，長度為400 mm 的深孔。供油系統(tǒng)如圖2 所示，通過齒輪泵向授油器和聯(lián)接器部分供切削液，由溢流閥將切削液最大壓力控制在7.8 MPa，最大流量控制在4 980 L/h，通過單獨(dú)的壓力計(jì)和流量計(jì)分別讀取供往授油器及聯(lián)接器的切削液流量和壓力大小，并通過可調(diào)節(jié)流閥分別對(duì)其進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)所加工的材料為經(jīng)過特殊熱處理的45 退火鋼，硬度為245HB，所選用SIED 鉆頭的刀片分別為刃部材料為YN05 的硬質(zhì)合金刀片、TiN 涂層刀片以及陶瓷刀片。由于鉆頭的直徑較小、強(qiáng)度低，所以每次提高的進(jìn)給量幅度不大［5］。

圖2 供油系統(tǒng)

2 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)記錄

(1)使用φ=12 mm 的YN05 硬質(zhì)合金刀片SIED深孔鉆，主軸轉(zhuǎn)速保持V=4 900 r/min，令Q1=2 100 L/h，Q2=1 800 L/h，δ=0.13 mm［6］，改變進(jìn)給量f 得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示。

表1 φ=12 mm 的YN05 硬質(zhì)合金刀片SIED 深孔鉆改變進(jìn)給量所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(2)使用φ=12 mm 的YN05 硬質(zhì)合金刀片SIED深孔鉆，刀具進(jìn)給量保持f=0.050 mm/r，令Q1=2 100 L/h，Q2=1 800 L/h，δ=0.13 mm，改變主軸轉(zhuǎn)速V 得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 φ=12 mm 的YN05 硬質(zhì)合金刀片SIED 深孔鉆改變主軸轉(zhuǎn)速所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(3)使用φ=12 mm 的TiN 涂層刀片SIED 深孔鉆，主軸轉(zhuǎn)速保持V=5 100 r/min，令Q1=2 400 L/h，Q2=2 100 L/h，δ=0.13 mm，改變進(jìn)給量f 得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

(4)使用φ=12 mm 的TiN 涂層刀片SIED 深孔鉆，刀具進(jìn)給量保持f=0.070 mm/r，令Q1=2 400 L/h，Q2=2 100 L/h，δ=0.13 mm，改變主軸轉(zhuǎn)速V 得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表3 φ=12 mm 的TiN 涂層刀片SIED 深孔鉆改變進(jìn)給量所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 φ=12 mm 的TiN 涂層刀片SIED 深孔鉆改變主軸轉(zhuǎn)速所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 φ=12 mm 的陶瓷刀片SIED 深孔鉆改變進(jìn)給量所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 φ=12 mm 的陶瓷刀片SIED 深孔鉆改變主軸轉(zhuǎn)速所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(5)使用φ=12 mm 的陶瓷刀片SIED 深孔鉆，主軸轉(zhuǎn)速保持V=5 200 r/min，令Q1=2 580 L/h，Q2=2 280 L/h，δ=0.13 mm，改變進(jìn)給量f 得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

(6)使用φ=12 mm 的陶瓷刀片SIED 深孔鉆，刀具進(jìn)給量保持f=0.080 mm/r，令Q1=2 580 L/h，Q2=2 280 L/h，δ=0.13 mm，改變主軸轉(zhuǎn)速V 得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

3 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)所得的切屑形態(tài)及以20 倍率放大后效果圖如圖3。通過實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)記錄可得出以下結(jié)論:

圖3 實(shí)驗(yàn)所得切屑形態(tài)及以20 倍率放大后效果圖

(1)以上3 種刀具在固定的主軸轉(zhuǎn)速下，通過改變刀具進(jìn)給量，切屑形態(tài)會(huì)發(fā)生以下變化:當(dāng)進(jìn)給量較小時(shí)產(chǎn)生軟皺帶狀切屑，此種切屑的容屑系數(shù)處于中等水平，可以較順利地排出;隨著進(jìn)給量增大，切屑的厚度逐漸變大，硬度也逐漸變大，切屑容易折斷，形成C 形切屑，此種切屑的容屑系數(shù)小，容易排出;當(dāng)進(jìn)給量繼續(xù)增大時(shí)，切屑逐漸形成短螺卷狀直至長硬帶狀，容屑系數(shù)迅速增大，切屑非常難排出，容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。

(2)以上3 種刀具在進(jìn)給量固定的情況下，通過改變主軸轉(zhuǎn)速，切屑形態(tài)會(huì)發(fā)生以下變化:當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速相對(duì)較低時(shí)，形成長硬帶狀切屑，其容屑系數(shù)大，排屑過程困難;隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高，逐漸形成短軟帶狀、C 形以及錐狀等容屑系數(shù)較小的切屑，排屑過程順利;隨著主軸轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步升高，切屑發(fā)生斷裂，出現(xiàn)崩碎狀的單元切屑，該形態(tài)切屑容屑系數(shù)很小，可以很順利的排出。

從上述表格還可以看出，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速相對(duì)較低或進(jìn)給量較大時(shí)，容易產(chǎn)生長硬帶狀切屑，該切屑容易發(fā)生相互纏繞的現(xiàn)象，極易在排屑通道中發(fā)生堵塞現(xiàn)象。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速較高時(shí)，產(chǎn)生了崩碎狀的單元切屑，雖然此種切屑容屑系數(shù)小，可以很順利地排出，但由于其在斷屑過程中對(duì)刀具的沖擊頻率很高，從而使切削刃產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，縮短了刀具壽命;另外崩碎狀切屑的排屑過程易劃傷工件的加工表面，嚴(yán)重影響最終孔的加工質(zhì)量［7］。

因此，在進(jìn)行高速小深孔鉆削時(shí)，以產(chǎn)生容屑系數(shù)小的C 形屑和錐狀切屑為最佳狀態(tài)，應(yīng)避免出現(xiàn)長硬帶狀切屑以及崩碎狀切屑。所以在使用不同材質(zhì)的刀具時(shí)，應(yīng)該使刀具的進(jìn)給速度以及主軸轉(zhuǎn)速保持在與刀具相對(duì)應(yīng)的合理范圍之內(nèi)，保證切屑的順利排出，同時(shí)提高工件的加工質(zhì)量。

4 結(jié)語

在高速小深孔鉆削過程中，產(chǎn)生容屑系數(shù)較小的切屑時(shí)排屑過程順利，其中切屑形態(tài)為C 形和錐狀時(shí)工件加工質(zhì)量最高。加工過程中可以通過觀察切屑形態(tài)來調(diào)整進(jìn)給量和工件轉(zhuǎn)速，以達(dá)到最佳鉆削效果。

加工同一種材質(zhì)的工件時(shí)，不同材料所制成的刀具都分別有與之相匹配的最佳進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速范圍，在此范圍內(nèi)鉆削能得到C 形屑、錐狀屑等容屑系數(shù)較小的切屑，使加工過程中排屑順利，工件加工質(zhì)量高［8］。

［1］楊立合.小直徑深孔超聲振動(dòng)鉆削技術(shù)的研究及應(yīng)用［D］.西安:西安石油大學(xué)，2007.

［2］葉偉昌.鉆深孔的新型刀具—DF 系統(tǒng)深孔鉆［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1985(2):59 -60.

［3］劉鋼，孫首群，凌衛(wèi)青，等.由小直徑深孔刀具的革新談創(chuàng)新設(shè)計(jì)［J］.中國機(jī)械工程，2001，12(11):1291 -1293.

［4］艾小凱，米志德.內(nèi)排屑小深孔加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀［J］.新技術(shù)新工藝，1999(1):15 -16.

［5］趙德軍，曲貴龍，賈忠輝.小直徑鉆頭的設(shè)計(jì)和使用［J］.工具技術(shù)，2003，37(9):38 -39.

［6］王天琦.小直徑深孔鉆削技術(shù)的研究［D］.西安:西安石油大學(xué)，2006.

［7］王竣.現(xiàn)代深孔加工技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)出版社，2005.

［8］趙如意，關(guān)世璽.深孔鉆削切屑形態(tài)的研究［J］.新技術(shù)新工藝，2010(2):42 -43.