MQL條件下新型槍鉆鉆尖斷屑性能實(shí)驗(yàn)

張 占 陽(yáng)，張 偉，，賀 鳳 寶，李 明 穎

（1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 大連 116034）

0 引 言

MQL技術(shù)應(yīng)用于槍鉆深孔加工面臨著諸多挑戰(zhàn)，斷屑是其中一項(xiàng)重要內(nèi)容。良好的斷屑性能有助于排屑，降低切削區(qū)溫度，短的切屑可避免孔壁劃傷。目前，關(guān)于槍鉆斷屑的研究均是在傳統(tǒng)高壓冷卻系統(tǒng)條件下進(jìn)行的，高壓切削液對(duì)切屑的強(qiáng)力沖刷作用，使得斷屑的難度大大降低。通常采用的斷屑方法有開斷屑槽［1－3］、優(yōu)化鉆尖幾何參數(shù)［4］、優(yōu)化切削參數(shù)［4－5］，DF系統(tǒng)在出屑口處安裝一個(gè)負(fù)壓裝置，起到抽吸的作用，提高排屑能力，避免堵屑［6－7］。

MQL采用壓縮空氣替代傳統(tǒng)的高壓冷卻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)斷屑面臨更大的挑戰(zhàn)，保證斷屑的穩(wěn)定性是推廣MQL在深孔鉆削領(lǐng)域的關(guān)鍵因素之一。

1 鉆尖鉆削實(shí)驗(yàn)

1.1 鉆尖結(jié)構(gòu)

在鉆削加工過(guò)程中，切削刃上各點(diǎn)的速度隨著半徑的增加而增大，因此在各點(diǎn)處的切屑的變形也是不同的，這種差異必然造成切屑相互之間有力的作用。如果可以控制切屑之間的相互作用，就可以使其向著有利于斷屑的方向發(fā)展。基于這種思想，作者開發(fā)了一種新型鉆尖——MG鉆尖，如圖1所示，該鉆尖為單刃切削，有三條切削刃：外刃、圓弧刃和內(nèi)刃。

圖1 MG 鉆尖Fig.1 MG point

1.2 斷屑對(duì)比實(shí)驗(yàn)

1.2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)刀具兩支，整體合金槍鉆，直徑5.5mm，一支修磨MG 鉆尖，另一支修磨標(biāo)準(zhǔn)鉆尖，將MG鉆尖與標(biāo)準(zhǔn)鉆尖加工的切屑進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)機(jī)床為HAAS 立式加工中心，專用刀柄，刀柄外接MQL系統(tǒng)，MQL流量50mL／h，氣體壓力1.2 MPa。切削轉(zhuǎn)速3 700r／min，進(jìn)給量分別選擇0.02、0.04、0.06和0.08mm／r。由于設(shè)備沒(méi)有導(dǎo)向裝置，因此實(shí)驗(yàn)中采用加工預(yù)鉆孔的辦法，預(yù)鉆孔直徑5.52mm。

鉆削實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先安裝導(dǎo)向鉆，對(duì)刀，預(yù)鉆孔加工深度8 mm。預(yù)鉆孔完成后，將導(dǎo)向鉆取下，換上槍鉆，對(duì)刀，槍鉆低速反轉(zhuǎn)進(jìn)入預(yù)鉆孔，在距離底部約2 mm 處停止進(jìn)給，然后開啟MQL，主軸正轉(zhuǎn)，進(jìn)給加工，槍鉆加工孔深度60mm（包含預(yù)鉆孔深度8mm）。每次加工完成后，收集切屑，同時(shí)將機(jī)床清理干凈，避免不同參數(shù)條件下加工的切屑混合。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

收集的切屑如圖2所示。在進(jìn)給量0.02mm條件下，MG 鉆尖加工的切屑長(zhǎng)度都比較短，且比較均勻，切屑多帶有螺旋狀部分，有少量不規(guī)則的碎屑，切屑顏色正常。相比之下，標(biāo)準(zhǔn)鉆尖（SD）加工的切屑略長(zhǎng)，形狀不規(guī)則，切屑也多帶有螺旋狀部分，沒(méi)有碎屑，加工過(guò)程中出現(xiàn)長(zhǎng)屑，切屑顏色正常。

在進(jìn)給量0.04mm 條件下，MG 鉆尖加工的切屑仍然很短，但是切屑的顏色變深，卷曲現(xiàn)象明顯減小。相同條件下，標(biāo)準(zhǔn)鉆尖（SD）加工的切屑也比較短，切屑的螺旋也現(xiàn)象也明顯減小，沒(méi)有長(zhǎng)屑產(chǎn)生。

在進(jìn)給量0.06和0.08mm 條件下，MG 鉆尖加工的切屑始終保持很短，但是切屑的顏色逐漸加深，卷曲現(xiàn)象也明顯減小，切屑趨向于扇形屑，螺旋屑幾乎沒(méi)有。相同條件下，標(biāo)準(zhǔn)鉆尖加工的切屑也比較短，切屑的螺旋也現(xiàn)象也明顯減小，但是兩個(gè)進(jìn)給量條件下均產(chǎn)生長(zhǎng)屑，且切屑整體來(lái)看形狀不規(guī)則。

圖2 MG 鉆尖及標(biāo)準(zhǔn)鉆尖切屑結(jié)果對(duì)比Fig.2 Chips of MG and standard point

根據(jù)鉆削試驗(yàn)切屑及其分類圖可以看到，MG 鉆尖斷屑穩(wěn)定，切屑形狀比較規(guī)則，在各個(gè)進(jìn)給量下，斷屑效果均非常理想，斷屑順利，切屑較短；而標(biāo)準(zhǔn)鉆尖僅在進(jìn)給量0.04mm 時(shí)獲得的切屑比較短，其余進(jìn)給條件下，切屑形狀很不規(guī)則，且有帶狀切屑。帶狀切屑在深孔加工中非常危險(xiǎn)，一旦纏繞在槍鉆鉆桿上，不僅影響已加工孔的表面質(zhì)量，而且影響切屑排出，可能導(dǎo)致斷刀，對(duì)深孔加工極為不利。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，MG 鉆尖的斷屑效果明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)槍鉆鉆尖。

2 斷屑分析

為了驗(yàn)證切屑之間力的作用對(duì)切屑的影響，設(shè)計(jì)如下鉆削實(shí)驗(yàn)。根據(jù)槍鉆鉆尖的幾何參數(shù)，在工件上預(yù)先鉆一個(gè)階梯孔，預(yù)鉆孔尺寸與槍鉆尺寸的關(guān)系如圖3所示。圖中，D1＝Dd，D2＝Dd－2d1，D3＝Dd－2d3。

圖3 預(yù)鉆孔與槍鉆Fig.3 Predrilled hole and gun drill

在切削實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，槍鉆在進(jìn)入第一段階梯時(shí)不進(jìn)行切削，該孔為導(dǎo)向孔，在加工初期進(jìn)行導(dǎo)向，保證槍鉆加工的直線度；槍鉆進(jìn)入第二階梯時(shí)，僅外刃進(jìn)行切削，圓弧刃和內(nèi)刃不切削，得到外刃單獨(dú)加工的切屑；槍鉆進(jìn)入第三段階梯時(shí)，外刃和圓弧刃同時(shí)進(jìn)行切削，內(nèi)刃不切削，得到外刃與圓弧刃共同切削的切屑；槍鉆繼續(xù)加工則相當(dāng)于進(jìn)行實(shí)體加工，外刃、圓弧刃及內(nèi)刃都在切削，得到的切屑為三段切削刃共同切削的切屑。三個(gè)階段所得的切屑如圖4所示。

外刃單獨(dú)切削下來(lái)的是長(zhǎng)的帶狀切屑，帶狀切屑很薄，且呈螺旋狀，很難折斷。外刃與圓弧刃一起切下來(lái)的切屑，兩部分切屑基本是連接在一起的，切屑形狀由原來(lái)的螺旋狀變?yōu)槁詭б欢ɑ《鹊膱A弧段，切屑的形狀基本由三部分組成：螺旋屑、內(nèi)外刃帶狀切屑和外刃切屑。外刃加工的切屑，與外刃單獨(dú)加工的切屑相比，其切屑變形增加，加工表面的褶皺變形增加，切屑變短，從切屑形狀看，切屑大都是圓弧刃加工的切屑先斷裂，然后是外刃切屑折斷。三段刃一起切下來(lái)的切屑形狀呈扇形和小的螺旋狀，除了一些零碎的且很小的切屑以外，每段切屑基本都是由三部分（外刃、圓弧刃和內(nèi)刃）組成，與以上兩種切屑相比，外刃和圓弧刃切削下來(lái)的切屑，變形程度進(jìn)一步增加，形狀規(guī)則。

以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果清楚地表明切屑的變化是三段切屑之間相互作用的結(jié)果。

圖4 MG 鉆尖階梯孔鉆削切屑Fig.4 Chips of MG point in step－h(huán)ole drilling process

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)開發(fā)了一種新型的MG 槍鉆鉆尖，該鉆尖包含外刃、圓弧刃和內(nèi)刃三條切削刃。通過(guò)MQL條件下的鉆削實(shí)驗(yàn)，證明利用切屑之間的相互作用力可以實(shí)現(xiàn)有效的斷屑，MG 鉆尖斷屑效果優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)鉆尖。

［1］張波，張偉，遲輝，等.槍鉆加工滲碳鋼20Cr深孔時(shí)斷屑性能的改進(jìn)［J］.工具技術(shù)，2008，42（8）：47－49.

［2］葉偉昌.單刃槍鉆［J］.機(jī)械工藝師，1986（3）：38－41.

［3］朱林，王世清，劉戰(zhàn)鋒，等.新型雙刃槍鉆及切削試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械工藝師，1993（7）：5－6.

［4］ASTAKHOV V P，GALITSKY V V.The combined influence of various design and process parameters of gundrilling on tool life：Experimental analysis and optimization［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2008，36（9／10）：852－864.

［5］何企青.鈦合金TC－11深孔鉆削工藝試驗(yàn)［J］.機(jī)械，1987，14（1）：33－37.

［6］張平寬，王慧霖，馬朝華.深孔加工的負(fù)壓外排屑探討［J］.太原重型機(jī)械學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，17（2）：173－176.

［7］劉戰(zhàn)鋒，王天琦.外排屑深孔鉆削DF系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006（6）：16－18.