基于形成機理及材質(zhì)不均勻性的深孔缺陷分析與對策

楊順田，黃曉燕

(1.四川工程職業(yè)技術學院，四川 德陽 618000;2.四川建筑職業(yè)技術學院，四川 德陽 618000)

0 引言

深孔加工存在許多困難與加工缺陷，如深孔鉆的斷排屑、走偏與折斷鉆頭等，除此之外，還有孔徑的擴大和縮小、不圓度誤差、孔軸線偏差、刀具加速磨損等難以消除的缺陷，由于這些缺陷的存在，不能滿足高精度、高質(zhì)量、高效率、低消耗的現(xiàn)代化機器制造業(yè)的要求。因此，針對各類深孔缺陷進行研究就很有必要。

1 內(nèi)孔擠壓與孔徑誤差形成機理分析

在深孔加工理論研究中，國內(nèi)外一些學者進行了大量的工作［1-3］。在借鑒前人的基礎上，對內(nèi)孔擠壓與孔徑誤差形成機理進行了長期的深入研究，發(fā)現(xiàn)“導向塊”具有擠壓作用，這個作用導致內(nèi)孔表面粗糙度高于鉆削表面并引起孔徑擴大。

1.1 深孔內(nèi)表面擠壓形成機理

在孔加工中，采用了“導向與快速落刀”兩種新技術，導向技術是為了防止深孔鉆偏，通過設置導向裝置，改善鉆具的受力情況，以減小作用在鉆具上的力偏離鉆具軸線的程度，從而減小徑向力達到減小鉆具的彎曲變形的目的;快速落刀技術是為了觀察到切削區(qū)域附近表層金屬的性狀。研究表明，孔壁上和導向塊接觸過的表面比只經(jīng)過切削刃切削的表面硬度高得多，這說明導向塊不只是對孔壁有摩擦作用，還具有擠壓作用，其結果一是提高了擠壓表面的硬度，二是降低了表現(xiàn)粗糙度。其擠壓形的機理如圖1 所示，圖中的λ 為導向塊的倒棱角，ε 為倒錐角。導向塊的前倒棱以一定的滯后量跟在切削刃之后，對已切削的表面進行擠壓加工，當鉆桿以每轉S的進給量推進時，圖中的陰影線部分就是擠壓面積。被擠壓的材料在接觸區(qū)的前后產(chǎn)生彈性——塑性變形，后部變形量很小，在前導棱的前面變形量大得多，堆起很高的壁瘤，壁瘤的大部分被切削刃的圓周刃帶切除?？妆诒銛U大了δ 深度(單邊)，導向塊擠壓后所獲得的內(nèi)孔表面，其表面粗糙度Ra 值可達3.2μm，明顯低于鉆削表面的12.5 ～6.3μm。

圖1 導向塊的擠壓過程

1.2 孔徑誤差形成機理

鉆削有外排屑鉆與內(nèi)排屑鉆之分。外排屑鉆有槍鉆、深孔扁鉆和深孔麻花鉆等;內(nèi)排屑鉆有BTA、DF 深孔鉆、噴射鉆等。槍鉆和BTA 鉆頭由于切削刃所受到的徑向力始終指向中心，且由導向塊支持，因此不會對孔壁過度切削，它加工出來的孔比麻花鉆之類的雙刃刀具加工的孔直徑精度高得多，偏差在5～1μm 之間，相比之下，槍鉆比BTA 鉆孔的精度要差些，若采用麻花鉆要想得到偏差在50μm 以下的孔是非常困難的［4］。

產(chǎn)生誤差的原因很多，如刀瘤的伸出使鉆頭實際直徑增大，加工出擴大孔，加工時切削熱引起工件膨脹，冷卻后便成為縮小孔，以及前面提到過的導向塊的擠壓作用所引起的孔的擴大等。

2 主要缺陷引起的誤差分析

2.1 材質(zhì)不均對孔軸線誤差的影響

材質(zhì)的不均勻往往造成零件各部的強度、硬度的不一致［5］，在鉆削過程中，因材質(zhì)的不均勻性，鉆頭會向軟的一側偏移。采用單刃BTA 鉆頭，鉆削兩邊有硬度差的材料如圖2a 所示。傾斜與彎曲過程分析如下:第一步刀刃處在軟質(zhì)材料CDA 一側，在切削力FCD的作用下，刀具向第一導塊方向移動，如圖2b 所示。當?shù)毒咿D到第二步位置時，刀刃開始進入硬質(zhì)材料ABC 一側，在切削力FCB的作用下，刀具向第二導向塊方向移動，由于切削軟材料的FCD小于切削硬材料的FCB，造成刀具向軟材料一側偏移，這就使刀刃在硬材料一側少切去一些余量，當?shù)毒哌M入第三步位置時，進一步造成孔的傾斜及擴大，轉完一圈之后，刀具又回到了第一步的起點位置，繼續(xù)重復這一過程。

2.2 孔壁不均導致徑向力對孔軸線誤差的影響

孔壁不均勻的工件十分常見［6］，如圖3a 所示，孔的一側壁厚為e，鉆孔時，孔軸線偏差會隨孔的深度增加而增加，造成孔的軸線有向薄壁側彎曲的趨向如圖3b 所示。這是因為當?shù)诙€導向塊經(jīng)過薄壁側時會產(chǎn)生徑向力，使薄壁發(fā)生彈性變形el即產(chǎn)生所謂的“讓刀”現(xiàn)象，如圖4 所示，因此要留出讓刀余量。當切削刀刃轉到薄壁側時，該余量使切削刃擠向薄壁側，因圓周刃帶給薄壁側的壓力小，這是單刃和多刃結構對各種致偏因素的反應。只產(chǎn)生e2的彈性變形量，差值e=e1e2便是過度切去的部分，每轉重復此過程，鉆頭便向薄壁側傾斜。

圖2 材質(zhì)不均勻對孔軸線誤差的影響

圖3 孔壁不均引起的孔深與偏差

圖4 徑向力使薄壁發(fā)生彈性變形

2.3 刀刃形式對孔軸線誤差的影響

刀刃形式對軸線偏斜的影響有兩個方面［7］。一研究發(fā)現(xiàn)，在加工具有硬度差的材料和壁厚不等的材料時，多刃刀具比單刃刀的偏斜量要小得多，這是因為多刃刀具的切削力大部分相互抵消了，因而通過導向塊加在孔壁上的力比單刃刀具小得多了，在切削過程中所引起的擴孔量(軟材料)或彈性變形量(薄壁側)也比單刃刀具小得多，所以偏斜量也小。

由于加在導向塊上的力較小，切削不穩(wěn)定，孔有擴大的趨向，這是設計多刃深孔鉆頭時要注意的;另一方面是切削刃角的影響，通過不同內(nèi)外刃角的槍鉆進行鉆孔試驗，結果表明:當外刃角比內(nèi)刃角大時，孔的軸線偏差增大。若內(nèi)外刃角相等，則軸線偏差變小，但孔的尺寸偏差大。

2.4 不同旋轉方式對孔軸線誤差的影響

采用工件單獨旋轉或刀具單獨旋轉或工件與鉆頭同時旋轉的三種方式進行實驗。結果表明，延遲工件停止轉動的時間，對軸線偏差的改善并沒什么效果。在鉆孔過程中，鉆頭是沿著其軸線方向前進的，切入階段能否保證初鉆孔的正確方向至關重要。對于材料不均勻(如存在預鉆孔偏心、硬度不等、壁厚不均等)所引起的軸線偏差，則不論是鉆頭轉動還是工件轉動，都不能消除，當工件與鉆頭同時旋轉時，并讓二者的相對轉速保持不變，則軸線的偏差會顯著減小。

2.5 多邊孔現(xiàn)象對不圓度誤差的影響

深孔加工的不圓度誤差主要表現(xiàn)為三角或五角形的多邊孔［8］。如圖5 所示，當用麻花鉆、鉸刀之類的多刃等分齒刀具加工孔時，往往產(chǎn)生S=n* Z±1 的多角形孔，式中n 為整數(shù)，Z 為刀齒數(shù)。槍鉆或BTA 鉆頭的切削刃與導向塊互成90°配置［9］相當于Z=4。

圖5 產(chǎn)生多邊孔的機理

出現(xiàn)多角形的原因是因為鉆頭偏心、切削力變動等引起軸線作圓周擺動，孔面上便出現(xiàn)凹凸面，當后續(xù)刀齒或導向塊便沿著先行的刀刃切出的凹凸面運動并重復其軌跡，最終表現(xiàn)為多角形。

當n=1 時，S=6 或3 多刃等分齒工具鉆孔時，設ωt為鉆頭的自轉角速度，ωa為公轉角速度，則ωt/ωa=n* Z，其軌跡是為具有棱數(shù)S=n* Z±1 的凸棱多角形，鉆頭的刀齒或導向塊沿此多邊形運動，更加劇了軸線擺動的幅度，形成自激振動。

3 深孔缺陷預防與切削條件的優(yōu)化

3.1 軸線偏差的預防

(1)提高引鉆孔與端面的垂直精度;

(2)軸向力與軸線盡量平行防止產(chǎn)生徑向分力;

(3)增強鉆孔工藝系統(tǒng)的整體剛性;

(4)提高導向裝置的精度。

3.2 多邊孔的預防

(1)在車床上，增加定位止口，按止口圓找正，誤差控制在0.03mm 以內(nèi);

(2)在外圈磨床上，重磨導向鍵外圓、止口圓與頂尖孔，提高三者的同軸度;

(3)在鏜床上，先在長鏜桿上安裝導向鍵，然后將鏜頭裝到長鏜桿上進行推鏜［8］。

3.3 優(yōu)化導向塊幾何形狀，減小孔徑誤差

如圖6 所示，導向塊的擠壓作用所引起的孔的擴大，其擴大量ΔD 為:

式中:D 為刀具直徑，為鉆桿轉速，KS、HS、ω 為相關系數(shù)，C.S 互為倒數(shù)，λ 為導向塊的倒棱角，ε 為倒錐角。要使ΔD 最小，導向塊的幾何形狀必須優(yōu)化設計，即導向塊的倒棱角與倒錐角趨向一致。

圖6 導向塊的擴孔作用

3.4 依據(jù)導向塊，優(yōu)化刀具重磨時間與重磨次數(shù)

一般金屬切削加工經(jīng)濟性的數(shù)學模型也適用于深孔加工，無論是BTA 套料還是擴孔都存在著滿足最低成本或最高生產(chǎn)率的最佳切削參數(shù)［10］。深孔加工中刀具重磨的時間與次數(shù)與導向塊的磨損情況息息相關，后刀面的磨損值決定了刀具的重磨時間，導向塊的磨損程度決定了刀具的重磨次數(shù)。為了獲得高質(zhì)量的孔，刀具重磨時不僅要磨刀刃，也要重磨導向塊，直到它們都重新獲得原來的幾何形狀為止。此外，還預留導向塊的滯后量，在刀具的壽命期內(nèi)保持不變，設刀具的可重磨次數(shù)為n，導向塊的原長為L，最小長度為Lmin，每次重磨的磨損長度為WP，則重磨次數(shù):

對要求不高的孔，將后刀面的磨損程度作為確定刀具重磨的時間標準，而重磨量則由刃帶上的軸向磨損量W1來確定，以消除刃帶上的磨損為原則。由于必須保持滯后量不變，所以導向塊上仍留下一段原磨損區(qū)域，這時，刀具的可重磨次數(shù)n 就等于:

由于W1＜Wp，重磨次數(shù)增加了，磨損速度就減緩了，降低了成本，但導向塊上的一段末被消除的原磨損區(qū)域，也會降低孔的加工質(zhì)量。

以導向塊的磨損為依據(jù)，刀具的耐用度tL與切削速度V 和進給量F 存在如下關系:

式中:系數(shù)Kr=0.016，指數(shù)a=－1.88，b=－1.21。

根據(jù)對導向塊的磨損研究可以得出，第二導向塊上的磨損程度總比第一導向塊嚴重，其重磨量為:

式中:系數(shù)Kr=0.0253，x=－0.659，y=0.2923。

重磨時間t 由裝卸刀具等固定時間trc和磨去Lr所需的時間組成，設磨去1mm 所需時間為tr1則重磨時間為:

由此可以求出鉆孔生產(chǎn)率P 與生產(chǎn)成本C 的優(yōu)化數(shù)學模型:

式中:tTST為調(diào)整時間，N 為工件批量，TNF為輔助時間，tC為換刀時間，d 為鉆頭直徑，LW為孔深，Lf為進給行程，C1為刀具成本，CF為鉆頭價格，Xm為大于1的成本系數(shù)。

利用上面的數(shù)學模型可按最大生產(chǎn)率或最低成本選擇切削用量，達到優(yōu)化切削條件的目標值。

4 應用效果

4.1 深徑比在100 以上的深孔加工

如圖7 所示的鉸直輥，工件總長6500mm，內(nèi)孔φ55 mm，深徑比L/D=5700/55 =13.6≥100。

圖7 鉸直輥φ40 的內(nèi)孔的加工

根據(jù)零件特點選擇數(shù)控深孔鉆床，該機床鉆桿箱主軸轉速范圍在500 ～2000r/min，用BTA 深噴射鉆進行加工。先用中心鉆引鉆一段孔以鉆頭導入，同時采用導向塊導向技術可有效防止鉆偏及折斷鉆頭，并讓工件與鉆頭同時旋轉且二者的相對轉速保持不變，軸線偏差顯著減小。鉆孔循環(huán)深度、進給量、斷排屑時間及冷卻液的開停等均由程序控制。為了防止導向塊的擠壓造成孔徑擴大，采用了程序補償技術。由于導向塊擠壓作用，內(nèi)孔表面比單純鉆削更加光滑，具有較高的表面質(zhì)量，加工效率及精度也明顯提高。

4.2 大直徑特殊孔的加工

如圖8 所示，是5000mm 中厚板大型軋鋼機機架，其大直徑孔為φ950mm，孔深1960mm，選擇數(shù)控龍門銑床加工。采用直角銑頭與NC600 電子徑向銑鏜頭，如圖9 所示，其組合總長可達2100mm，可加工2050mm 以內(nèi)的水平深孔。

圖8 φ950mm 大直徑孔

圖9 No8 角度銑頭+電子徑向銑鏜頭

為了預防多邊孔，先在徑向鏜頭的滑座上安裝導向裝置，然后將鏜頭裝到直角銑頭上進行推鏜。因導向塊的擠壓作用會引起孔徑擴大，設計導向塊時，其倒棱角與倒錐角相接近，以減小孔徑誤差;為了觀察到大孔切削區(qū)域金屬的性狀，采用了快速落刀技術;由于該孔的深徑比(1960/950≈2.06)較小，盡管鏜孔系統(tǒng)采用的是一端固定(角度銑頭)，一端懸臂的梁(鏜刀)，其軸線也不會出現(xiàn)明顯彎曲，不必考慮孔軸線誤差;因刀具加工的總面積大，且是單刃鏜削，又是連續(xù)工作且時間很長，中途不宜換刀，其耐用度就成了關注的重點，通過采用大功率風冷方式，來提高刀具的耐用度。

采取上述各種措施后，φ950mm 大直徑的壓下孔一次獲得成功。

5 結束語

近十年來，作者在孔加工方面做了一些專業(yè)性研究，繼“可變切深、斷屑式深孔加工［6］”、“深孔鉆斷排屑機理與變切深加工數(shù)控宏程序研究［8］”、“燃汽輪機缸體傾斜孔數(shù)控銑削加工參數(shù)化編程［10］”“軋鋼機壓下孔根部數(shù)控加工程序設計［11］”、等系列研究之后，再著眼于深孔內(nèi)表面形成機理研究，進一步分析常見缺陷、刀具加速磨損等產(chǎn)生的原因。經(jīng)過長期的、系列的深孔研究，部分掌握了深孔加工中的某些規(guī)律，成功地解決了深徑比在100 以上的深孔與φ900mm 以上的大直徑特殊孔的加工，取得了滿意的效果。

深孔加工歷來都是機械加工中的難點之一，孔加工缺陷嚴重影響產(chǎn)品質(zhì)量，各種誤差形成機理還有許多不明，仍在不斷的探索之中。

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