可變切深、斷屑式深孔加工

楊順田 彭美武

(四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 618000)

深孔一般是指孔深與孔徑(L/D)之比大于5以上的孔。深孔的切削加工一般采用“鉆-孔底斷屑-返回排屑-再鉆”的循環(huán)過程，并產(chǎn)生連續(xù)均勻的帶狀切屑。這種切屑極易卷縮形成團(tuán)狀，堵塞在已加工好的孔內(nèi)，造成內(nèi)孔堵塞。切屑一方面會劃傷已加工好的孔的表面，另一方面也極易發(fā)生卡鉆甚至折斷鉆頭的事故。因此，有必要研究深孔加工的斷、排屑機(jī)理并采取相應(yīng)的措施。

1 深孔加工的特點

(1)由于孔的深度很長，使鉆桿的強(qiáng)度削弱，故鉆桿容易彎曲，鉆頭稍有微小的偏斜，亦會使加工出來的孔“走偏”很大。

(2)隨著孔的深度增加，切屑從孔中順利排出的難度加大。

(3)深孔加工使鉆頭的散熱條件惡化，鉆頭容易失去切削能力。

(4)操作時，僅靠聽聲音、看切屑，觀察機(jī)床負(fù)荷、油壓等判斷排屑和刀具磨損情況，不能直接觀察到刀具切削情況。

刀桿受孔徑的限制，直徑小，長度長，剛性差，鐵屑從形成、斷屑到排除是深孔加工的關(guān)鍵，也是決定孔加工質(zhì)量的重要因素。很久以來，深孔加工質(zhì)量(如精度、表面質(zhì)量)和工具(如壽命)的改善，只源于操作實踐，理論上的研究還不多。直到現(xiàn)在，還很少看到槍鉆和BTA 鉆孔加工中有關(guān)現(xiàn)象的理論闡述。現(xiàn)從實踐操作層面并綜合有關(guān)文獻(xiàn)，對深孔循環(huán)加工的切屑形成、斷屑機(jī)理進(jìn)行分析。

2 深孔鉆的類型

深孔加工一般分為固定切深和可變切深。固定切深開始時適合，待到孔底時就不一定適合了，若按孔底設(shè)定切深，勢必影響效率?？勺兦猩钍敲看毋@孔深度按一定比例逐漸減小，改善加工條件，高效率與加工安全性同時得到滿足，從而實現(xiàn)可變切深、斷屑式深孔循環(huán)加工。

按排屑方式分為外排屑和內(nèi)排屑。外排屑的有槍鉆、深孔扁鉆和深孔麻花鉆等。內(nèi)排屑的因所用的加工系統(tǒng)不同，分BTA 深孔鉆、噴射鉆和DF 深孔鉆三種。

2.1 槍鉆

只有一個切削部分，最早用于加工槍管。鉆削時，切削液從鉆桿中間進(jìn)入，經(jīng)鉆頭頭部的小孔噴射到切削區(qū)，然后帶著切屑從鉆頭的V 形溝槽中排出。槍鉆適用于加工孔徑2 mm～20 mm、孔深與孔徑之比大于100 的深孔。

2.2 BTA 深孔鉆

切削液從鉆桿與孔壁的間隙處送入，靠切削液的壓力將切屑從鉆桿的內(nèi)孔中排出。BTA 深孔鉆適用于鉆削孔徑6 mm 以上、孔深與孔徑之比小于100 的深孔，其生產(chǎn)效率比槍鉆高出3 倍以上。

2.3 DF 深孔鉆

這種鉆頭吸收了BTA 深孔鉆和噴射鉆的優(yōu)點，采用單管，排屑靠推壓和抽吸雙重作用，提高了排屑能力，可鉆削孔徑在8 mm 以上的深孔。

2.4 噴射鉆

一種多刃內(nèi)排屑深孔鉆，有內(nèi)、外兩層鉆管，大部分切削液從內(nèi)、外鉆管的間隙中進(jìn)入切削區(qū)，然后連同切屑進(jìn)入內(nèi)管。另一小部分切削液則經(jīng)由內(nèi)管尾端的月牙形孔進(jìn)入內(nèi)管，產(chǎn)生噴射效應(yīng)，形成低壓區(qū)，幫助抽吸切屑。噴射鉆適用于鉆削直徑18 mm 以上、孔深和孔徑比小于100 的深孔。

3 切屑的形成和斷屑機(jī)理

槍鉆和BTA 鉆孔方式都是借助高壓冷卻液把切屑從切削區(qū)沖走的。對于鑄錠之類的脆性材料，切屑呈粒狀，很容易排除。但對于低碳鋼之類的塑性材料，其切屑呈連續(xù)帶狀，會纏繞在鉆桿上并堵塞排屑通道。因此，早期的BTA 鉆孔方式的使用范圍受到很大的限制。為此，進(jìn)行了大量的研究工作，以期探明槍鉆的切屑形成機(jī)理，尋找出處理切屑的措施。

3.1 切屑的形成機(jī)理

槍鉆和BTA 鉆頭的切削刃分為內(nèi)刃和外刃，切削時產(chǎn)生的兩股切屑從不同的方向沿前刀面流出，在前刀面上會合，互相干擾撞擊，如圖1 所示。外刃切下的切屑呈螺卷狀(圖2)，內(nèi)刃切下的切屑呈板狀流出，結(jié)果外刃切屑被內(nèi)刃切屑拉伸變成扇形而斷裂。此外，高速冷卻液對螺卷狀切屑的沖力也能把切屑拉斷成一定的長度。試驗表明，冷卻液對切屑的拉力與切屑的長度成正比，與冷卻液流速的1.5 次方成正比，流速越大，切屑越短。

內(nèi)外角之和越大，切屑越短，頂點愈靠近中心，外刃寬度愈窄，切屑更容易分?jǐn)唷?/p>

圖1 切屑的形成機(jī)理Figure 1 The formation mechanism of cutting scrap

圖2 槍鉆的螺卷狀斷屑Figure 2 Coil shape of discontinuous scrap of gun drill

3.2 槍鉆的斷屑措施

一般說來，槍鉆主要是靠兩股切屑互相干涉來排屑，也可以采取一些措施，如前面提到過的斷屑槍鉆。

3.3 BTA 鉆孔工具的斷屑措施

由于BTA 鉆孔工具產(chǎn)生的切屑是從鉆頭和鉆桿的內(nèi)孔排出的，必須把切屑斷成矩形或扇形的小粒狀，才能借助冷卻液從鉆桿內(nèi)沖走。

BTA 鉆頭分割切屑的方法有兩個方面:一是沿切削刃的長度將切削刃分成數(shù)段，做成階梯形，這樣一來，切下的切屑便沿寬度被分割成數(shù)條。為了減小切屑的長度，沿平行于切削刃的方向做出斷屑槽，如圖3 所示。斷屑槽尺寸見表1。當(dāng)切屑沿前刀面流出時，受到斷屑臺的支持力而向上彎曲，碰到孔壁后，又受到孔壁的作用力而折斷。

4 排屑方式

深孔加工的排屑是深孔加工中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，主要有四種排屑方式。

4.1 “雙排屑槽+雙高壓油孔”排屑方式

內(nèi)冷卻雙刃外排屑深孔鉆頭擁有兩個排屑槽及兩個高壓油孔，依靠高壓油將切屑排出，克服了原刀具切削時排屑困難、冷卻液難以進(jìn)入、切削溫度過高及散熱困難等弊病，有利于鉆桿保持穩(wěn)定。

4.2 “推吸”并用排屑方式

圖3 分割斷屑槽Figure 3 Separation of scrap breaking groove

表1 斷屑槽的尺寸Table 1 Dimension of scrap breaking groove

“推吸”并用排屑方式是采用正壓推、負(fù)壓吸雙管齊下的排屑方式。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3 MPa～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。

4.3 “振動斷屑+排屑”的排屑方式

對于小深孔，由于進(jìn)給量很小，特別是鉆削某些韌性材料時，鉆屑常常是柔軟的小帶狀，鉆削過程中一旦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。要從斷屑和排屑兩方面采取措施，采用高頻碎屑方法，得到容易排出的碎屑形狀，在高壓冷卻和沖刷的切削液壓力作用下產(chǎn)生波動或壓力，順利排除切屑。這是目前最有效的斷屑切屑方法。

4.4 外排屑

外排屑式槍鉆深孔加工系統(tǒng)還不能完全被別的加工方法所取代，同樣可以采用負(fù)壓原理來提高它的加工效率和加工質(zhì)量，同時也可以把這種方法擴(kuò)展到其它加工系統(tǒng)中。在孔加工系統(tǒng)中，增加負(fù)壓裝置后，可以明顯提高系統(tǒng)的排屑能力，同時斷屑情況也有所好轉(zhuǎn)。

5 “程控、可變切深、斷屑”式深孔加工

程控、可變切深、斷屑式深孔加工如圖4 所示。所加工的深孔為?25 mm，深度為1 100 mm，表面粗糙度為Ra3.2 μm～1.6 μm?？咨钆c孔徑之比L/D=44，需要通過數(shù)控指令編制所需要的程序來彌補(bǔ)人工斷排屑控制的不足。FANUC 系統(tǒng)提供了兩種深孔加工循環(huán)指令:G83 和G73。但這兩種循環(huán)的每次切深都是固定的，不適合用于該孔的加工。

我們設(shè)計了可變切深數(shù)控程序，使每次鉆孔深度的變化按等比級數(shù)實現(xiàn)，即每次減少的比例相等。為保證加工效率，當(dāng)鉆孔深度減小到設(shè)定的最小值時，將不再減小(實際使用時可以修改)。

圖4 程序控制、可變切深、斷屑式深孔加工Figure 4 Process control，variable cuttingin and scrap breaking mode of deep hole machining

可變切深斷屑式深孔加工循環(huán)程序如下:

6 結(jié)論

深孔加工是一項復(fù)雜的工作，特別是L/D＞50 的超深孔加工難度更大。深孔加工中各種問題交織在一起，如受力情況、排屑、防偏、鉆頭折斷等，有些問題已取得了實質(zhì)性的研究成果，有些還在不斷地探索之中。程控、可變切深、斷屑式深孔加工在受力與斷排屑方面有較為明顯的優(yōu)勢，所得試驗數(shù)據(jù)可供參考。

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