內(nèi)排屑小深孔加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀

深孔加工技術(shù)已在國防工業(yè)、石油采掘、航空航天、機(jī)床、汽車等行業(yè)獲得相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，且由于其高效、高精度等優(yōu)越性，深孔加工技術(shù)也在某些零件的淺孔加工中得到應(yīng)用。

近年來，深孔加工技術(shù)的發(fā)展很快，我國機(jī)械制造加工業(yè)對深孔加工技術(shù)的研究也取得了長足的進(jìn)步，如將深孔鉆削與低頻振動切削結(jié)合起來形成的深孔振動鉆削技術(shù)；噴吸鉆系統(tǒng)、單管內(nèi)排屑噴吸鉆(SED)系統(tǒng)、槍鉆系統(tǒng)、BTA鉆削系統(tǒng)、深孔套料鉆削系統(tǒng)等也都有相應(yīng)的研究和創(chuàng)新。我所多年為一直致力于深孔加工技術(shù)的研究，在深孔機(jī)床和鉆、鏜削刀具的設(shè)計制造方面，在深孔鉆削技術(shù)的改進(jìn)和排屑系統(tǒng)方面均作出了較為滿意的成果，現(xiàn)僅對內(nèi)排屑小深孔加工技術(shù)的發(fā)展和我們所獲得的成果介紹如下。

國內(nèi)外小深孔加工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

據(jù)情報檢索，目前世界上利用外排屑(如槍鉆)深孔鉆削技術(shù)，可鉆削的孔徑小到f2mm。而內(nèi)排屑深孔鉆削的孔徑很少有小于f16mm的，且多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的BTA鉆削系統(tǒng)。由于槍鉆結(jié)構(gòu)為不對稱形狀，質(zhì)心偏離中軸，這給制造、重磨都帶來一定的困難，也使造價增高。

另外，其結(jié)構(gòu)剛度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度低(同直徑的圓形鉆桿扭轉(zhuǎn)剛度是槍鉆的2.3倍)，使其使用的鉆削速度降低，進(jìn)給量小。采用單管內(nèi)排屑噴吸鉆(SED)鉆削系統(tǒng)，鉆削小深孔直徑可小到f3.7mm。我工藝所采用SED技術(shù)，進(jìn)行了孔徑(mm)f16、f12、f10、f8、f7.62、f5.7、f3.7的小深孔鉆削加工，鉆削過程平穩(wěn)，排屑流暢，孔的尺寸形狀精度和孔壁表面粗糙度均能滿意，在上述孔徑范圍內(nèi)，完全可以替代槍鉆對小深孔進(jìn)行鉆削加工。由于其剛度好，可加大進(jìn)給量和鉆削速度，使生產(chǎn)效率、鉆孔質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益均有所提高，顯示了一定的技術(shù)優(yōu)勢。

小深孔加工技術(shù)的難點(diǎn)和對策

深孔鉆削加工就有相當(dāng)?shù)碾y度，內(nèi)排屑小深孔鉆削的難點(diǎn)就更加突出，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

圖1 SED深孔鉆削系統(tǒng)

圖2 螺紋聯(lián)接式深孔刀具

排屑困難

內(nèi)排屑小深孔鉆削時的切屑，要經(jīng)過鉆桿內(nèi)的排屑通道排出，孔徑越小，其排屑就越困難。例如，要鉆削f8mm的深孔，鉆桿外徑是f5.2 mm，鉆桿內(nèi)徑僅有f4～4.2 mm，而鉆桿長一般達(dá)500～1500 mm。因此，在鉆削過程中，發(fā)生堵屑是經(jīng)常的。為使排屑流暢，鉆頭切削刃上設(shè)計出合理的斷屑和分屑臺，保證可靠斷屑十分重要。但小深孔的進(jìn)給量很小，實現(xiàn)C形斷屑對于某些韌性材料是不可能的，鉆屑常常是柔軟的小帶狀，鉆削過程中作為冷卻和沖刷切屑的切削液壓力產(chǎn)生波動或壓力下降時，切屑瞬時滯流、折疊而堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致鉆刃損壞和鉆桿扭斷。為徹底解決這一問題，可以從斷屑和排屑兩方面采取措施。最有效的斷屑方法是采用振動斷屑技術(shù)，能穩(wěn)定地得到所需要的切削形狀。

增加切削液對鉆屑的排屑作用力，是SED鉆削系統(tǒng)的特點(diǎn)，如圖1所示，高壓切削液一路進(jìn)入授油器，潤滑冷卻鉆削區(qū)和刀具，并以3MPa～4.5 MPa的壓力迫使切屑進(jìn)入排屑通道，并將切屑推出；另一路切削液進(jìn)入可調(diào)式負(fù)壓抽屑裝置，形成負(fù)壓，對切屑產(chǎn)生吸力，吸出切屑。切屑在推和吸的雙重作用下能順利排出。實踐證明，即使鉆屑呈帶狀，且從鉆削開始到加工結(jié)束一直保持連綿不斷，都能保證排屑流暢順利。

鉆桿剛度不足

深孔鉆削的鉆桿細(xì)而長，小深孔鉆削的鉆桿更是細(xì)長，其剛度很低，因此，在設(shè)計小深孔刀具時，應(yīng)當(dāng)盡可能提高刀具(包括鉆頭和鉆桿)整體的剛度。在傳統(tǒng)設(shè)計中，鉆桿與鉆頭采用了方牙螺紋聯(lián)接方式(見圖2)。這要在管壁很薄的鉆桿上切出方牙螺紋，勢必更使細(xì)長鉆桿的強(qiáng)度和剛度下降。

如鉆削f5.7mm深孔，鉆桿外徑只能取f4mm，在壁厚不足1mm上再挖去一個方牙螺紋的深度0.25mm，螺紋聯(lián)接處的強(qiáng)度和剛度大大下降，在鉆削中，鉆桿常在螺紋聯(lián)接處扭斷。即使用小進(jìn)給量以降低鉆削扭矩，也不能防止扭斷事故。為解決這一問題，對于鉆削孔徑f12mm以下孔的鉆桿和鉆頭的聯(lián)接，可采用圖3所示的3種方法。

圖3 焊接(粘接)式刀具

圖3a是將鉆頭和鉆桿做成90°鈄口，用低溫銀焊(有時也用銅焊)或粘接將鉆頭和鉆桿聯(lián)接。圖3b是將鉆頭的鉆柄直徑車小，鉆桿聯(lián)接處的孔徑鏜大與鉆柄裝配成一體，再在接縫處用低溫焊接或用粘接固定。圖3c則將硬質(zhì)合金刀片做成了“T”型端面，而在鉆桿上相應(yīng)銑出“T”型溝槽，將刀片插入粘接固定。這3種方法經(jīng)多次試驗，均比方牙螺紋聯(lián)接的強(qiáng)度和剛度要好，可適當(dāng)加大小深孔鉆削時的進(jìn)給量，生產(chǎn)效率也得到相應(yīng)的提高。

制造困難

鉆桿和鉆頭若采用傳統(tǒng)的螺紋聯(lián)接，要在鉆削小深孔的刀具鉆桿孔內(nèi)車制方牙內(nèi)螺紋，螺紋車刀要比鉆桿內(nèi)徑還要小，并且要刃磨出有嚴(yán)格尺寸的刀刃；方牙螺紋的螺距大，車制時又不能直觀加工狀況，操作很困難。鉆頭部的制造更為困難，除在柄部車削出方牙螺紋外，還要在直徑不大的刀頭上銑削出供裝焊硬質(zhì)合金導(dǎo)條和刀片的凹槽和一個排屑通道。之后，硬質(zhì)合金導(dǎo)條、刀片與刀頭體的高溫焊接還會引起過熱、變形。因此，制造出合格的小深孔鉆削刀具在工藝、操作上是有相當(dāng)技術(shù)難度的。

采用圖3所示的措施后，使制造工藝相對簡單多了。鉆頭部的制造全部改用粉末冶金硬質(zhì)合金小鉆頭，只要一次性投資，制作出一個粉末冶金小鉆頭的模具，就可得到鉆削小深孔的硬質(zhì)合金鉆頭的刀坯，工藝簡單，且刀具的重磨性好，正常使用能重磨3～4次，在總體上使刀具成本下降。我們把這種全新結(jié)構(gòu)的小深孔刀具稱為單管內(nèi)排屑噴吸鉆。

小深孔鉆削時的切削速度和機(jī)床

使用硬質(zhì)合金加工刀具切削一般合金鋼材的切削速度最低在70m/min，而我國過去生產(chǎn)的小深孔加工機(jī)床，一般最高轉(zhuǎn)速為2500r/min，且不能進(jìn)行無級變速和無級進(jìn)給，顯然不能適應(yīng)小深孔鉆削的工藝技術(shù)要求。1992年我所自己設(shè)計并組織生產(chǎn)了ZK2116×2型數(shù)控雙軸深孔鉆床(內(nèi)、外排屑)和ZK2112型數(shù)控深孔鉆床，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到6000～10 000 r/min。尤其是ZK2112型數(shù)控鉆床，具有深孔鉆削加工的3種運(yùn)動方式：1)工件轉(zhuǎn)動，刀具進(jìn)給；2)工件轉(zhuǎn)動，刀具轉(zhuǎn)動并進(jìn)給；3)工件不動，刀具轉(zhuǎn)動并進(jìn)給。這種機(jī)床還帶有負(fù)壓抽吸裝置。這種新型機(jī)床的開發(fā)，拓寬了深孔加工的范圍，也可把深孔加工技術(shù)提高到一個新的水平。

GT、CAD技術(shù)在深孔加工中的應(yīng)用

利用當(dāng)代計算機(jī)工具發(fā)展起來的成組技術(shù)(GT)和計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)，大大推動了機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)步。在推進(jìn)小深孔加工技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展方面，成功地采用GT、CAD的報導(dǎo)也很多。如對深孔刀具及其輔具利用GT技術(shù)建立分類編碼系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上開展相應(yīng)的CAD系統(tǒng)軟件的研制開發(fā)，為深孔刀具的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化奠定基礎(chǔ)。同時，CAD軟件的研制和應(yīng)用，使深孔鉆的設(shè)計過程通過計算機(jī)實現(xiàn)，不僅大大提高了設(shè)計速度，還避免和減少了設(shè)計中的錯誤。我院工藝研究所在利用GT和CAD技術(shù)方面也取得了很好的成果，成功地開發(fā)出了設(shè)計深孔刀具的CAD系統(tǒng)，能利用CAD系統(tǒng)對槍鉆、單管內(nèi)排屑噴吸鉆、機(jī)夾深孔鏜刀等等深孔加工刀具進(jìn)行設(shè)計和選型。