深孔鉆削穩(wěn)定性研究及應(yīng)用

1、深孔鉆削穩(wěn)定性研究及應(yīng)用深孔鉆削在機(jī)械加工中占有非常重要的地位，但由于有一些技術(shù)問題尚未解決，至今仍是金屬切削加工的“瓶頸”工序。在深孔加工中，常常發(fā)生鉆頭刀齒突然崩刃或斷齒，即鉆頭破損，其結(jié)果是工件孔表面損傷，鉆桿扭彎、斷裂，甚至機(jī)床被損壞。破損是深孔鉆最主要的損壞形式，其破損耐用度主要取決于刀刃受沖擊的次數(shù)和力度，即深孔鉆削穩(wěn)定性，特別是入鉆和出鉆的穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況統(tǒng)計(jì)，近80%的鉆頭早期破損都發(fā)生在入鉆或出鉆時(shí)。因此，深孔

2、鉆削穩(wěn)定性將直接影響鉆頭耐用度和鉆孔質(zhì)量?，F(xiàn)有的深孔鉆有深孔麻花鉆、槍鉆、單刃內(nèi)排屑深孔鉆和多刃錯(cuò)齒內(nèi)排屑深孔鉆等。其中多刃錯(cuò)齒內(nèi)排屑深孔鉆以其分屑可靠，切削力平衡，刀齒可分別選配材料等優(yōu)點(diǎn)，成為目前國內(nèi)外應(yīng)用最廣的一種深孔鉆，本文就基于此種鉆頭進(jìn)行研究。1鉆削穩(wěn)定性的影響因素影響鉆削穩(wěn)定性的因素很多，追根究底是由切削力變化而產(chǎn)生的。因此，這里主要分析切削力變化對(duì)切削穩(wěn)定性的影響，并從導(dǎo)向套與鉆頭間隙、鉆尖高度和導(dǎo)向塊布置方面加以論證。

3、鉆削過程中切削力變化的影響通過試驗(yàn)測(cè)得，用58.4鉆頭鉆削40CrNiMo5材料，切削扭矩變化如圖1所示，可分為五個(gè)階段。在導(dǎo)向套引導(dǎo)下，各切削刃依次切入工件，切削扭矩迅速增大。這時(shí)，切削合力使鉆頭上導(dǎo)向塊緊貼導(dǎo)向套孔壁，起導(dǎo)向作用，見圖1中的OA段。鉆頭所有刀齒切入工件后，切削扭矩達(dá)到最大。由于導(dǎo)向塊端部與鉆頭外刃刀尖之間的軸向位置之差，導(dǎo)向塊仍然停留在導(dǎo)向套內(nèi)，這時(shí)扭矩不會(huì)發(fā)生明顯變化，見圖1中的AB段，這段距離亦稱為導(dǎo)向塊滯后量

4、。導(dǎo)向塊進(jìn)入工件后，與孔壁發(fā)生摩擦、擠壓。這時(shí)扭矩會(huì)突然增大，隨著導(dǎo)向塊全部進(jìn)入，鉆頭定心作用加強(qiáng)，鉆削趨于平穩(wěn)，扭矩逐漸地減小，見圖1中的BC段。鉆頭在已加工表面上穩(wěn)定導(dǎo)向，切削扭矩沒有明顯的波動(dòng)，進(jìn)入穩(wěn)定鉆削階段，見圖1中的CD段。工件快被鉆透時(shí)，中心處發(fā)生塑性變形，鉆頭中心齒及部分中間齒不起切削作用，只有外齒和部分中間齒在切除殘余部分，因而形成“切削帽”。此時(shí)能量瞬時(shí)釋放，切削扭矩一下降低趨于零，見圖1中的DE段。由此可知，鉆頭的

5、入鉆使切削扭矩驟然產(chǎn)生，鉆頭的出鉆使切削扭矩驟然消失，其變化幅度之大，足以影響工件加工質(zhì)量和鉆頭耐用度，是鉆削穩(wěn)定性的主要影響因素。導(dǎo)向套與鉆頭間隙的影響為了正確引導(dǎo)鉆頭入鉆，通常采用在工件上加工出引導(dǎo)孔或采用導(dǎo)向套的方法，前者用于單件加工，后者用于批量生產(chǎn)。入鉆誤差由鉆頭與導(dǎo)向套(引導(dǎo)孔)之間的間隙造成，并隨軸向力的增大而加大。導(dǎo)向套與鉆頭間隙對(duì)入鉆誤差的影響如圖2所示。在鉆削開始時(shí)，徑向力將鉆頭導(dǎo)向塊壓向?qū)蛱卓妆?，由于兩者之間有間

6、隙，鉆頭中心相對(duì)工件回轉(zhuǎn)中心發(fā)生偏移(見圖2a)，這時(shí)鉆出的孔徑小于鉆頭直徑。當(dāng)導(dǎo)向塊開始進(jìn)入已加工孔時(shí)，在直徑略小的孔壁作用下，將外刃向外擠，使鉆頭中心相對(duì)工件回轉(zhuǎn)中心向相反方向偏移(見圖2b)，使孔徑擴(kuò)大，并且與導(dǎo)向孔壁擠壓摩擦，使鉆削扭矩迅速增大，這一過程與圖1中的BC段相對(duì)應(yīng)。往往此時(shí)鉆頭突然發(fā)生抖動(dòng)，鉆頭容易發(fā)生破損。隨著導(dǎo)向塊逐漸進(jìn)入，定心作用加強(qiáng)，加工孔徑也趨于穩(wěn)定(見圖2c)。這樣在工件入口處產(chǎn)生一個(gè)喇叭口，大端尺寸約等

7、于導(dǎo)向套的內(nèi)徑，長(zhǎng)度約等于導(dǎo)向塊長(zhǎng)度。間隙越大，喇叭口也越大，入鉆容易鉆偏，出鉆偏斜更大，鉆削過程振動(dòng)劇烈；間隙過小，容易發(fā)生夾鉆，造成刀具破損。由此可見，導(dǎo)向套與鉆頭的間隙也S=1時(shí)，鉆頭處于臨界狀態(tài)；S＜1時(shí)，鉆頭處于不穩(wěn)定狀態(tài)。2提高鉆削穩(wěn)定性的途徑消除或減小前述各因素的影響即可提高鉆削穩(wěn)定性。本文僅從深孔鉆結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一種尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆頭，詳見圖3。與普通深孔鉆相比主要進(jìn)行了以下改進(jìn)。降低鉆尖高度降低鉆尖高

8、度，可通過加大偏心量、將中心齒的內(nèi)刃磨成兩條折線刃來實(shí)現(xiàn)。其特點(diǎn)是：可以有效地降低鉆尖高度(見圖3中的鉆尖由h′降低到h)，縮短入鉆和出鉆的時(shí)間。入鉆時(shí)，中心齒和中間齒幾乎同時(shí)切入工件(見圖3中的Δh)，入鉆后很快就可以進(jìn)入正常切削狀態(tài)；出鉆時(shí)，切削帽減薄，各刀齒上刀削力幾乎同時(shí)消失，有效地提高了入鉆和出鉆過程的鉆削穩(wěn)定性。另外，內(nèi)折線刃還增大了中心齒的散熱體積和鉆尖強(qiáng)度。改中間齒為尖齒為了提高鉆削穩(wěn)定性，我們將中間齒設(shè)計(jì)為尖齒(見圖3

9、)。切削時(shí)，中間齒在孔底形成環(huán)形凸筋，與內(nèi)折線刃在孔底形成的反錐(見圖4)同時(shí)起到定心、穩(wěn)定鉆削的作用。增加減振塊普通深孔鉆大都采用兩個(gè)導(dǎo)向塊，與鉆頭外齒副刃基本上在180內(nèi)布置，穩(wěn)定度S＞1，當(dāng)切削力波動(dòng)不大時(shí)，可以保證鉆削過程穩(wěn)定性。但是，由于作導(dǎo)向的已加工孔表面有圓度誤差，以及工件材質(zhì)不均，特別是入鉆和出鉆，難免在鉆削過程中引起振動(dòng)，尤其是扭振，使鉆頭以某一個(gè)導(dǎo)向塊為支點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種情況，普通深孔鉆無法抑制。因此，我們?cè)阢@頭體后端增

10、設(shè)一減振塊，布置在外齒刀刃上方與之成90的位置，如圖3所示。在正常切削時(shí)，切削合力指向兩導(dǎo)向塊之間，使導(dǎo)向塊緊貼已加工孔壁，起導(dǎo)向作用，而減振塊位于后端，刃磨有倒錐使與已加工孔壁有一定的間隙，不起作用；當(dāng)鉆削力失去平衡發(fā)生振動(dòng)，產(chǎn)生偏離導(dǎo)向塊方向的位移時(shí)，減振塊才起作用，可以減振、消振，保護(hù)刀刃和提高加工孔的形狀精度。3試驗(yàn)驗(yàn)證試驗(yàn)條件試驗(yàn)設(shè)備：C630改裝深孔鉆床。試驗(yàn)鉆頭：58.4尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆頭和58.4普通深孔鉆頭各10支。

11、工件材料：40CrNiMo5250HB～300HB。切削用量：主軸轉(zhuǎn)速n=230rmin；進(jìn)給量vf=0.03mmr～0.15mmr。測(cè)量?jī)x器：SD375動(dòng)態(tài)分析儀、Y6D—3A動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、LZ3函數(shù)記錄儀、測(cè)力傳感器和位移傳感器等。試驗(yàn)方法測(cè)量?jī)煞N鉆頭切削力值，見表1。表1切削力對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)速nrmin進(jìn)給量vfmmr新型鉆頭與普通鉆頭扭矩之比%新型鉆頭與普通鉆頭軸向力之比%2300.0385.984.32300.0883.57