高質(zhì)量的十字孔工藝

--對大型樣件的研究結(jié)果可以用于預(yù)測鉆孔的質(zhì)量

    十字鉆孔工藝可以劃分為許多步驟，從而進(jìn)行詳細(xì)地研究。事先，孔的質(zhì)量對軸偏移量、導(dǎo)槽的寬度和數(shù)量起著決定性的影響。

一般來說，十字鉆孔工藝比單純的鉆孔工藝更加復(fù)雜。由于鉆頭在穿過橫向孔時(shí)的負(fù)荷較大，因此在實(shí)際操作中需要減少進(jìn)給量。進(jìn)行十字鉆孔工藝時(shí)需要了解負(fù)荷的比例及其對孔質(zhì)量的影響，然后才能選擇適合的刀具，以及避免在較高生產(chǎn)效率和質(zhì)量要求的情況下降低進(jìn)給量�？踪|(zhì)量的要求主要取決于應(yīng)用場合。

    十字孔工藝的整個(gè)流程可以劃分為7個(gè)步驟（圖1）。各步驟的切削寬度并不統(tǒng)一，而是根據(jù)刀具的旋轉(zhuǎn)和孔的深度進(jìn)行調(diào)整。為了研究十字孔工藝中的典型現(xiàn)象選擇6/8的直徑比例（DV）。6/8的直徑比例指的是：直徑6毫米的十字孔穿透直徑8毫米的橫向孔。

圖1. 詳細(xì)研究十字孔工藝流程，能夠?qū)⑵鋭澐譃?個(gè)步驟。

關(guān)鍵的步驟可能會(huì)降低孔的質(zhì)量

    在常規(guī)的鉆孔工藝中仍然可以找到步驟1、2、7，在此不作深究。而在步驟3、4、5中刀具承受較大的負(fù)荷（圖2）。當(dāng)?shù)毒叽┻^橫向孔時(shí)（步驟3），首先開始的是橫向切削或者孔尖切削。根據(jù)孔的不同形式和相應(yīng)的孔深度，需要在圓錐上簡單地切削出對應(yīng)的彎曲凸臺(tái)�？椎男问蕉喾N多樣，從圓形孔、穿孔到橢圓形孔。

    以負(fù)值的切削角加工孔尖與其說是切削加工，還不如將其認(rèn)定為成型加工。此后的大多數(shù)情況下這個(gè)區(qū)域都將用于承受進(jìn)給力Fz。一旦刀具離開這個(gè)區(qū)域，其進(jìn)給力將迅速下降。其他的外露區(qū)域可以在較大鉆削扭矩情況下用于支承待鉆削加工工件。由于在步驟3中刀具已經(jīng)接觸到工件本體材料，因此這個(gè)階段中的鉆削扭矩下降緩慢。

步驟3、4、5的圖形顯示在十字孔區(qū)域會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)的刀具負(fù)荷

圖2：在切削過程中交變力和扭矩的變化過程

    如果待加工的是橢圓形孔，那么在切削力信號(hào)中可以清楚的辨認(rèn)出強(qiáng)烈的動(dòng)態(tài)變化。這主要是由于當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)拔出時(shí)的切削寬度不斷變化而引起的。每旋轉(zhuǎn)半圈，在橢圓形短軸上的最大切削寬度就會(huì)變化為長軸上的最小值（圖3）。相應(yīng)的，每一圈的鉆削扭矩和進(jìn)給力都會(huì)出現(xiàn)兩次最大值和最小值。一旦鉆削扭矩和進(jìn)給力降低到0，步驟3就結(jié)束。也就是說，此時(shí)的橢圓形長軸長度應(yīng)該與孔的直徑相等，而且短時(shí)間內(nèi)停止切削。

圖3：到刀具鉆入橫向孔時(shí)，切削寬度發(fā)生大幅度的變化。圖形也顯示出，

刀具每旋轉(zhuǎn)一圈進(jìn)給力和鉆削扭矩會(huì)在最小值和最大值之間變化兩次。

    在步驟4的穿透過程中，必須每半圈中斷切削加工。理論上來說，鉆頭兩邊的切削力應(yīng)該對稱布置，不允許對工件施加軸向上的合力。圖2的圖表可以表示軸向合力的實(shí)際情況。如果孔的深度不變，那么刀具的切削量也不會(huì)減少，處于空切狀態(tài)�？椎纳疃扰c直徑比例DV直接相關(guān)。當(dāng)DV比例設(shè)置為6/8時(shí)，需要認(rèn)真考慮鉆入和鉆穿步驟。刀具在這個(gè)步驟中將承受高頻交變作用力和偏心力，將對孔的質(zhì)量產(chǎn)生負(fù)面影響。切削中斷時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈的溫度交變應(yīng)力將縮短刀具的使用壽命。

    在空切階段，鉆削扭矩和進(jìn)給力均為0，這也是保證徑向力為0鎖必需的。然而圖2中去顯示了徑向力信號(hào)比較明顯的波動(dòng)。鉆頭在鉆削過程中會(huì)出現(xiàn)彎曲。在步驟和中需要對徑向力進(jìn)行監(jiān)控，以免其等于0。如果在空切階段拔出刀具，那么將與鉆削得到孔內(nèi)壁上的導(dǎo)槽發(fā)生摩擦。一旦刀具脫離橫向孔，那么空切階段就將結(jié)束。

    拔出刀具時(shí)的接觸比例主要取決于直徑比例系數(shù)和鉆頭的尖端幾何結(jié)構(gòu)。對于被調(diào)查的刀具，當(dāng)尖端角度為140度、DV系數(shù)為6/8時(shí)，鉆頭的棱邊將首先接觸到工件。如果鉆頭與工件發(fā)生短時(shí)間的接觸，那么進(jìn)給力就將迅速上升。由圓錐及一個(gè)凹臺(tái)所構(gòu)成的特殊孔會(huì)在拔出刀具時(shí)將切削寬度擴(kuò)大。

    拔出刀具階段的徑向力會(huì)首先在橫向孔方向上發(fā)生波動(dòng)。每當(dāng)鉆頭轉(zhuǎn)半圈就會(huì)達(dá)到切削寬度的最大值。受徑向力的影響，鉆削缺陷會(huì)在鉆頭上引起彎轉(zhuǎn)扭矩以及不同的較大的切削力。

十字孔和橫向孔之間的軸向偏移會(huì)擠壓鉆頭

    試切中產(chǎn)生的偏差經(jīng)常會(huì)有意無意地導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)中的軸向偏移（AV）。圖4顯示了這種偏移對孔質(zhì)量的影響。即使是很小的AV軸向偏移也會(huì)顯著損害孔的直線度，大于0.5毫米的軸向偏移量就會(huì)嚴(yán)重影響孔的質(zhì)量。直線度誤差的原因是在鉆削和拔出步驟中刀具產(chǎn)生了強(qiáng)烈的偏移。實(shí)際上鉆頭每旋轉(zhuǎn)一圈，切削寬度就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的波動(dòng)。

圖4：在橫向孔區(qū)域中，即使是較小的軸

向偏移也會(huì)極大地影響孔的直線度

    在軸向偏移AV為0.5毫米、直徑比例DV為6/8時(shí)對鉆孔階段切削橫截面進(jìn)行模擬會(huì)發(fā)現(xiàn)：即使是如此微小的軸向偏移量也會(huì)導(dǎo)致主軸上的切削寬度比副軸的高46%。如果在全切削時(shí)出現(xiàn)徑向合力，那么就會(huì)擠壓刀具。當(dāng)在不平整表面上進(jìn)行鉆削加工，且刀具未精確對中時(shí)，系統(tǒng)還需要顯示橫向孔方向上力的升高趨勢。如果鉆頭的切削刃一旦接觸工件，就會(huì)影響鉆頭的對中。

    在加工圓形孔時(shí)，0.1~0.3毫米的軸向偏移基本上不會(huì)影響孔的質(zhì)量。但是更大的軸向偏移會(huì)對圓形孔產(chǎn)生持續(xù)的影響。0.5毫米的軸向偏移甚至?xí)�使圓形孔變成橢圓形孔。其原因是鉆入工件步驟中刀具上的負(fù)荷不對稱。具有兩根導(dǎo)槽的刀具只能得到單邊的支撐。而且刀具很容易被從垂直方向上擠開。橢圓形孔并不是由于空切階段副刀刃的修整作用而產(chǎn)生。在鉆入階段的末尾拔出刀具的實(shí)驗(yàn)可以證明這一點(diǎn)。軸向偏移不僅會(huì)降低孔的質(zhì)量，還會(huì)在引起導(dǎo)槽與孔內(nèi)壁之間強(qiáng)烈的摩擦。

調(diào)整鉆頭外形可以改善其使用性能

    根據(jù)加工任務(wù)對鉆頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行匹配可以持續(xù)改善螺旋鉆頭的使用性能。首先，應(yīng)該改善刀具側(cè)面的支撐。更寬的導(dǎo)槽能夠明顯改善十字孔的質(zhì)量，能夠提供更好的支撐，能夠減少刀具的偏移，還能夠改善孔的表面質(zhì)量。一把導(dǎo)槽寬度為1.6毫米的刀具加工所得到的平均表面粗糙度比導(dǎo)槽為0.3毫米刀具所得到的粗糙度平均要低40%。軸向偏移能夠明顯加大導(dǎo)槽寬度對孔質(zhì)量的影響（圖5）。當(dāng)軸向偏移AV為0.8毫米時(shí)，更大的導(dǎo)槽寬度幾乎可以避免橢圓形孔的產(chǎn)生。

圖5：導(dǎo)槽寬度對于孔質(zhì)量的影響

    如果在刀具上的導(dǎo)槽數(shù)量從2根增加到4根就可以提供更好的支撐并減少徑向力的產(chǎn)生。兩個(gè)呈90度夾角布置的導(dǎo)槽組能夠在整個(gè)范圍內(nèi)均勻分布。與兩個(gè)導(dǎo)槽的刀具相比，即使這種四導(dǎo)槽刀具的導(dǎo)槽寬度相對較小，也可以顯著改善孔的質(zhì)量。如果將第二個(gè)導(dǎo)槽組沿著鉆頭背部布置，那么還可以提高其同軸度。對于十字孔而言，將導(dǎo)槽布置在鉆頭背部和切削槽之間的過渡區(qū)域更加合理。這種均勻的支撐作用對軸向偏移的效果更為明顯。同軸布置的刀具上的第三、第四根導(dǎo)槽可以在鉆入時(shí)更早接觸工件。但是根據(jù)試生產(chǎn)尚未能夠證明這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

    達(dá)姆施塔特工業(yè)大學(xué)的生產(chǎn)管理、工藝及機(jī)床研究所開展了大量研究，基于這些研究成果可以為預(yù)測孔的質(zhì)量而設(shè)計(jì)出大量不同的模型。利用優(yōu)化過的模擬過程可以使用計(jì)算機(jī)刀具優(yōu)化軟件實(shí)施大量的試生產(chǎn)，而不用過多考慮范圍和成本。