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。

圖1深孔鉆削過程中的扭矩變化

　　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。

　　鉆削過程中切削力變化的影響

　　通過試驗(yàn)測得，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。

　　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)�向套孔壁，由于兩者之間有間隙，鉆頭中心相對工件回轉(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，大端尺寸約等于導(dǎo)向套的內(nèi)徑，長度約等于導(dǎo)向塊長度。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是鉆削穩(wěn)定性的主要影響因素之一。

　　軸向力將會(huì)加大入鉆時(shí)的誤差，影響鉆削穩(wěn)定性。根據(jù)材料力學(xué)理論，以縱橫彎曲簡支梁的力學(xué)模型對深孔鉆削入鉆過程進(jìn)行研究。在建立力學(xué)方程后，可推導(dǎo)出軸向力對鉆頭作用時(shí)鉆桿撓度轉(zhuǎn)角的放大系數(shù)X(u)，該系數(shù)越大，撓度轉(zhuǎn)角也越大，即X(u)=3(tgu-u)/uu=0.5L(Fx/EI)½

　　式中：L——鉆桿長度

　　Fx——軸向力

　　E——彈性模量

　　I——慣性矩

　　式中E、I為常量，X(u)只與鉆桿長度L和軸向力Fx有關(guān)，L，F(xiàn)x增大，X(u)相應(yīng)增大。在入鉆時(shí)，軸向力Fx從零增加到最大，放大系數(shù)X(u)也不斷增加，鉆桿撓度轉(zhuǎn)角亦不斷地被放大，當(dāng)切削刃全部切入時(shí)，轉(zhuǎn)角達(dá)到最大。由于鉆頭與導(dǎo)向塊之間有間隙，鉆頭相對于工件端面發(fā)生傾斜，這就相當(dāng)于在斜面上鉆孔(見圖2d)，入鉆發(fā)生偏斜，鉆頭與鉆桿繞著工件回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生周期振動(dòng)，容易使鉆頭破損，使工件表面產(chǎn)生螺旋溝槽，并隨著鉆孔深度的增加而加大。

　　圖2導(dǎo)向套與鉆頭間隙的影響

　　鉆尖高度的影響

　　鉆尖高度是指鉆頭的鉆尖點(diǎn)到導(dǎo)向塊前端的軸向距離，見圖3中的h。鉆尖高度越大，入鉆和出鉆的時(shí)間就越長，不穩(wěn)定鉆削時(shí)間也越長。由于位于鉆尖的中心齒切削速度較低，切削力大，擠壓摩擦嚴(yán)重，卷屑、斷屑困難，定心、導(dǎo)向較差。入鉆時(shí)“單槍匹馬”，搖搖晃晃，容易斷齒或崩刃。出鉆時(shí)不易形成“切削帽”，鉆尖首先鉆穿工件，失去孔底的反錐尖定心(見圖4)，鉆削力突然失去平衡，鉆頭晃動(dòng)突然加劇，非常容易崩刃(特別是外齒)。因此鉆尖的高低直接影響鉆削穩(wěn)定性、鉆頭耐用度和鉆孔精度。

圖3尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆

圖4孔底的形狀

　　導(dǎo)向塊位置的影響

　　深孔鉆利用外齒副刃和兩個(gè)導(dǎo)向塊三點(diǎn)定圓自行導(dǎo)向進(jìn)行切削。導(dǎo)向塊必須始終保持與已加工孔壁接觸，并有一定的壓力存在，才能保證加工過程的穩(wěn)定性。目前，常采用靜力學(xué)中“穩(wěn)定度”的概念作為合理布置導(dǎo)向塊位置的理論依據(jù)。穩(wěn)定度在這里是指以所要考察的那個(gè)導(dǎo)向塊作為支點(diǎn)，使非考察的那個(gè)導(dǎo)向塊壓向孔壁的力矩與使非考察的那個(gè)導(dǎo)向塊脫離孔壁的力矩的比值。這樣一個(gè)鉆頭就有兩個(gè)穩(wěn)定度，對于整個(gè)鉆頭的穩(wěn)定度，應(yīng)該把兩者中最小的作為該鉆頭的穩(wěn)定度S，S值越大，鉆削穩(wěn)定性越好，即S>1時(shí)，鉆頭處于穩(wěn)定狀態(tài);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)。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，我們在鉆頭體后端增設(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

　　1)試驗(yàn)條件

　　 試驗(yàn)設(shè)備：C630改裝深孔鉆床。

　　 試驗(yàn)鉆頭：Ø58.4尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆頭和Ø58.4普通深孔鉆頭各10支。

　　 工件材料：40CrNiMo5250HB～300HB。

　　 切削用量：主軸轉(zhuǎn)速n=230r/min;進(jìn)給量vf=0.03mm/r～0.15mm/r。

　　 測量儀器：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、測力傳感器和位移傳感器等。

　　2)試驗(yàn)方法

　　a. 測量兩種鉆頭切削力值，見表1。表1切削力對比試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　b. 測量瞬間軸向力變化情況。

　　c. 測量兩種鉆頭在鉆削過程中鉆桿的振幅，對比曲線如圖5所示。

圖5鉆桿振幅對比曲線

　　d. 測量兩種鉆頭的鉆削長度。

　　e. 測量兩種鉆頭的鉆孔精度。

　　4)試驗(yàn)結(jié)果分析

　　由表1可以看出，隨著進(jìn)給量的增加，兩種鉆頭的軸向力和扭矩相應(yīng)增大。尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆比普通深孔鉆軸向力平均降低20.1%，扭矩平均降低17.4%，而且隨著進(jìn)給量增加，新型鉆頭切削力增加較為緩慢。

　　根據(jù)函數(shù)記錄儀所記錄下的軸向力瞬間變化情況，當(dāng)進(jìn)給量突然增大時(shí)，兩種鉆頭的軸向力均呈周期性變化，但新型鉆頭的波峰值始終小于普通深孔鉆，而且波動(dòng)幅度也小于普通深孔鉆，這說明尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆的鉆削穩(wěn)定性優(yōu)于普通深孔鉆。產(chǎn)生這種效果的主要原因是中間齒是尖齒和有減振塊，加強(qiáng)了定心作用。

　　圖5是兩種鉆頭鉆削過程中鉆桿振幅量的對比曲線。圖中A、B、C點(diǎn)分別為中心齒、導(dǎo)向塊、減振塊鉆入時(shí)鉆桿的振幅量。顯然，由于尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆鉆尖高度低、中間齒是尖齒，入鉆和整個(gè)鉆削過程的振動(dòng)均小于普通深孔鉆，而且在C點(diǎn)之后，即減振塊進(jìn)入工件后，鉆頭還有一個(gè)減振穩(wěn)定過程，使鉆削扭矩迅速減弱到正常水平，而普通深孔鉆沒有這一過程。出鉆時(shí)，在D、E之間，普通深孔鉆振動(dòng)加劇，振幅增大，而新型鉆頭由于各刀齒高差小，幾乎同時(shí)透鉆，且又有減振塊的保護(hù)，可以平穩(wěn)出鉆，鉆桿振幅很小。

　　根據(jù)兩種鉆頭鉆削路程長度對比試驗(yàn)，由于尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆鉆削穩(wěn)定性好，平均鉆削路程長度達(dá)16.16m，高于普通深孔鉆近一倍。

　　兩種鉆頭鉆孔精度比較，尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆鉆孔圓度誤差比普通深孔鉆小3µm左右，孔徑誤差小0.04mm，尺寸精度可達(dá)IT7級(jí)～I(xiàn)T8級(jí)。新型鉆頭鉆孔表面質(zhì)量好，加工表面光滑，無螺旋刀痕，表面粗糙度在Ra1.0～Ra3.2之間。