亞干式深孔加工刀具技術(shù)的研究

1 引言 

    深孔加工是機(jī)械加工中難度較大、技術(shù)含量較高、專業(yè)性較強(qiáng)、加工成本較高的一種孔加工技術(shù)。在深孔加工中，為了達(dá)到排屑和冷卻、潤滑刀具的目的，通常需要使用大量切削液（如專用深孔切削液或機(jī)油），尤其是使用內(nèi)排屑深孔鉆頭的中、大直徑深孔加工（D≥30mm）對切削液的消耗量相當(dāng)大（主要被切屑帶走），這不僅會(huì)對加工場所造成較大污染，還威脅到操作人員的身體健康，同時(shí)帶油切屑的處理又會(huì)增加生產(chǎn)成本和造成環(huán)境污染。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在深孔加工中，切削液的相關(guān)費(fèi)用占到加工總成本的15％～20%。因此，實(shí)現(xiàn)不使用切削液的干式加工或使用微量切削液的亞干式加工是深孔加工技術(shù)的重要發(fā)展方向和研究課題。

2 亞干式深孔加工系統(tǒng)

    根據(jù)深孔鉆削加工的特點(diǎn)，采用完全干式切削（即完全不使用切削液）的加工方式在實(shí)際生產(chǎn)中一般很難實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樯羁足@削加工不同于普通的車削、銑削加工，它是在封閉狀況下進(jìn)行，單位時(shí)間所產(chǎn)生的切削熱量大，排屑通道長，切屑和切削熱不易及時(shí)排出；此外，刀具在深孔加工中是依靠導(dǎo)向塊完成定心和導(dǎo)向作用，導(dǎo)向塊與孔壁之間會(huì)因長時(shí)間接觸擠壓而產(chǎn)生較大摩擦，而切削液（切削油）可以在導(dǎo)向塊與孔壁之間形成一層油膜，起到潤滑和減摩作用，如無油膜，導(dǎo)向塊將很快被磨損和撕裂，從而引起切削振動(dòng)或打刀。因此，選擇采用少量切削液的亞干式切削方式比較適合深孔加工的實(shí)際情況。

采用的亞干式切削加工方案主要是利用壓縮空氣進(jìn)行排屑和冷卻，使用霧化切削液進(jìn)行潤滑，其加工系統(tǒng)主要由內(nèi)排屑深孔鉆床、空氣壓縮機(jī)、霧化器、氣液混合噴頭等組成，其工作流程為：空氣壓縮機(jī)提供具有一定壓力（約0.5～0.6MPa）的空氣，在出口處分為兩路，其中一路通過霧化器帶出一定量的切削液形成汽液混合物，在噴頭處與另一路壓縮空氣相遇，汽液混合物通過噴頭時(shí)被加速并向進(jìn)氣裝置的空腔中噴出，形成高壓、高速的霧化切削液，最后經(jīng)過鉆桿外壁與孔壁之間的通道被傳送到鉆頭的切削部位，冷卻、潤滑刀具并將切屑從鉆桿內(nèi)部向后吹出。

由于亞干式深孔加工系統(tǒng)采用霧化切削液潤滑、冷卻刀具，用壓縮空氣進(jìn)行排屑降溫，既克服了傳統(tǒng)深孔加工中大量循環(huán)使用切削液所帶來的諸多弊病，大大減少了切削液使用量，又確保了導(dǎo)向塊與內(nèi)孔表面之間、刀具前后刀面與切屑之間的切削液潤滑層，同時(shí)切削液在霧化狀態(tài)下吸熱充分、潤滑均勻，能更好地發(fā)揮作用；使用連續(xù)的壓縮空氣排屑既可增大排屑空間（相對于使用高壓油），又能迅速將切屑從切削區(qū)吹出，縮短了切屑傳熱時(shí)間，并可將部分熱量直接帶出，降低了切削區(qū)溫度。

3 亞干式深孔鉆頭的設(shè)計(jì)

    深孔鉆削刀具的設(shè)計(jì)開發(fā)是成功實(shí)現(xiàn)亞干式深孔加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接影響到整個(gè)加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，是深孔加工順利進(jìn)行的重要保證。刀具的幾何參數(shù)對于刀具的受力、斷屑、耐用度、加工表面質(zhì)量等起著重要作用；而刀具材料對于刀具的切削效率、工作壽命、刀具與工件的親和性等起著決定性影響。亞干式深孔加工的切削特性與傳統(tǒng)的深孔加工有所區(qū)別，因此對深孔鉆頭的設(shè)計(jì)要求也有其特殊性。

   （1）亞干式深孔加工對刀具的要求

    ①由于深孔切削加工是在封閉狀態(tài)下進(jìn)行，又沒有循環(huán)切削油冷卻、潤滑刀具，進(jìn)行熱量交換，因此切削區(qū)溫度較高，這就要求刀片材料必須具有較高的強(qiáng)度、硬度以及良好的耐熱性、紅硬性和抗沖擊性，同時(shí)刀具與切屑之間的摩擦系數(shù)應(yīng)盡可能小。

    ②在深孔加工中，刀具的排屑通道較長，切屑不易順暢排出，對于采用空氣排屑的亞干式加工而言，這一問題更為突出。為了保證排屑順暢和迅速散熱，必須增大排屑出口，減少空氣阻力，加快排屑速度，縮短切屑停留時(shí)間。

    ③亞干式深孔加工采用壓縮空氣排屑和霧化切削液冷卻，因此切屑形狀不能太寬太長。為防止切屑堵塞，最好是形成細(xì)小的“C”型切屑；為使切屑更快脫離刀面，刀具與切屑的接觸面不宜過大，為此可采用分屑刃或強(qiáng)制斷屑措施。

針對以上幾點(diǎn)要求，我們對刀具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，使其滿足系統(tǒng)的加工要求。 

   （2）刀具結(jié)構(gòu)的選取及優(yōu)化設(shè)計(jì)

深孔加工刀具的型式主要分為外排屑和內(nèi)排屑兩種。外排屑方式用于槍鉆系統(tǒng)，適合加工小直徑（一般φ<20mm）深孔。內(nèi)排屑方式常用于BTA系統(tǒng)、噴吸鉆系統(tǒng)和DF系統(tǒng)。噴吸鉆系統(tǒng)和DF系統(tǒng)的功效相同，但由于噴吸鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，排屑空間受到雙鉆桿的限制，因此目前已較少使用。DF系統(tǒng)主要利用雙進(jìn)油裝置對切屑進(jìn)行推、吸雙重作用，促使其順暢排出。在排屑效果相同時(shí)，可減小密封壓力，提高加工精度。BTA深孔鉆頭分為單齒和多齒兩種，單齒刀具適用的孔徑范圍為φ6～φ25mm，多齒刀具則適合加工較大直徑（φ25mm以上）的深孔。

在本試驗(yàn)中，我們選擇了BTA單齒鉆頭。在鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，考慮到亞干式深孔加工的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的BTA單齒鉆頭的基礎(chǔ)上進(jìn)行了部分優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

    ①適當(dāng)增大刀體與孔壁之間的間隙h（即進(jìn)氣間隙）以減小空氣阻力，使壓縮空氣和霧化液能迅速到達(dá)切削區(qū)進(jìn)行潤滑和冷卻。

    ②適當(dāng)增大刀具排屑口，排屑口形成倒錐型，使切屑能快速而順暢地進(jìn)入排屑通道，不易堵屑；同時(shí)在排屑入口處形成“噴吸效應(yīng)”，增大排屑速度。

    ③增多分屑刃，加寬斷屑臺，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制分屑和斷屑，使切屑變窄及易于折斷，有助于排屑和散熱。

在刀具幾何角度方面也進(jìn)行了一些改進(jìn)，主要表現(xiàn)為：

    ①適當(dāng)增大刀刃前角γo，以減小刀具前刀面與切屑的接觸面積，保障壓縮空氣及霧化切削液能充分進(jìn)入切削區(qū)對刀具進(jìn)行冷卻潤滑。由于內(nèi)刃在切削中主要承受軸向擠壓力，為了增加內(nèi)刃強(qiáng)度，可適當(dāng)加大內(nèi)刃前角。

    ②適當(dāng)增大刀刃后角αo，以減小刀具后刀面與已加工表面之間的摩擦，也使刀具更容易切入工件，可減小刀具磨損，提高刀具耐用度。

    ③ 增大斷屑臺寬度和圓角半徑，加長切屑卷曲變形時(shí)間，減小切屑與前刀面的摩擦及切屑對斷屑凸臺的沖擊力，使切屑順利流過斷屑臺，在過渡圓角處增加一部分附加變形，使材料失去一些塑性，然后彎曲頂?shù)降�，在彎矩作用下再次變形，最后斷屑，這樣可減小切屑變形，使切削熱、切削沖擊力、摩擦力等都發(fā)生改變，控制切屑形成細(xì)小“C”型排出。

   （3）刀片材料的選取

目前用于干式加工的刀具材料很多，如超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、CBN、PCD、陶瓷和金屬陶瓷、各種涂層硬質(zhì)刀具等，但這些刀具材料大多僅應(yīng)用于普通的干式車削和干式銑削中。目前國內(nèi)在深孔加工中使用較多的主要是焊接式深孔鉆頭，其刀片材料主要采用國產(chǎn)刀片如YD15、YG8、YW1、YT726、YT798等，這些材料的化學(xué)成分和物理性能各不相同，適用范圍也有區(qū)別。我們試圖通過切削試驗(yàn)從中選出比較適合亞干式深孔加工的刀片材料。

采用的切削試驗(yàn)方案為：用上述5種刀片材料的鉆頭，在刀具結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)均相同的條件下分別加工45鋼（調(diào)質(zhì)硬度HRC28），檢測在亞干式切削條件下各刀具的受力及切屑狀態(tài)，測量刀具后刀面磨損量、內(nèi)孔表面質(zhì)量等，選出最適合加工45鋼的亞干式刀具材料。

采用的切削試驗(yàn)條件為：加工孔徑：20.2mm，工件長度：1000mm，主軸轉(zhuǎn)速v=800r/min，刀具軸向進(jìn)給量f=0.01mm/r，切削液：德國亞倫斯乳化液5號。

由各種刀片材料深孔鉆頭的切削性能及外齒后刀面磨損情況可以看出，在這5種刀片材料的深孔鉆頭中，YD15的后刀面磨損值最小，軸向力、扭矩和內(nèi)孔表面粗糙度值也最小；其次是YG8。反映出YD15刀片具有較高的耐熱性和良好的耐磨性，加工穩(wěn)定性和加工質(zhì)量良好。因此，YD15比較適合45鋼類工件材料的亞干式深孔加工；YG8的加工效果相對稍差一些；而其它幾種材料由于磨損較嚴(yán)重，不適合亞干式深孔加工。試驗(yàn)結(jié)果與刀具材料性能也比較吻合：YD15紅硬性好、耐磨性好、抗彎強(qiáng)度高，尤其適合加工高溫合金材料。此外，從加工過程中可以看出，亞干式深孔加工系統(tǒng)的排屑效果良好，幾乎無堵屑現(xiàn)象發(fā)生，且排出的切屑溫度較低（無燒熱感），呈銀白色，說明霧化及冷卻效果良好，可以滿足亞干式深孔加工的要求。

4 亞干式深孔加工與傳統(tǒng)深孔加工的性能比較

    通過上述試驗(yàn)分析，可以確定YD15刀片材料比較適合中碳鋼的亞干式深孔加工。但是，其加工性能和刀具耐用度與濕式深孔加工相比是否有差別，將是亞干式深孔加工技術(shù)能否獲得推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。為此，我們進(jìn)行了一個(gè)對比切削試驗(yàn)，即在傳統(tǒng)的深孔加工條件下，采用YD15和YG8深孔鉆頭（刀具幾何參數(shù)相同）鉆削同樣長度的45鋼工件（v=800r/min，f=0.01mm/r，10#機(jī)械油冷卻潤滑）。由測得的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，用傳統(tǒng)方法加工時(shí)，刀具的后刀面磨損和切削力均比在亞干式加工條件下要小，這表明亞干式加工時(shí)刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦力比傳統(tǒng)加工時(shí)更大，即切削液的潤滑性能較差，這與所使用的切削液有關(guān)。亞干式加工中采用的是水基乳化液（其霧化性優(yōu)于切削油），而傳統(tǒng)加工中使用的是切削油（其潤滑性更好）。這也為我們今后的研究確定了方向，即需要找到一種既有良好的霧化性，又有較好潤滑性的切削液。另外，兩種加工方式的刀具磨損量差距并不很大，說明在亞干式深孔加工條件下也能保證一定的刀具耐用度。

將用兩種方式加工的試件剖開后進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔表面硬度幾乎沒有差異，而亞干式加工的內(nèi)孔表面粗糙度值更小，即表面質(zhì)量更好。這也說明在亞干式深孔加工中，內(nèi)孔表面的冷卻效果良好，切削溫度并不高。此外，由于采用了特殊配方的乳化液，具有一定的耐擠壓效果，因此鉆頭的導(dǎo)向塊并未出現(xiàn)撕裂磨損，也保證了內(nèi)孔表面加工質(zhì)量。

5 結(jié)論

    通過上述切削試驗(yàn)及對結(jié)果的對比分析，可得出如下結(jié)論：

   （1）所設(shè)計(jì)的亞干式深孔加工系統(tǒng)可較好完成深孔加工過程，并能得到滿意的加工效果，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

   （2）通過對幾種常用深孔加工刀具材料的切削試驗(yàn)，確定了在亞干式深孔加工方式下，YD15材料比較適合加工45鋼類工件材料，并有較好的加工效果。對于其它工件材料，也可通過試驗(yàn)方法找到適用的刀具材料。

   （3）通過對干、濕兩種加工方式下刀具的切削性能試驗(yàn)及分析，可以看出亞干式深孔加工能夠?qū)崿F(xiàn)較高的刀具耐用度和較好的加工效果。

   （4）針對亞干式深孔加工中刀具磨損較大的問題，也可采用低溫冷風(fēng)或增加冷卻液油性的方法，以提高冷卻和潤滑效果，減少刀具磨損。