可轉(zhuǎn)位深孔鉆導(dǎo)向塊的設(shè)計(jì)

陸振華，袁躍峰，張玉蓮，李 斌，王 偉

(浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)機(jī)械加工的精度要求不斷提高，對(duì)零部件的精度要求也越來越高。在金屬切削加工總量中，大約1/3是孔加工，而深孔加工又占到孔加工的1/3[1]。由此可知，深孔加工在機(jī)械制造業(yè)里占據(jù)著舉足輕重的地位[2]，尤其是在塑料機(jī)械、汽車、高鐵、航空航天、船舶、石油化工、軍工等產(chǎn)業(yè)中深孔加工技術(shù)尤為重要。深孔是指孔深和孔徑之比大于5的圓柱孔[3]。在深孔加工中，可轉(zhuǎn)位深孔鉆的應(yīng)用最為廣泛，目前我國在高效、高精可轉(zhuǎn)位深孔加工技術(shù)方面與歐美發(fā)達(dá)國家相比仍有較大差距，可轉(zhuǎn)位深孔鉆國產(chǎn)化迫在眉睫，因此對(duì)可轉(zhuǎn)位深孔鉆的研究就顯得非常重要。導(dǎo)向塊是可轉(zhuǎn)位深孔鉆的重要組成部分，起著定心等關(guān)鍵作用，對(duì)深孔加工的質(zhì)量、效率有重要的影響。在可轉(zhuǎn)位深孔加工過程中，導(dǎo)向塊的磨損最嚴(yán)重，急需開發(fā)耐磨損導(dǎo)向塊。

1 可轉(zhuǎn)位深孔鉆的工作原理

可轉(zhuǎn)位深孔鉆的加工性能優(yōu)越，它的排屑方式為外冷內(nèi)排屑。在孔加工過程中，切削液通過鉆桿與鉆孔之間的間隙流到刀體的頭部，在冷卻的同時(shí)將產(chǎn)生的切屑帶走。因?yàn)樯羁足@的刀刃錯(cuò)開分布，所以在孔加工過程中不僅具備了良好的分屑性能，同時(shí)還能提供較高的穩(wěn)定性。此外在孔加工的過程中，通過導(dǎo)向塊的擠壓，可以在孔表面形成一層致密的保護(hù)層[4]。可轉(zhuǎn)位深孔鉆由刀體、刀片和導(dǎo)向塊3部分組成。該深孔鉆的刀頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，鉆頭上的刀片是可以更換的，刀體的主體部分可以長期使用，所以能夠以較低的成本實(shí)現(xiàn)大批量快速生產(chǎn)。刀體依靠方牙螺紋與強(qiáng)度很高的鉆桿相連接，有利于保證深孔加工的精度?？赊D(zhuǎn)位深孔鉆的主要不足之處是受結(jié)構(gòu)限制難以用于小直徑深孔的加工。

2 導(dǎo)向塊的工作狀態(tài)和力學(xué)分析

2.1 導(dǎo)向塊的工作狀態(tài)分析

如圖1所示，可轉(zhuǎn)位深孔鉆有兩個(gè)導(dǎo)向塊：前導(dǎo)向塊和后導(dǎo)向塊。前導(dǎo)向塊比較靠近中心齒，后導(dǎo)向塊比較靠近中間齒。導(dǎo)向塊在深孔加工過程中起到打磨孔內(nèi)表面的作用,所以想要加工出較高質(zhì)量的孔表面，導(dǎo)向塊至關(guān)重要。在打磨孔表面的時(shí)候，導(dǎo)向塊承受著孔壁帶來的很大的擠壓力，一旦導(dǎo)向塊的質(zhì)量不過關(guān)，就很容易損壞。

圖1 導(dǎo)向塊工作狀態(tài)

2.2 導(dǎo)向塊的力學(xué)分析

本文以布置兩個(gè)導(dǎo)向塊的可轉(zhuǎn)位深孔鉆為例進(jìn)行分析，兩個(gè)導(dǎo)向塊的夾角為90°。由圖2可知[5]，導(dǎo)向塊1承受的力分別為正壓力N1和摩擦力Ff1，導(dǎo)向塊2承受的力分別為正壓力N2和摩擦力Ff2。在深孔加工過程中，導(dǎo)向塊的受力可以視為F1和F2。Fx與Fy的合力F與x軸正方向的夾角為λ,導(dǎo)向塊1與x軸正方向的夾角為θ1，導(dǎo)向塊2與x軸正方向的夾角為θ2[6]。

圖2 導(dǎo)向塊上作用的力

由圖2可得：

(1)

由徑向力的平衡，可得∑Fx=0，∑Fy=0，即：

Fcosλ-F1cos(θ1+β)+F2cos(θ2+β)=0

(2)

-Fsinλ+F1cos(θ1+β)-F2cos(θ2+β)=0

(3)

式中：β為正壓力與作用力之間的夾角。

通過式(2)、(3)的計(jì)算，可得：

F1=

(4)

F2=

(5)

由式(4)、(5)可得以下結(jié)論：

當(dāng)|θ2-θ1|=90°時(shí)，F(xiàn)1和F2取值最小。一旦λ=90°，F(xiàn)1為負(fù)值，深孔鉆的鉆削就呈現(xiàn)一種不平衡的狀態(tài)。

當(dāng)|θ2-θ1|在90°～180°時(shí)，F(xiàn)1和F2的值為正值，系統(tǒng)的鉆削是一種平衡狀態(tài)。

當(dāng)|θ2-θ1|=180°時(shí)，F(xiàn)1和F2的值趨向于無窮大，可轉(zhuǎn)位深孔鉆的鉆削就不能保持平衡了。

當(dāng)|θ2-θ1|>180°時(shí)，F(xiàn)1和F2的值為負(fù)值，導(dǎo)向塊受到了一股拉力，這種情況不可能出現(xiàn)在鉆削過程中。

3 新型導(dǎo)向塊制備和實(shí)驗(yàn)

3.1 2種新型導(dǎo)向塊形狀設(shè)計(jì)

新設(shè)計(jì)的兩種導(dǎo)向塊外形如圖3和圖4所示。

圖3 導(dǎo)向塊外形一

圖4 導(dǎo)向塊外形二

3.2 4種新型導(dǎo)向塊材料

材料1：Al2O3-TiCN陶瓷，如圖5所示。Al2O3-TiCN陶瓷通過加入少量的黏結(jié)金屬Ni、Mo等，提高了刀具本身的強(qiáng)度。該陶瓷刀具適合切削耐磨鑄鐵，常使用在粗加工中[7]。

圖5 材料1制作的導(dǎo)向塊

材料2：Al2O3-ZrO2陶瓷，如圖6所示。這是一種新型材料，應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛。ZrO2具有較高的韌性,可提高Al2O3陶瓷的斷裂韌性。TiC、TiN顆粒的結(jié)構(gòu)比較特殊，能夠有效地提高Al2O3陶瓷的硬度和導(dǎo)熱性能。該材料耐磨損能力特別強(qiáng)，非常適合用于制作耐磨損的刀具。Al2O3-ZrO2陶瓷材料將會(huì)因?yàn)槠漭^高的耐磨損性能在很多領(lǐng)域得到運(yùn)用[7]。

圖6 材料2制作的導(dǎo)向塊

材料3：硬質(zhì)合金覆蓋釩硅氮涂層。將舊的導(dǎo)向塊表面涂層打磨掉并清洗干凈，然后在導(dǎo)向塊的表面覆蓋上一層釩硅氮涂層，如圖7所示。纖維結(jié)構(gòu)的釩硅氮涂層使刀具表面更加致密，使得刀具的硬度得到提升。同時(shí)，在深孔鉆削開始時(shí)導(dǎo)向塊與孔壁會(huì)發(fā)生較強(qiáng)烈的摩擦從而產(chǎn)生大量的熱，由于釩是非常容易被氧化的，摩擦產(chǎn)生的熱能夠使得導(dǎo)向塊工作表面很快地形成釩的氧化物，使得導(dǎo)向塊在加工過程中遇到的摩擦阻力降低。釩硅氮涂層的導(dǎo)向塊不僅具備了高硬度、高密度的特性，在深孔鉆削的過程中還極大地降低了摩擦阻力，有效地降低了崩刀現(xiàn)象發(fā)生的概率[8]。

圖7 材料3制作的導(dǎo)向塊

材料4：硬質(zhì)合金覆蓋氮化鉻鋁涂層。硬質(zhì)合金具備較好的耐沖擊性能、抗壓性能和耐磨性能，使它能夠被當(dāng)作導(dǎo)向塊的基體材料，如圖8所示。具備氮化鉻鋁涂層材料的刀具在機(jī)加工的過程中會(huì)形成一層保護(hù)性的氧化膜，這層膜能夠大大地提高刀具的抗氧化性能。氮化鉻鋁涂層還能大大地提高刀具的硬度，因此氮化鉻鋁很合適應(yīng)用在導(dǎo)向塊上[9]。

圖8 材料4制作的導(dǎo)向塊

3.3 新型導(dǎo)向塊的性能

3.3.1實(shí)驗(yàn)條件

為了獲得4種不同材料制作的導(dǎo)向塊在實(shí)際深孔加工中具體的工作性能，將每種導(dǎo)向塊安裝到可轉(zhuǎn)位深孔鉆上，進(jìn)行相關(guān)的深孔加工，以觀測(cè)導(dǎo)向塊在實(shí)際加工中的性能。具體實(shí)驗(yàn)條件見表1，其中工件為38CrMoAl圓棒料。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

3.3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)1：Al2O3-TiCN陶瓷導(dǎo)向塊在深孔鉆削5min后出現(xiàn)了破損，導(dǎo)向塊磨損程度比較大，但其主體結(jié)構(gòu)并未有太大的變化，如圖9所示。Al2O3-TiCN陶瓷導(dǎo)向塊磨損快是由于表面沒有覆蓋涂層，通過覆蓋導(dǎo)向塊表面涂層可以減少磨損。

圖9 實(shí)驗(yàn)1磨損情況

實(shí)驗(yàn)2：Al2O3-ZrO2陶瓷導(dǎo)向塊在加工中體現(xiàn)的性能比較差。導(dǎo)向塊在實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)整體破損，原因可能是因該陶瓷加工工藝的不完善導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

圖10 實(shí)驗(yàn)2磨損情況

實(shí)驗(yàn)3：在深孔鉆削加工結(jié)束后，覆蓋在硬質(zhì)合金導(dǎo)向塊上的釩硅氮涂層出現(xiàn)了剝落，但是導(dǎo)向塊整體并沒有發(fā)生形變，基體也只有少許的磨損。涂層脫落的主要原因是舊的基體材料表面未清理干凈和有污漬，導(dǎo)致新覆蓋的涂層材料和基體材料之間沒有很高的黏接強(qiáng)度。

圖11 實(shí)驗(yàn)3磨損情況

實(shí)驗(yàn)4：覆蓋氮化鉻鋁涂層的硬質(zhì)合金導(dǎo)向塊實(shí)現(xiàn)了可重復(fù)使用，1個(gè)該類型的導(dǎo)向塊可完成加工10根棒料的工作，導(dǎo)向塊磨損掉的厚度為0.030mm。新硬質(zhì)合金導(dǎo)向塊表面覆蓋的氮化鉻鋁涂層，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)磨損較小，說明對(duì)導(dǎo)向塊表面涂覆氮化鉻鋁有利于提高耐磨損性能。

圖12 實(shí)驗(yàn)4磨損情況

4 結(jié)束語

覆蓋氮化鉻鋁涂層的硬質(zhì)合金導(dǎo)向塊耐磨損性能較好、質(zhì)量好、使用壽命長、性價(jià)比高。可轉(zhuǎn)位深孔鉆導(dǎo)向塊采用硬質(zhì)合金基體并進(jìn)行氮化鉻鋁涂層的設(shè)計(jì)思路是可行的、有效的，能提高可轉(zhuǎn)位深孔鉆的加工精度和效率、降低加工成本，有著廣闊的應(yīng)用空間。該導(dǎo)向塊的應(yīng)用范圍及后續(xù)系列產(chǎn)品的開發(fā)還有待進(jìn)一步的研究。