深孔鉆削中受力分析與切削參數(shù)定量分析

楊順田，侯忠坤

(1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000;2.四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽 618000)

0 引言

孔的深度尺寸與孔的直徑大小之比稱為孔的深徑比(L/D)。所謂深孔，一般是指深徑比大于5 以上的孔［1］。這又可分為三類:L/D ≥5 ～20 屬一般深孔，常在鉆床上或車床上用深孔刀具或用接長麻花鉆就可以加工;L/D ≥20 ～40 屬中等深孔。常在車床上用深孔刀具加工;L/D ≥40 ～100 屬特殊深孔，如圖1所示的冷軋輥，工件總長4530mm，內(nèi)孔φ40mm，L/D= 113.25 ≥100。

具有上述各類深孔的零件在機(jī)器制造業(yè)中所占的比重很大，其深孔鉆削的質(zhì)量也就直接影響到整個零件或機(jī)器的質(zhì)量。與淺孔加工相比，深孔加工必須使用深孔機(jī)床或?qū)Ｓ迷O(shè)備及深孔刀具才能實現(xiàn)，如30m 深孔鉆床，最大鉆孔直徑φ160mm，最大深度(長度)達(dá)到30，000mm，L/D = 30000/160 = 187.5，深孔加工的最終目是要提高深孔鉆削的質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)深入研究發(fā)現(xiàn)，影響深孔鉆削加工質(zhì)量的因素有很多，其中作用在深孔刀具上的力是最關(guān)鍵的因素之一。

圖1 冷軋輥φ40 的內(nèi)孔——深徑比大于100

1 深孔加工的特點與難點分析

深孔加工的特點與難點在許多文獻(xiàn)中均有所論述［1-4］?，F(xiàn)在主要針對深孔的受力情況，分析其特點與難點:如刀桿的長徑比太大造成剛性差，切削時容易產(chǎn)生振動、波紋與錐度;深孔加工不能直接觀察刀具切削情況，排屑困難等。

(1)徑向力將直接導(dǎo)致鉆具的彎曲變形。因深孔加工用的刀桿長徑比太大，施加在鉆具上的作用力方向難免偏離鉆具軸線，從而產(chǎn)生徑向力，當(dāng)徑向力達(dá)到一定程度時，就會導(dǎo)致鉆具彎曲變形。當(dāng)鉆桿的長徑比越大，剛性就越差，鉆具就越容易彎曲變形，其后果是:輕者引起鉆孔走偏，從而影響深孔加工精度，重者引起鉆具折斷或工件損壞，無法完成深孔的加工。

(2)深孔加工跟著感覺走，深孔加工時，操作人員無法直接觀察到刀具切削情況，只能依靠聽聲音、看切屑、油壓、觀察機(jī)床負(fù)荷等判斷切削中的加工情況，在多數(shù)情況下，深孔加工只能跟著感覺走，造成加工質(zhì)量不穩(wěn)定。

(3)散熱條件差、排屑困難、鉆頭容易失效等。隨著鉆孔深度的增加，切屑從孔中排除的難度逐漸加大，散熱條件也越來越惡化，鉆頭容易失去切削能力。必須采用可靠的手段進(jìn)行斷屑，控制切屑的長短與形狀，以利于順利排除，防止切屑堵塞。

2 深孔鉆削中的受力分析

2.1 深孔鉆削的類型

深孔鉆削有許多分類型方法。按排屑方式分為外排屑和內(nèi)排屑兩類［2-3］，按鉆具結(jié)構(gòu)可分為槍鉆、深孔扁鉆、深孔麻花鉆、BTA 深孔噴射鉆和DF 深孔鉆等。不同類型的深孔鉆削，因工作原理不同、所處環(huán)境不同，其受力情況也有所不同。下面主要針對BTA 鉆頭、槍鉆并兼顧其它類型的深孔鉆削，進(jìn)行深孔鉆削中的受力分析。

2.2 BTA 上的切削力系

作用在BTA 鉆上的切削力系，其主切削刃上的切削抗力可分解為橫向分力(垂直于走方向)和軸向分力，橫向分力又可分解為徑向分力和主切削分力。由于BTA(槍鉆)鉆頭的切削刃分為內(nèi)刃和外刃，作用在外刃上的徑向力指向中心而作用在內(nèi)刃上的徑向力則是背離中心［4］。其合力的大小和方向取決于作用在兩個切削刃和圓周刃帶上的徑向力之差?？赏ㄟ^調(diào)整頂點的位置和內(nèi)外刃角的大小加以控制。通常要求徑向力的合力指向中心，作用在刀刃上的合力必須與導(dǎo)向塊上的支持力保持平衡;同時主切削分力與切削速度的方向平行，并與切削刃成90°的導(dǎo)向塊上的支持力保持平衡，如圖2 所示。只有這樣，最終作用在鉆頭上的支持力、切削力才能相互保持平衡，使細(xì)長的鉆桿不致于彎曲。

圖2 作用在BTA 鉆上的切削力系

2.3 擠壓力和擠壓力矩

擠壓力是由于孔壁的彈性變形引起的，由擠壓力產(chǎn)生的力矩是擠壓力矩。切入階段，當(dāng)鉆頭的導(dǎo)向部剛剛進(jìn)入加工孔時，擠壓力特別大，這是因為導(dǎo)向套和鉆頭之間的間隙使切入階段鉆出的孔，直徑小于鉆頭的外徑，當(dāng)導(dǎo)向塊擠入較小的孔內(nèi)后，便迫使鉆頭的圓周刃帶切入孔壁，將孔“鉸削”到與鉆頭外徑相同的直徑。如果鉆頭的刃帶不鋒利，則孔壁可能出現(xiàn)彈性讓刀現(xiàn)象，如圖3 所示。彈性讓刀會使刀片切削刃的力臂增大，導(dǎo)致擠壓力矩迅速增圖3 擠壓力和擠壓力矩速增加。隨后，由于導(dǎo)向塊與孔壁接觸，切削出來的孔基本上與鉆頭外徑相等，所以擠壓力矩也隨之下降。當(dāng)硬質(zhì)合金切削部分(包括導(dǎo)向塊)全部進(jìn)入孔內(nèi)后，擠壓力矩便達(dá)到了穩(wěn)定值。

圖3 擠壓力和擠壓力矩

2.4 摩擦力和摩擦力矩

由于徑向切削力和主切削力分別通過180° 和90° 的導(dǎo)向塊作用于孔壁，使孔壁與導(dǎo)向塊之間產(chǎn)生摩擦力，摩擦力與孔壁相切而與鉆頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和軸向進(jìn)給運(yùn)動的方向相反，可分解為切向和軸向兩個摩擦力，其中的切向摩擦力與刀具中心存在一個力臂，從而產(chǎn)生摩擦力矩。

2.5 油壓力(軸向)

油壓力是作用在鉆頭后面和油隙底面的壓力與作用在鉆頭油孔前的拉力之差。它同樣會造成刀桿的彎曲變形，受力分析時按附加力系考慮。

3 鉆孔受力試驗及定量分析

試驗采用結(jié)構(gòu)為BAT 系統(tǒng)的硬質(zhì)合金雙刃三鍵內(nèi)排屑鉆頭，如圖4a 所示，假定作用在各切削刃上力是均勻的，設(shè)鉆頭直徑D，進(jìn)給量f，單位切削力P，則可算出BAT 鉆切削力矩Mc 為:

軸向切削力Tc為:

式中:β——摩擦角;γ——前角。

θ1:外刃角，θ2:內(nèi)刃角，A:頂點與中心距離。摩擦力矩Mf為:

μ:摩擦系數(shù)，M0:為作用在單刃上的力矩。

由于軸向摩擦力很小，可以忽略不計。作用在導(dǎo)向塊的壓力Pn為:

圖4 切削力系分析

3.1 試驗?zāi)康?、方式與內(nèi)容

根據(jù)前面的分析，深孔鉆削的受力主要與孔的深徑比關(guān)系密切，如圖4b 所示，由于切削刃的斷屑臺對鉆孔效果影響很大，為了實現(xiàn)鉆孔受力的定量分析，需要針對不同的孔徑、不同尺寸的斷屑臺，在不同的切削速度、不同的進(jìn)給量及材質(zhì)的情況下，應(yīng)用SD375 動態(tài)分析儀、Y6D-3A 動態(tài)電阻應(yīng)變儀、LZ3 函數(shù)記錄儀、測力傳感器和位移傳感器等設(shè)備，進(jìn)行四個方面的實驗即:①切削力與孔徑的關(guān)系;②切削力矩與孔徑的關(guān)系;③切削功率與孔徑的關(guān)系;④不同材質(zhì)與孔徑的關(guān)系。

為了在有限的試驗次數(shù)中獲得更多更真實的數(shù)據(jù)，現(xiàn)從實踐操作層面選取了多組數(shù)據(jù)進(jìn)行實驗，實驗的部分參數(shù)及結(jié)果見表1。

表1 中只給出了主要試驗數(shù)據(jù)與鉆孔效果。實驗結(jié)果如圖5 所示，圖5a 表示深孔鉆切削力與孔徑關(guān)系，圖5b 表示深孔鉆切削力矩與孔徑關(guān)系，圖5c 表示深孔鉆切削功率與孔徑關(guān)系，圖5d 表示深孔鉆不同材質(zhì)與孔徑關(guān)系。

3.2 試驗結(jié)果分析

下面對鉆削深孔的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

深孔鉆切削力與孔徑關(guān)系如圖5a 所示，結(jié)果表明，鉆切力隨孔徑增加而增加，當(dāng)孔徑大到一定程度后，鉆切力增加趨緩，這是因為孔徑加大，刀刃接觸面也加大，鉆切力自然也增加，在同等條件下，加大進(jìn)給量或提高線速度也會使鉆切力加大，因此孔徑越大，要適當(dāng)減小進(jìn)給量與線速度，深孔鉆切削力矩與孔徑關(guān)系如圖5b 所示，從圖中可以看到，鉆切力矩也是隨孔徑、進(jìn)給量增加而增加不明顯，當(dāng)孔徑大到一定程度后，鉆切力矩突然加大，說明鉆切力矩與孔徑是不呈線性關(guān)系的，因此加工又深又大的孔，需要深孔機(jī)床具有足夠轉(zhuǎn)矩，如中國二重的30 米深孔鉆鏜床，最大轉(zhuǎn)矩為6300 N·M(牛頓·米)。因此，孔徑越大，要適當(dāng)減小進(jìn)給量，降低機(jī)床負(fù)載。

切削功率與孔徑的關(guān)系如圖5c 所示;切削功率隨孔徑、進(jìn)給量及線速度增加而增加，機(jī)床功率都是一定的，在加工小孔徑時，在鉆桿剛度足夠的情況下優(yōu)先提高線速度，適當(dāng)增加進(jìn)給量，孔徑越大，優(yōu)先減小進(jìn)給量，其次是降低線速度以保證機(jī)床電機(jī)長期工作在額定功率的75% 左右，短時不超過額定功率的15%，否則會出現(xiàn)“悶車”事故［6］;

不同材質(zhì)與孔徑關(guān)系如圖5d 所示，鉆削不同材質(zhì)的工件，試驗結(jié)果表明，材質(zhì)越軟，孔徑越小，切削功率就小，進(jìn)給量及線速度可以加大，否則減小，圖中的AISI1040 對應(yīng)40#鋼。

表1 鉆孔受力主要試驗數(shù)據(jù)

圖5 主要試驗數(shù)據(jù)圖表

4 改善受力狀況的技術(shù)措施及效果

4.1 設(shè)置導(dǎo)向裝置，減小作用力偏離程度

在切削過程中，為了防止深孔鉆偏，通過設(shè)置導(dǎo)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(dá)到減小鉆具的彎曲變形的目的。一般采用導(dǎo)向塊做導(dǎo)向裝置，即通過在孔壁分別按90°和180°對稱布置的導(dǎo)向塊實現(xiàn)，如圖6 所示，在BTA 鉆頭與孔壁間設(shè)置兩個互成90° 分布的導(dǎo)向塊，可明顯改善鉆具的受力情況，降低鉆孔走偏風(fēng)險，提高鉆孔精度。

圖6 在BTA 鉆頭上設(shè)置導(dǎo)向塊

4.2 預(yù)鉆引導(dǎo)孔，便于鉆頭導(dǎo)入

根據(jù)鉆頭的結(jié)構(gòu)特點，在工件的一端，預(yù)先鉆出一定深度、尺寸適當(dāng)?shù)目祝阌阢@頭導(dǎo)入，以保持作用在鉆具上力的方向與鉆具中心軸線一致，一開始就消除可能引起鉆偏的徑向力。

4.3 采用導(dǎo)向套防止鉆偏

在無法或不方便預(yù)鉆引導(dǎo)孔的情況下，可通過設(shè)計或采用專用導(dǎo)向套［8］，達(dá)到鉆頭順利起鉆、防止鉆偏的目的。

5 深孔鉆削應(yīng)用效果

大型軸承座零件有許多深孔，深徑比(L/D)一般在50 以上，如圖7 所示。零件材質(zhì)是ZG230 ～450，有若干個直徑為φ20mm、深度2150mm 的孔及其它尺寸的孔，表面粗糙度Ra3.2μm，并要求與相關(guān)油孔貫通，深徑比為107.5，加工難度很大。

圖7 軸承座上φ25mm 的深孔加工應(yīng)用

5.1 加工設(shè)備選擇

根據(jù)零件的特點及工廠現(xiàn)有的加工設(shè)備，決定選擇落地數(shù)控鏜床(TK6920)、BTA 深孔噴射鉆進(jìn)行加工。工件安裝在落地平臺上，采用“變切深”深孔循環(huán)程序加工，每次鉆孔循環(huán)的深度、進(jìn)給量、斷排屑時間、引鉆及冷卻潤滑液開停等均由程序控制［2，5］。

5.2 引導(dǎo)孔的加工

根據(jù)使用BAT 鉆頭的特性，確定引導(dǎo)孔的直徑、公差、深度等，現(xiàn)要鉆φ20mm 深2150mm 孔，經(jīng)計算，在工件上預(yù)先鉆出φ16、深度為8 ～10mm、精度為8級的引導(dǎo)孔。

5.3 合理選擇鉆頭的幾何角度以改善受力情況。

鉆尖頂角的大小對鉆頭的切削性能及壽命有很大的影響，要根據(jù)所加工零件的材質(zhì)硬度來合理選擇鉆頭的幾何角度以改善受力情況。一般來說，較硬的材料需要用較小的鉆尖角，較軟的材料則需用較大的鉆尖角，軸承座的材料是ZG230，硬度相對較硬，需要用較小的鉆尖角。根據(jù)受力平衡分析，當(dāng)外刃的徑向切削力等于內(nèi)刃的徑向切削力時，所選擇的鉆頭內(nèi)外刃角，在切削時所產(chǎn)生的徑向分力、主切削力，它們的作用力方向均應(yīng)落在鉆頭的支撐區(qū)堿內(nèi)，其徑向合力始終作用于待加工表面上，并與支撐力保持相對平衡，這時鉆頭的受力情況最好。經(jīng)過詳細(xì)計算并參考文獻(xiàn)［6-8］，確定內(nèi)刃角為13.6°，外刃角為28.9° 恰好能滿足上述要求。5.4 鉆刃的選擇

鉆刃采用R1 型的標(biāo)準(zhǔn)肩部形式，并選擇尺寸適合的導(dǎo)向套，要求導(dǎo)向套與BTA 頭部的間隙保持在0.003mm ～0.005mm 之內(nèi)，使用BTA 鉆的機(jī)床主軸必須有較高的軸向和徑向剛性，導(dǎo)向套和主軸要有較高的同軸度。在鉆孔過程中，被加工材料(特別是鑄件)鉆孔位置應(yīng)沒有斷裂、氣孔及其他雜質(zhì)，否則會造成崩刃，甚至?xí)翥@尖。

5.4 切削參數(shù)的選擇

根據(jù)圖5 所示的實驗結(jié)果來選定相應(yīng)的切削參數(shù)如下:進(jìn)給量選0.07 ～0.1mm/r 左右，考慮工件材質(zhì)較硬，進(jìn)給量可選0.08mm/r，VC選用100m/min，經(jīng)過計算得知:轉(zhuǎn)速n = 1140 轉(zhuǎn)/min，進(jìn)給量F 為90mm/min，并選取合適的斷屑臺尺寸，經(jīng)實驗測試其切削力為5430N，鉆切力矩大約為36KN·m，鉆具運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，受力情況良好。

5.5 鉆孔動作的控制

鉆頭進(jìn)入引導(dǎo)孔→打開霧化噴嘴→啟動主軸旋轉(zhuǎn)→開始進(jìn)給→停止進(jìn)給→停止旋轉(zhuǎn)→停止噴霧→退出鉆頭，整個鉆孔動作全由數(shù)控程序控制［9］。

5.6 選擇合適冷卻方式

冷卻是實現(xiàn)深孔自動進(jìn)給、連續(xù)加工的基本條件。與普通機(jī)械加工相比，深孔鉆切的冷卻系統(tǒng)具有壓力大、流量大、過濾精度高的特點，深孔鉆削加工所采用的切削液是由水溶性潤滑劑、極壓劑、防銹劑油、要清選洗擇劑專等用組的成槍。鉆對油于［1B0］A，T采 或用槍高鉆壓而汕言為，介冷質(zhì)卻、霧高

化壓霧化油冷裝置，經(jīng)霧化后的切削液冷卻、潤滑鉆頭，再以高壓油的循環(huán)流動帶走切屑和切削熱，并將切屑強(qiáng)制吹出工作物外。

5.7 應(yīng)用效果分析

大型軸承座的深孔加工一直是個難題，經(jīng)常出現(xiàn)鉆偏、折斷鉆頭的現(xiàn)象，常花去大量的時間進(jìn)行糾偏、取出斷鉆頭，一次鉆成功率極低，更無法提及加工效率。以前使用了很多方法效果均不理想，平均加工一個孔，耗時75 分鐘(含輔助時間)，現(xiàn)經(jīng)過深孔循環(huán)加工中的力學(xué)問題研究，初步找到了一些帶規(guī)律性的問題，趨利避害，并采用上述一些具體技術(shù)措施，現(xiàn)在加工一個孔的平均時間約40 分鐘(鉆削23.8 分鐘+ 排屑9 分鐘+ 輔助時間7 分鐘≈40 分鐘)，顯著提高深孔加工的成功率與效率。

盡管本例所舉的是大型軸承座零件的深孔加工，只要把深孔加工的主要受力情況了解清楚了，能正確選擇切削條件、切削參數(shù)，同樣可以應(yīng)用到其它零件的加工中去。

6 結(jié)論

長期以來，深孔加工中鉆具的走偏、折斷鉆頭的事時有發(fā)生，其關(guān)鍵就在于深孔加工中的各種力學(xué)關(guān)系不清。經(jīng)過長期的研究，基本掌握了深孔加工中的某些力學(xué)關(guān)系，并取得了階段性成果，通過采取相應(yīng)的技術(shù)措施，實現(xiàn)了鉆具受力狀況的明顯改善，達(dá)到了預(yù)期效果。

應(yīng)用本文所研究的成果，成功地解決了深徑比(L/D)在100 以上的深孔加工，取得了滿意的效果，所得到的試驗數(shù)據(jù)具有極高的參考價值。

由于深孔加工的受力情況比較復(fù)雜，目前研究的方法及手段還十分有限，該項課題的研究必將是長期的。

［1］楊順田，楊天雄，彭美武. 深孔鉆斷排屑機(jī)理與變切深加工數(shù)控宏程序研究［J］. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2012(4):80－83.

［2］賀書乾. 深孔鏜削加工振動穩(wěn)定性及防振技術(shù)研究［J］.中北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008(4):25－28.

［3］胡占齊，趙武，繆磊. BTA 深孔加工中流體力引起的鉆桿渦動的研究［J］. 機(jī)械工程學(xué)報，2005(1):47－49.

［4］傅廣義. BTA 深孔鉆的合理使用［J］. 工具技術(shù)，2003(2):51－54.

［5］楊順田，彭美武. 可變切深、斷屑式深孔加工［J］. 中國重型裝備，2011(4):30－32.

［6］章宗城. 深孔加工刀具系統(tǒng)［J］. 現(xiàn)代制造，2005(15):62－64.

［7］何定健，李建勛，王勇. 深孔加工關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展［J］.航空制造技術(shù)，2008(21):25－28.

［8］張社就，李冬梅. 基于BTA 原理的軸套深孔加工方法［J］. 機(jī)床與液壓，2010(4):59－62.

［9］程偉，葉偉昌. 切削刀具發(fā)展的新動向［J］. 新技術(shù)新工藝，2003(1):14－17.

［10］姜永軍. 用經(jīng)濟(jì)型機(jī)床加工高精度深孔工藝方法初探［J］. 裝備制造技術(shù)，2008(1):36－38.