槍鉆加工的排屑故障及處理對(duì)策

胡鳳蘭，何 錚

（1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411101；2.湘潭電化科技股份有限公司，湘潭 411131）

0 引 言

槍鉆是一種應(yīng)用廣泛的深孔加工刀具，最初用于加工槍管，故名為槍鉆.槍鉆是外排屑深孔鉆的代表，也是小直徑（φ10mm以下）深孔加工的常用方法.目前，硬質(zhì)合金槍鉆的最小直徑為φ1mm；鉆孔深度與直徑之比超過100，最大可到250；鉆孔精度為IT7～I(xiàn)T9級(jí)；鉆孔表面粗糙度Ra為3.2～0.4 μm.槍鉆具有一次鉆削就獲得良好加工精度和表面質(zhì)量的特點(diǎn)，使其在深孔加工中獲得廣泛的應(yīng)用.但在加工過程中，由于多種因素的影響，加工鋼材時(shí)常不能通暢的排屑，有時(shí)會(huì)發(fā)生周期性地切屑堵塞.有時(shí)會(huì)堵死排屑通道，導(dǎo)致鉆桿被扭斷，或在切屑箱中纏繞在槍桿上，造成鉆頭折斷.本文研究分析了其排屑故障產(chǎn)生的原因及相應(yīng)的處理對(duì)策.

1 槍鉆的結(jié)構(gòu)

槍鉆由頭部1、鉆桿2和傳動(dòng)部3（柄部）三部分組成，如圖1所示.頭部材料有高速鋼和硬質(zhì)合金兩種，并與鉆桿焊椄為一體，目前常用硬質(zhì)合金槍鉆.為了保證焊接牢固，定位準(zhǔn)確，常采用圖2所示的焊口形式.在焊接后，進(jìn)行校直、精磨工序，以保證頭部與柄部的同軸度.

2 切屑的形成和排出

槍鉆通常不設(shè)斷屑臺(tái)，前角為0°，有刀尖和內(nèi)外刃，有比較寬敞的V形排屑槽.對(duì)于輕合金及鑄鐵材料，所產(chǎn)生的切屑一般呈短卷、針卷或碎塊狀，可以很順利地被切削液沖出.

但在加工鋼料時(shí)，外刃產(chǎn)生的切屑是右旋連續(xù)螺卷，內(nèi)刃產(chǎn)生的切屑是左旋的，外刃切屑生成的速度遠(yuǎn)高于內(nèi)刃.二者在孔壁的約束和切削液的沖擊下相互干涉，速度慢的內(nèi)刃切屑被斷成扇片狀，并使相互扭在一起的切屑流形成斷口，在高壓切削液的沖擊下被拉斷成一定的長(zhǎng)度，沿V形槽向外排出如圖3所示.但如前所述，由于多種因素的影響，常不能通暢的排屑.

圖3 內(nèi)外刃切屑的流動(dòng)和干擾

3 導(dǎo)致排屑故障的常見因素及處理對(duì)策

排屑故障的產(chǎn)生，主要表現(xiàn)為四種原因：一是連續(xù)生成的螺旋狀切屑經(jīng)久不斷；二是切屑卷中有寬窄不等的多股切屑互相夾雜，成為纏繞性切屑；三是切屑為剛性螺卷，連續(xù)不斷；四是形成棒形切屑，因其截面積小而易沉積在V形槽中不易沖出.從實(shí)質(zhì)上看，則是由于工件材料、進(jìn)給量大小、鉆頭幾何參數(shù)等因素的匹配不得當(dāng)，或因切削刃崩裂、磨鈍、油壓流速不足而造成的，故必須具體分析并采取針對(duì)性措施予以處理.

對(duì)于鋼材，進(jìn)給量越大，內(nèi)外刃的切屑干涉能力越強(qiáng)，越容易產(chǎn)生短切屑.低碳鋼的切屑易于伸展，可通過適當(dāng)加大外角和減小外刃寬度以縮短切屑長(zhǎng)度.

而對(duì)于鋁合金，不論進(jìn)給量大小，切屑都容易排出，故可采用較大的進(jìn)給量，但加工含硅量為0.13%以下的純鋁時(shí)，如進(jìn)給量過大（0.05mm／r），易產(chǎn)生剛性大的長(zhǎng)螺卷切屑，不利于排出，宜適當(dāng)降低進(jìn)給量.另外，加工純鋁時(shí)，鉆頭內(nèi)外角不宜太小.

對(duì)于鑄鐵，進(jìn)給量大小，鉆頭幾何參數(shù)的變化，對(duì)其切屑形態(tài)影響都不大，不會(huì)構(gòu)成排屑障礙.

對(duì)奧氏體不銹鋼0Cr19Ni9的實(shí)驗(yàn)表明，進(jìn)給量對(duì)切屑長(zhǎng)度的影響基本上與鋼材類似.在f＝0.01～0.2mm／r都不致造成排屑障礙.加工不銹鋼時(shí)，鉆頭外角不宜過小，否則內(nèi)刃切屑變長(zhǎng)，會(huì)纏繞鉆頭.用40°／120°和A＝D／4的匹配可使兩條切屑流的方向差別不大，這樣反而容易使切屑分離.

除此之外，可能導(dǎo)致排屑故障的因素還有：

（1）槍鉆的切削刃一旦出現(xiàn)崩刃或磨損嚴(yán)重時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多股細(xì)屑互相纏繞，應(yīng)立即修磨.

（2）定徑刃沒有保持良好的表面質(zhì)量.

（3）鉆套未緊貼工件.如二者之間有小空隙，容易產(chǎn)生堵屑.但若用槍鉆在大型固定工件上鉆出集群小孔時(shí)，一般不設(shè)排屑器，而是將切屑排放在工件與導(dǎo)向套之間或鉆套后方的鉆桿外.這種情況下，切屑會(huì)直接濺落在機(jī)床臺(tái)座上，不會(huì)造成鉆頭和鉆桿的堵塞.

（4）當(dāng)鉆頭和鉆桿發(fā)生震動(dòng)時(shí)，切屑形態(tài)會(huì)變得不正常.應(yīng)檢查鉆頭是否受力損傷，或調(diào)整切削用量，針對(duì)性地加以排除.

（5）工件材質(zhì)不均勻時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生切屑形態(tài)不正常而造成排屑障礙.故應(yīng)改善材質(zhì)以減小排屑障礙.

（6）切削液在V型槽中的流速不夠也會(huì)使切屑沉積，造成排屑障礙，故保證足夠的流速是消除堵塞事故的一項(xiàng)基本前提條件.

圖4（a）為槍鉆供油通道的示意圖，圖4（b）為φ20mm槍鉆切削液通道上從切削液入口處1到出口6各點(diǎn)實(shí)測(cè)的油壓變動(dòng)曲線.由圖可見，大部分的壓力損失發(fā)生在鉆頭頂部.如果通過實(shí)驗(yàn)求得圖中各點(diǎn)的壓力損失系數(shù)，就可以根據(jù)鉆頭直徑D（m），鉆桿長(zhǎng)度L（m），出油孔長(zhǎng)度L（m）、油量Q（m3／s）、切削油密度 （kg／m3）、運(yùn)動(dòng)粘度V（m2／s，1m2／s＝106cst）、鉆孔深度Lc（m）等參數(shù)求出必要的供油壓力（MPa）.

圖4 槍鉆切削液通道及壓力變化

圖5是不同直徑槍鉆所需要的油壓、流量大致范圍以及由此推定出來的V形槽切削液流速（m／s）.如鉆頭直徑在φ15mm以上時(shí)，V形槽中切削液的平均流速不超過15m／s，當(dāng)鉆頭直徑小至φ5mm時(shí)，平均流速就高達(dá)30～50m／s.由于鉆頭直徑越小，排屑難度越大，當(dāng)鉆頭直徑小于φ15mm時(shí)，此一趨勢(shì)越加明顯.所以當(dāng)槍鉆直徑小于φ15mm時(shí)，油壓隨鉆頭直徑的縮小呈急劇上升趨勢(shì).

圖5 槍鉆的油壓、流量和流速

（7）適當(dāng)加大鉆頭頭部通油孔面積，對(duì)于改善小直徑槍鉆的排屑情況有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

從圖4（b）看到，有相當(dāng)大的油壓損失產(chǎn)生于鉆頭頂部通油孔，因?yàn)橐３殖湓５你@頭重磨量，鉆頭工作部分的長(zhǎng)度不能隨意縮短，因此就只能從加大通油孔面積入手求得改善.

如果通油孔的形式為單油孔，加大通油孔直徑是不可行的，因?yàn)檫@會(huì)使油孔周邊與切削刃及導(dǎo)向部之間的壁厚變薄而造成應(yīng)力集中，導(dǎo)致鉆頭破裂.最好是設(shè)置雙油孔如圖6所示，即在主油孔的左上側(cè)加設(shè)一個(gè)直徑為0.2D的副油孔.這樣可使鉆頭頂部通油面積增加64%，從而使總油壓降低40%左右.

圖6 雙油孔的設(shè)置

在增大鉆頭通油面積的同時(shí)，切削刃對(duì)側(cè)油隙的截面積應(yīng)不小于鉆頭頂部通油孔面積.

（8）改變切削刃的形狀和幾何參數(shù).針對(duì)小直徑槍鉆加工鋼材時(shí)，易出現(xiàn)斷屑不良引起的堵塞和纏繞問題，日本研究出了一種"快速進(jìn)刀槍鉆"（speed feed gun drill，簡(jiǎn)稱SF槍鉆），見圖7.這種槍鉆在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是：將外刃前刀面刃磨成曲率半徑為R的圓??；外角與內(nèi)角采取45°／10°的匹配；外刃寬度取值D／6，使鉆尖向外移動(dòng).

圖7 SF槍鉆

外刃前面的圓弧起到了斷屑器的作用，與特殊的內(nèi)外刃角度和快速進(jìn)給相結(jié)合，使切屑斷裂成為碎塊，顯著改善了排屑效果，還能使加工效率成倍提高.

還有一種新型雙刃槍鉆，其結(jié)構(gòu)如圖8所示，該鉆頭采用兩條容屑空間和形狀既不相同也不對(duì)稱的排屑槽結(jié)構(gòu)，切削液通道和排屑空間大，鉆尖偏離鉆軸中心，無橫刃.因此它既具有單刃槍鉆導(dǎo)向好、切削穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，又具有雙刃槍鉆切削力較平穩(wěn)，鉆削扭矩小及切削液流量大的優(yōu)點(diǎn).此外由于它采用了方便可靠的分屑方式，產(chǎn)生的切屑細(xì)而窄，成條狀，切削變形小，容易斷屑和排屑.

圖8 新型雙刃槍鉆及其分屑形式

圖8（a）是分屑槽分屑型，主切削刃由外刃1、內(nèi)刃2、分屑刃3及分屑槽4組成.在外刃中間刃磨一魚肚形分屑槽，寬度約為外刃的1／3.工件轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，外刃切下一層金屬，分屑槽處留下一層金屬未切除，由分屑刃來切除，可實(shí)現(xiàn)完全分屑.這樣鉆削層被分屑槽和偏心鉆尖分為4段，切下的切屑細(xì)而窄，便于斷屑和排屑.這種分屑方式既簡(jiǎn)單可靠，又可減小鉆削徑向力.應(yīng)注意為了分屑可靠，外刃與分屑刃的鋒角應(yīng)相同，但它們不在一個(gè)錐面上，外刃比分屑刃約高出 .

圖8（b）是倒角分屑型，主切削刃由外刃1、內(nèi)刃2、分屑刃3及倒角刃4組成.這種刃型一般用于鉆頭直徑較小（φ＜8mm），不易刃磨分屑槽用.

4 結(jié)束語

綜上所述，及時(shí)修磨磨損的切削刃，保持刀具各表面良好的表面質(zhì)量，保證鉆套與工件的良好配合，防止鉆削過程中的震動(dòng)，以及選擇良好的深孔零件材質(zhì)，合理的切削液供油壓力及流速，可保證槍鉆在深孔加工中排屑通暢.此外，合理改變切削刃的形狀和幾何參數(shù)，研制先進(jìn)的雙刃槍鉆等都可有效改善排屑效果，提高深孔零件的加工質(zhì)量.

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