熱壓板的深孔加工

0 引 言

通常我們把孔深L與直徑d之比大于5，即L/ d＞5的孔稱為深孔，深孔鉆削在機(jī)械加工中至今仍處于發(fā)展中，加工技術(shù)還不夠成熟。熱壓板是人造板壓機(jī)中的一個主要零件，在其橫向需鉆削熱介質(zhì)通道，這些孔道長徑比一般為50～100，材料以Q345B為主，孔徑為?20～42 mm，孔深為1 300～3 000mm，如圖1所示為中密度纖維板壓機(jī)中的熱壓板，孔的長徑比達(dá)85，深孔加工排屑困難，切削熱不易散出，加之鉆桿長、剛度差、易振動、導(dǎo)向性差，故加工孔的直線度難以保證，嚴(yán)重時會鉆通熱壓板的上表面。

因此，采用合理的深孔加工方法，對于提高深孔加工質(zhì)量與效率是十分重要的，我公司多年來一直致力于熱壓板深孔加工技術(shù)的研究，對深孔加工鉆頭的設(shè)計及加工中常見問題的處理方面取得了較為滿意的成果，現(xiàn)介紹如下。

圖1 中密度纖維板壓機(jī)中的熱壓板

1 熱壓板深孔加工方法及主要參數(shù)的選擇

1.1 熱壓板深孔加工系統(tǒng)的選擇

深孔加工系統(tǒng)是以深孔加工中所用的冷卻、排屑裝置來分類的。目前，國內(nèi)、外常用的深孔加工系統(tǒng)有槍鉆系統(tǒng)、BTA系統(tǒng)、噴吸鉆系統(tǒng)和DF系統(tǒng)。根據(jù)熱壓板深孔的特點，我們采用的是BTA內(nèi)排屑系統(tǒng)。BTA鉆頭切削力分布均勻，分屑、斷屑性能好，鉆削穩(wěn)定可靠，鉆削出的深孔直線度好，適合加工孔徑大于18 mm，長徑比小于100的孔。圖2所示為內(nèi)排屑深孔鉆床結(jié)構(gòu)，主要由床身、主軸箱、進(jìn)給傳動箱、中心架、授油器、鉆桿聯(lián)結(jié)器、液壓及冷卻系統(tǒng)、排屑裝置、油屑分離裝置等組成。主軸箱及進(jìn)給箱均由交流變頻電機(jī)驅(qū)動，都具有無級調(diào)速功能。授油器除了具備導(dǎo)向功能外，還提供向切削區(qū)輸油的通道。其工作原理是：切削液在較高的壓力下（2～6MPa）下通過授油器從鉆桿外壁與工件孔壁間的空隙進(jìn)入切削區(qū)以冷卻、潤滑鉆頭，并將切屑經(jīng)鉆頭前端的排屑孔沖入鉆桿內(nèi)部，向后排出。這種排屑方式，其通道截面較大，排屑順暢，且鉆桿外徑可以做得較大，剛度好，有利于提高進(jìn)給量。

圖2 內(nèi)排屑深孔鉆床

熱壓板深孔直徑為?20～42 mm，可采用3刃錯齒內(nèi)排屑鉆頭，一般直徑低于65 mm可采用焊接式結(jié)構(gòu)，如圖3為焊接式鉆頭，其結(jié)構(gòu)特點如下：

圖3 焊接式鉆頭

（1）刀體上分布有外齒刀片、中間齒刀片（兼導(dǎo)向塊）、內(nèi)齒刀片、1個導(dǎo)向塊和雙面排屑孔，并通過刀體上的多頭矩形螺紋與空心鉆桿聯(lián)接。

（2）鉆芯部分是由中心齒的內(nèi)刃形成， 鉆尖相對于鉆孔軸心線偏移了一段距離e，加工時鉆芯處刀刃低于鉆尖處刀刃，因此會形成一個導(dǎo)向芯柱，使鉆頭具有較好的導(dǎo)向性，鉆孔時不易偏斜，該導(dǎo)向芯柱增長到一定長度后會自行折斷并隨切屑一起排出。

（3）主刀刃采用非對稱的分段、交錯排列形式，并保證有一定的搭接量，可保證分屑可靠，并在主刀面上磨有斷屑臺以形成理想的“C”形切屑，便于切屑順利排出。

孔徑范圍在25～65 mm深孔還可采用機(jī)夾式可轉(zhuǎn)位不重磨鉆頭，雖然單價昂貴，但是性能可靠，使用壽命長，生產(chǎn)效率高，對于加工批量大的用戶可采用。

1.2 刀具材料的選用

深孔鉆刀片材料主要取決于工件材料的性能，不同的工件材料應(yīng)選用相應(yīng)的硬質(zhì)合金。中心齒所受的軸向力大，擠壓摩擦嚴(yán)重，應(yīng)考慮選用抗彎強(qiáng)度高，抗沖擊性好的YG類或YW類硬質(zhì)合金刀片；而外齒和中間齒由于切削速度較高，應(yīng)選用紅硬性好，耐磨性高的YT類合金，導(dǎo)向塊應(yīng)選用耐磨性高的YT類材料。熱壓板材料一般為碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼，是比較容易切削的材料，刀片材料牌號的選擇一般為：導(dǎo)向塊用YT5，鉆頭三個齒全部采用YT789 。

1.3 鉆頭主要幾何參數(shù)的選擇

（1）鉆頭的基本直徑D：鉆頭直徑D可取加工孔的最小極限孔徑加上孔徑公差值的2/3，鉆頭公差按h6選取。

（2）切削刃前角γ：切削刃前角的選擇應(yīng)考慮工件材料與刀具切削部分材料。一般外刃前角為γ=0°，對于加工韌性好的材料，可取3°～6°，磨斷屑臺時應(yīng)予以保證。內(nèi)刃磨成負(fù)前角，一般為-3°～-10°，其作用在于增加中間刃的強(qiáng)度。

（3）切削刃后角α：增加后角可以減小摩擦。切削刃后角取值，要考慮工件材質(zhì)和進(jìn)給量，一般外刃后角α取8°～12°?？拷@心的內(nèi)刃，由于切削速度減小，內(nèi)刃的后角應(yīng)取大一些，可取12°～15°。

（4）余偏角ψ：余偏角ψ的大小直接影響切削力的分配及斷屑效果。適當(dāng)?shù)販p小余偏角，可使徑向力減小，有利于切屑的折斷，使排屑順暢。通常外刃余偏角ψr為18°，內(nèi)刃余偏角ψrt一般應(yīng)比外刃余偏角大，可取20°。這樣，不僅可使徑向力始終壓向?qū)驂K一邊，還可避免刃磨時碰傷中間齒。

(5)刃傾角λ：刃傾角的大小可以控制流屑方向。一般外刃的刃傾角λ=0°，內(nèi)刃應(yīng)磨出一定的刃傾角，通常端面刃傾角λt為5°～8°。

(6)偏心量e：一般取e=0.1D。

1.4 切削用量的選擇

當(dāng)確定了刀具的幾何參數(shù)后，還需選定合理的切削用量才能進(jìn)行切削加工。切削用量的選取對切削加工的生產(chǎn)效率、加工成本和加工質(zhì)量有很大的影響，目前可根據(jù)瑞典山特維克公司推薦的BTA實體鉆切削用量（見表1）來初選刀具進(jìn)給量f及切削速度v，然后經(jīng)工藝試驗進(jìn)行修正，以形成良好的切屑形態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)，再選定最佳的切削用量。

表1 瑞典山特維克公司推薦的切削用量

1.5 切削液的選擇

切削液在深孔加工中起冷卻、潤滑、排屑、減振和消聲等作用。選用時要綜合工件材質(zhì)、周圍環(huán)境及切削條件，不同的條件應(yīng)選擇不同的切削液。熱壓板深孔由于長徑比大，切削過程中熱量不易散出、溫度高、磨損嚴(yán)重。因此所用的切削液，除了具備良好的冷卻、潤滑作用外，還需要較好的流動性，粘度不宜過高，以利于加快流速和沖刷切屑，流速一般為8～12m/s。根據(jù)熱壓板的特點，選用馬思特公司的TRIM OM350C切削油，它含高效的礦物油，含有高效合成酯型添加劑，具有很好的極壓潤滑性，能抑制積屑瘤的產(chǎn)生，為深孔加工提供良好的潤滑性和冷卻性。使用切削液時還應(yīng)注意以下幾個方面：

（1）要有合適的壓力與流量。只有合適的壓力與流量才能保證切削液輸送到切削區(qū)域起冷卻、潤滑、強(qiáng)制排屑的作用，所需的壓力和流量與刀具直徑、工件材質(zhì) 、孔深、加工方法有關(guān)，流量與壓強(qiáng)的取值可根據(jù)表2中推薦范圍內(nèi)選取。

表2 內(nèi)排屑深孔鉆切削液的壓力與流量參考

（2）散熱要充分。切削液在使用中如散熱不充分，會引起溫度上升，不僅會影響冷卻效果，還會使切削油老化。一般進(jìn)油溫度低于40℃，回油溫度低于50℃。為控制切削液的溫升，一般用加大外部冷油箱的方法，油箱體積一般為系統(tǒng)冷卻泵額定流量的20～25倍。

（3）要充分過濾。不清潔的切削液會導(dǎo)致破壞導(dǎo)向塊表面的潤滑膜，也容易使液壓泵及閥門過早磨損，因此必須對冷卻液進(jìn)行充分過濾。一般要經(jīng)過粗濾、精濾，其處理方法是，切削液回切屑收集箱后通過高速離心機(jī)完成切屑和油液分離，再經(jīng)過磁過濾器、紙帶過濾器進(jìn)行超精過濾后進(jìn)入儲油箱。

2 深孔加工中常見問題的處理

2.1 內(nèi)排屑深孔加工中的堵屑問題

在內(nèi)排屑鉆削過程中，細(xì)長的卷屑在出屑口喉部交匯時，很容易互相糾纏而堵塞出屑口。而出屑口一旦被堵塞，后續(xù)的切屑很快被壓實，此時操作者如未能及時發(fā)現(xiàn)并立即關(guān)機(jī)，將會發(fā)生鉆頭崩刃、鉆桿損傷等事故。因此，應(yīng)采取可靠的手段進(jìn)行斷屑及控制切屑的形狀來降低切屑的容積系數(shù)，以利于排屑?？刹捎靡韵麓胧┻M(jìn)行切屑處理：

表3 斷屑臺幾何參數(shù)推薦

(1)改變刀具角度和切削用量：適當(dāng)減小前角γ0，可使切屑與前刀面的接觸長度變短，從而使切屑變形，促使切屑折斷，內(nèi)刃由于不能磨出斷屑槽，可采用負(fù)前角；適當(dāng)減小余偏角ψ0或增大進(jìn)給量f，使切屑厚度增加，促使斷屑。

(2)磨制切屑臺：根據(jù)工件材質(zhì)合理選用斷屑臺幾何參數(shù)以控制切屑卷曲程度，取得有利于排屑的“C”形切屑。對于低碳鋼及低合金鋼，可采用直線圓弧型斷屑臺，見圖4，切削臺一般采用外斜式，傾斜角τ=2～6°，在v=1.1～1.8m/s，f=0.14～0.36mm/r，工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼時，幾何參數(shù)可根據(jù)表3進(jìn)行選取，在使用中應(yīng)先對加工材質(zhì)、切削用量和設(shè)備條件的實際情況進(jìn)行試驗，然后對斷屑臺的幾何參數(shù)進(jìn)行必要的修正。

圖4 直線圓弧型斷屑臺

(3)適當(dāng)增加切屑液的壓力與流量：切屑液應(yīng)有必要的壓強(qiáng)和流量，油壓、流量的匹配，以能實現(xiàn)正常的排屑。

(4)采用高強(qiáng)度材料作刀體及鉆桿：采用強(qiáng)度高的材料可以適當(dāng)增大刀體排屑孔直徑。我們原采用45鋼（調(diào)質(zhì)）作鉆桿及刀體材料，取排屑口直徑D0=0.55D，加工中經(jīng)常出現(xiàn)堵屑而使鉆桿折斷，后改用高強(qiáng)度鋼35CrMnSiA，并調(diào)質(zhì)處理至330HB，調(diào)質(zhì)后校正作定性處理，取D0=0.65D，增大了排屑口直徑，改進(jìn)后排屑狀況明顯改善。

2.2 深孔加工孔軸線偏斜的因素及控制

深孔加工時發(fā)生軸線偏斜是難以完全避免的，深孔的長徑比大于50，孔軸線偏斜一般無法預(yù)測和控制，孔偏斜至一定程度后，就開始急劇變化引起直線度超差。技術(shù)上要求熱壓板表面在使用中溫差不超過±3℃，溫差增大將直接影響人造板產(chǎn)品的質(zhì)量，造成熱壓板表面溫差過大的原因之一是熱壓板加熱孔道中心線傾斜。因此，熱壓板中每條加熱孔道中心線都應(yīng)在同一水平面上，并且每條加熱孔道要互相平行。因此控制熱壓板深孔直線度是提高人造板設(shè)備出板質(zhì)量的必要條件之一。

2.2.1 影響深孔軸線偏差的因素

(1)機(jī)床：主軸回轉(zhuǎn)中心與鉆桿夾頭、導(dǎo)向套中心、授油器中心、中心架孔中心之間的同軸度誤差以及主軸磨損、鉆套與鉆桿的間隙、機(jī)床導(dǎo)軌的直線度誤差等都會直接影響鉆頭的導(dǎo)入，造成鉆桿進(jìn)給時產(chǎn)生彎曲變形而導(dǎo)致被加工孔偏斜或彎曲。因此保證機(jī)床的上述精度指標(biāo)是十分必要的。

(2)工件：工件材質(zhì)不均勻、 工件端面與鉆頭不垂直。在深孔鉆削中，傾斜的工件端面對孔軸線偏斜的影響較大，其原因是在入鉆時傾斜的工件端面使鉆頭兩側(cè)的切削力不平衡而使徑向力增加，導(dǎo)致軸線偏斜。

(3)刀具：刀具第一導(dǎo)向條棱角處相對于外齒拐角點的滯后量為（3～5）f，第二導(dǎo)向條如與第一導(dǎo)向條保持齊平或稍有滯后。滯后量過大會加大孔的偏斜，并使孔徑擴(kuò)大。鉆頭旋轉(zhuǎn)進(jìn)給時，如果鉆桿剛度差，或由于某些原因使鉆頭切入時偏離預(yù)定路線，它就會繼續(xù)偏斜下去以至無法糾正。

2.2.2 為控制孔軸線偏移量，可采取如下措施：

(1)提高導(dǎo)向精度：導(dǎo)向精度取決于授油器中心與機(jī)床回轉(zhuǎn)中心的同軸度以及導(dǎo)向套內(nèi)外定位面的同軸度和導(dǎo)向孔與鉆頭的配合精度。導(dǎo)向套材料一般選用高強(qiáng)度合金鋼，淬火硬度在55HRC以上。鉆套內(nèi)徑與鉆頭之間的間隙對深孔鉆切入階段的正常工作有重大影響，間隙過大會加大鉆頭走偏。根據(jù)經(jīng)驗，對于直徑50 mm以下的鉆頭，新鉆頭與新導(dǎo)向套之間的間隙應(yīng)不大于0.01 mm，已磨損的導(dǎo)向套，其直徑的最大磨損量應(yīng)控制在0.005 mm范圍內(nèi)，超過時應(yīng)及時更換。

(2)合理布置導(dǎo)向塊位置角：在選擇導(dǎo)向塊位置角時，要考慮鉆頭的穩(wěn)定度，導(dǎo)向塊的分布原則是要求合力作用在兩導(dǎo)向塊之間，并且盡量使兩導(dǎo)向塊的壓力相等。如圖5，一般取δ1=5±5°，δ2=0±5°。

圖5 導(dǎo)向塊位置角的布置

(3)提高鉆桿剛度：提高鉆桿剛度是改善深孔鉆削過程中孔線偏斜量的一個重要因素。為提高深孔鉆削的剛度，除在頭部設(shè)有導(dǎo)向套外，可在鉆桿中部安裝可沿導(dǎo)軌移動的中心架。

(4)提高工件質(zhì)量：在深孔加工前，對工件進(jìn)行熱處理以使組織均勻，根據(jù)先面后孔原則，兩平面與兩側(cè)面要銑削加工，保證側(cè)面和上下平面垂直。這樣可以保證入鉆時鉆頭與工件端面垂直，減小工件因硬度不勻?qū)︺@孔軸線偏斜的影響。

(5)根據(jù)鉆孔軸線偏斜趨勢及時調(diào)整工藝：不同材料和不同直徑孔中心線偏斜的情況不同，如圖6所示是在深孔試驗中加工10-φ40測出其中4個偏斜量較大孔的偏斜圖，其加工狀態(tài)及數(shù)據(jù)見表3，由圖6可知孔深在小于1 600 mm時軸線斜處于正常偏斜階段，偏斜量可以預(yù)測和控制，孔深超過1 600 mm則處于急劇偏斜階段，是無法預(yù)測和控制的。因此，應(yīng)該避免鉆削進(jìn)入此階段。因此在加工材料為Q345B，孔徑φ40的熱壓板要據(jù)直線度要求采用以下方法糾偏：如孔深不超過1 600mm, 并且試驗中此處的最大偏斜量未超差，則采用一次鉆通；如孔深超過1 600mm，在鉆削至1/2長度時，將工件卸下調(diào)頭，從另一側(cè)重新開始鉆孔與原孔接通。

圖6 測試孔軸線偏斜

表3 試板上表面至深孔頂端母線厚度的數(shù)據(jù)

(6)調(diào)整刀具幾何參數(shù)糾偏：采用對接工藝后孔軸線偏斜量仍超差時，可以通過調(diào)整刀具的幾何參數(shù)進(jìn)行糾偏，即適當(dāng)?shù)匦弈ャ@頭，增大鉆頭峰角2φ和減小鉆尖偏心量e，以改變刀具的受力狀況。

(7)選擇合理的切削用量：在初始階段，為防止因鉆桿懸伸較長、自重、切削力及離心力所產(chǎn)生的彎曲而采用低轉(zhuǎn)速和較小的進(jìn)給量。鉆孔深度達(dá)到一定深度后，由于孔壁的導(dǎo)向作用使得鉆桿彎曲所造成的影響已較小，則可選用較高的轉(zhuǎn)速及適當(dāng)大的進(jìn)給量。一般入鉆時的進(jìn)給量為正常切削時進(jìn)給量的1/3。

堵屑與深孔加工軸線偏斜是相互影響、互相制約的。排屑為主要因素，而軸線偏斜往往是由堵屑而附生的。因此在鉆削中首先選取切屑液的壓力與流量，再取深孔鉆頭的合理參數(shù)，特別是斷屑臺的尺寸，以及機(jī)床的精度和操作員的技能。

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