小直徑深孔鉆削的工藝流程分析和設(shè)計(jì)

朱麗娜,苗鴻賓

(中北大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，山西 太原 030051)

小直徑深孔鉆削的工藝流程分析和設(shè)計(jì)

朱麗娜,苗鴻賓

(中北大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，山西 太原 030051)

通過對具有較大長徑比、直徑小于2mm的小直徑深孔鉆削進(jìn)行研究，分析了切削數(shù)據(jù)和刀具設(shè)計(jì)對刀具磨損和切屑形成的影響，對深孔鉆削的過程進(jìn)行了工藝流程分析，解決了加工過程中工藝混合的問題，通過將激光打孔與機(jī)械鉆孔結(jié)合，提高了工藝可靠性和生產(chǎn)效率。

鉆削；激光；刀具幾何參數(shù)

由于部件的小型化和小批量生產(chǎn)需求的增加，工業(yè)生產(chǎn)中小直徑、大長徑比的深孔需求越來越多，而且對孔的表面質(zhì)量要求也越來越高。例如，汽車行業(yè)生產(chǎn)中，為了提高噴油壓力和優(yōu)化燃燒過程，燃料噴射器的內(nèi)孔孔徑越來越小。表面缺陷會導(dǎo)致零部件出現(xiàn)裂縫和破損，甚至?xí)?dǎo)致發(fā)動機(jī)的停機(jī)，因此孔的表面質(zhì)量至關(guān)重要。在信息技術(shù)行業(yè)、醫(yī)療和生物醫(yī)藥產(chǎn)品等領(lǐng)域，大長徑比的深孔加工也有廣泛應(yīng)用，例如，在骨折復(fù)位及矯正中，需要有特定的鉆孔來安裝骨釘和骨螺釘[1]。

為了滿足市場需求，改進(jìn)生產(chǎn)流程和發(fā)展新技術(shù)就變得非常必要。加工小直徑深孔可以使用深孔鉆削、激光打孔、電火花加工、電子束加工和電化學(xué)加工等不同加工工藝，這些加工工藝在精度、鉆孔深度、直徑范圍、可重復(fù)性或加工時間方面具有特殊的性能。內(nèi)孔加工時，不同工藝的組合可以提高孔的質(zhì)量，并且可以縮短加工時間。激光預(yù)鉆孔和電火花鏜的組合就是機(jī)械加工中混合處理的例子。

深孔鉆削的特征是具有良好的鉆孔質(zhì)量和較大的長徑比[1]。深孔鉆削需要有預(yù)鉆孔階段的導(dǎo)向支持。特別是在非平面上鉆孔，需要特殊的鉆孔套筒或額外的面銑工藝來制造一個加工平面[2]。

1 試驗(yàn)裝置

為了使這一試驗(yàn)研究順利進(jìn)行，本文設(shè)計(jì)和制造了一臺機(jī)床。該機(jī)床有一個Nd:YAG激光器，激光器被安裝到一臺用于小直徑深孔加工的深孔鉆床上。這樣深孔鉆削和激光打孔這兩個加工過程就可以在同一機(jī)床和工件夾具下進(jìn)行。在這個改進(jìn)的機(jī)床上，深孔加工的直徑d的范圍為0.5mm～0.6mm。在小直徑深孔加工中，該機(jī)床可以達(dá)到的最大冷卻液壓力P為25MPa。激光打孔過程可以根據(jù)以下4種不同操作原理來進(jìn)行，即單脈沖激光打孔、沖擊打孔、激光套料打孔、螺旋打孔[3]。所用激光的最大功率P為8 000W，脈寬t為0.08～1.00ms。該機(jī)床的規(guī)格見表1、表2。

表1 所使用機(jī)床的深孔鉆削技術(shù)規(guī)格

表2 所使用機(jī)床的激光打孔技術(shù)規(guī)格

試驗(yàn)中，使用了不同幾何參數(shù)、刀具材料和涂層的深孔刀具，還對硬質(zhì)合金麻花鉆進(jìn)行了測試。

在激光和深孔鉆削的混合加工過程中，使用了直徑為d=0.5mm的深孔鉆削刀具。試驗(yàn)中所使用的刀具規(guī)格如圖1所示。當(dāng)使用直徑為d=1.5mm的刀具試驗(yàn)時，切削油壓力設(shè)定為P=16MPa，當(dāng)使用直徑為d=0.5mm的刀具試驗(yàn)時，冷卻液的壓力設(shè)定為P=20MPa，工件材料是具有奧氏體組織的00Cr17Ni14Mo2不銹鋼。

2 工藝流程分析

在該部分，用一個實(shí)例說明小直徑深孔加工的工藝流程及設(shè)計(jì)：使用直徑為d=1.5mm的刀具加工長徑比為30的深孔。通過研究影響鉆孔長度、刀具磨損和鉆孔質(zhì)量的參數(shù)，確定了試驗(yàn)中刀具的不同幾何參數(shù)。試驗(yàn)中，刀具TA是標(biāo)準(zhǔn)幾何參數(shù)的深孔刀具，在切削速度為v=100m/min和進(jìn)給量為f=0.007mm時，加工的孔質(zhì)量最佳，該試驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)︺@孔長度為4 995mm的孔進(jìn)行加工。在上述試驗(yàn)條件下，所使用的刀具的磨損主要在材料與切削刃分離時產(chǎn)生。刀具磨損后，新產(chǎn)生的切削刃上會發(fā)生粘著現(xiàn)象，這會造成刀具的磨損。如果粘著材料與刀具之間的粘著力大于刀具材料的內(nèi)結(jié)合力，粘著材料就會隨著未切割材料的切除而去除，并導(dǎo)致刀具磨損。在小直徑深孔加工中，除了刀具磨損，切屑的形成及形態(tài)也會對工件的表面質(zhì)量造成很大影響。在傳統(tǒng)的深孔鉆削中，切屑是在主、副切削刃上形成的，在相反方向被切斷。這種情況下，主切削刃上切屑形成越快，副切削刃上切屑的形成就越慢，這樣就會形成切屑[1]，但是此現(xiàn)象不會發(fā)生在小直徑深孔鉆削中。該試驗(yàn)表明，在主、副切削刃上只有一種切屑形成。由于該切屑較寬、摩擦力較大，更容易堵塞，造成排屑困難。當(dāng)使用刀具TA進(jìn)行切削加工時，就形成了較長的螺旋切屑(如圖2所示)。

切削參數(shù)：刀具TA，直徑d=1.5mm；材料為00Cr17Ni14Mo2；切削速度vc=100m/min;切削深度lr=45mm；進(jìn)給量f=0.007mm；鉆孔長度lr=4 995mm；潤滑方式為油脂；切削油壓力P=16MPa。

圖1 刀具參數(shù)

圖2 加工時的刀具磨損和切屑形成

如上所述，排屑在小直徑深孔加工中意義重大。切屑形成的優(yōu)化能避免切屑堵塞，而且能降低刀具的破損率，提高了工藝可靠性。為了優(yōu)化切屑形狀，本試驗(yàn)使用了切削刃幾何參數(shù)不同的刀具。除了刀具幾何參數(shù)不同，一些刀具還使用了涂層刀具和不同等級的硬質(zhì)合金刀具。受切削刃幾何參數(shù)的影響，刀具HP1至HP4可以使用更大的進(jìn)給速度。因此，這些刀具在切削速度v=100m/min和進(jìn)給量f=0.015mm的條件下使用。除了這些高性能的鉆頭，同時使用硬質(zhì)合金麻花鉆進(jìn)行加工。對于硬質(zhì)合金麻花鉆，設(shè)定切削速度為v=30m/min,進(jìn)給量為f=0.05mm。使用這些刀具加工時切屑的形成情況如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)中用不同刀具切削時切屑形成情況

相比于刀具TA，使用刀具TB進(jìn)行加工形成的螺旋切屑更短。這是由它的切削刃幾何參數(shù)決定的，刀具TB有更小的傾角k2。進(jìn)一步減小傾角k2(即刀具TC)，加工很短的鉆孔長度后刀具就發(fā)生了破損。由于麻花鉆副切削刃上的正前角，切削時形成了長條帶狀的切屑，這種加工可引起切屑堵塞正在加工的孔，導(dǎo)致刀具破損[3]。與標(biāo)準(zhǔn)刀具TA相比，使用刀具TD可以縮短加工時間。當(dāng)?shù)毒呙魁X進(jìn)給量增大，切屑的橫截面積變大，則用刀具TD比用標(biāo)準(zhǔn)刀具TA鉆削更加平穩(wěn)。這一規(guī)律也適用于使用刀具HP1、HP2、HP3、HP4加工時切屑的形成情況。因此，切削刃幾何參數(shù)的選擇至關(guān)重要。由于刀具HP1的切削刃較長，形成了較寬的切屑，切削刃寬度較大使得切屑厚度非常小，會形成連續(xù)的薄切屑。這些切屑的變形會導(dǎo)致切屑堵塞正在加工的孔，進(jìn)而使刀具破損。此外，刀具HP3的試驗(yàn)研究也說明了這一點(diǎn)。綜上所述，長刀刃導(dǎo)致切屑較寬，使切削時產(chǎn)生連續(xù)較寬的薄切屑?？梢酝ㄟ^增加倒角的方法避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，刀具HP4的幾何形狀能夠?qū)崿F(xiàn)更大的進(jìn)給量，并避免形成不利的切屑形狀。使用這些刀具切削，形成的切屑變短，更加有利于切屑排出。

試驗(yàn)證明，TB、TD、HP2、HP4這4種刀具可以完成對預(yù)設(shè)鉆孔長度的加工，因?yàn)槠渌?種刀具都不利于切屑的形成，在加工過程中會發(fā)生刀具破損或切屑堵塞鉆孔的情況。與刀具TA相比，刀具TB的頂錐角更小，這樣會最大程度地減小粘著磨損和切削刃切除量，減小刀具的磨損。刀具TB增大了前角，使切削時的切屑變厚，減小了正前角上切削刃的作用力，更有利于切削。由于麻花鉆也具有較大的前角，因此用麻花鉆進(jìn)行試驗(yàn)時沒有發(fā)生粘著磨損，只是在切削刃破損的部分可以看到有粘著。當(dāng)增大進(jìn)給量進(jìn)行加工時，刀具只發(fā)生了粘著磨損，切削刃并沒有出現(xiàn)磨損的跡象，如圖4所示。

相對于沒有涂層的刀具，刀具TB能產(chǎn)生更短的切屑和更小的磨損。使用麻花鉆或改進(jìn)優(yōu)化的深孔刀具可以達(dá)到更高的生產(chǎn)效率，但是采購和重磨的成本較高，而沒有涂層的刀具采購成本以及重磨成本較低。對麻花鉆而言，刀具磨損和切屑的形成至關(guān)重要[2]。使用優(yōu)化的深孔刀具，生產(chǎn)效率可以達(dá)到麻花鉆的生產(chǎn)效率。此外，使用刀具HP2和刀具HP4時，切屑較短，易排出。

圖4 刀具鉆孔長度達(dá)4 995mm后的磨損情況

3 工藝組合

由于深孔刀具具有較大的長徑比，因此機(jī)械加工中深孔鉆削必須有導(dǎo)向支持。機(jī)械鉆孔中通常使用鉆削套筒或引導(dǎo)孔。在機(jī)械加工過程中，許多工件是非平面表面，傳統(tǒng)工藝主要采用端面銑削、導(dǎo)孔鉆削和深孔鉆削的加工方式來加工工件[3]。本文運(yùn)用激光預(yù)鉆孔和小直徑深孔鉆削的工藝組合來加工直徑為d=0.5mm的孔，這種工藝組合可以縮短工藝鏈，在加工硬質(zhì)表面時減少刀具的磨損。通過改變激光打孔方式和激光參數(shù)來滿足預(yù)鉆孔的要求。激光參數(shù)對引導(dǎo)孔鉆孔質(zhì)量的影響如圖5所示。

雖然旋切激光打孔可以通過改變螺線直徑使其與孔的直徑相適應(yīng)，但使用沖擊打孔和旋切打孔不能加工直徑d=5mm的孔[4]。此外，使用沖擊打孔和旋切打孔方法時，重鑄層的產(chǎn)生會影響鉆孔質(zhì)量。由于切除率越大切削深度越大，熔融物質(zhì)會凝固在孔內(nèi)壁上，產(chǎn)生直徑誤差和圓度誤差，因此影響加工精度。采用單脈沖激光打孔時，加工的內(nèi)孔精度高，能滿足生產(chǎn)加工需求[5]。

試驗(yàn)結(jié)果表明，通過改變激光參數(shù)可以滿足內(nèi)孔精度的要求。這些打孔方式也可以用于混合表面和非平面表面上的孔加工。試驗(yàn)中，鉆孔軸線與工件表面之間的角度互不影響，不同的表面質(zhì)量如圖6所示。另外，刀具壽命也可以達(dá)到常規(guī)加工方法的刀具壽命。圖7為使用鉆孔套筒進(jìn)行深孔鉆削的鉆孔長度對比，當(dāng)切削速度vc為100m/min、進(jìn)給量f為0.000 5mm時，混合工藝加工方式的鉆削長度為110mm。該試驗(yàn)表明，該工藝組合適用于所討論的加工任務(wù)。

圖5 激光參數(shù)對引導(dǎo)孔鉆孔質(zhì)量的影響

圖6 表面質(zhì)量

4 結(jié)束語

本文首先介紹了深孔鉆削時刀具幾何參數(shù)對刀具的磨損和切屑形成的影響。通過改變刀具幾何參數(shù)，可以優(yōu)化切屑的形成和最大程度地減小刀具磨損。當(dāng)使用刀頭處有倒角的涂層刀具時，其生產(chǎn)效率可以達(dá)到麻花鉆的生產(chǎn)效率。然后，介紹了激光打孔和深孔鉆削進(jìn)行組合使用的加工方法。使用這種工藝組合，在有斜面的工件上進(jìn)行深孔加工時，可以減少面銑的工藝環(huán)節(jié)，縮短了工藝鏈，使得刀具在加工表面硬化的工件時磨損最小。采用這種工藝，刀具壽命和鉆孔質(zhì)量都可以達(dá)到傳統(tǒng)工藝的水平。

圖7 使用鉆孔套筒進(jìn)行深孔鉆削的鉆孔長度對比

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TheProcessAnalysisandDesignofDeepHoleDrillingBasedonSmallDiametersTools

ZHU Li'na, MIAO Hongbin

(North University of China, Shaanxi Taiyuan, 030051, China)

It proposes the drilling of bore holes with diameters less than 2 mm and high length-to-diameter ratios. It analyzes the influence of tool design and cutting data on chip formation and tool wear, puts forward the process solution of the drilling deep hole. It combines the process with laser drilling, improves the process reliability and productivity.

Drilling; Laser; Tool Geometry

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.09.008

2014-08-25

山西省國際合作項(xiàng)目(2012081030)

朱麗娜(1987—)，女，山西太原人，中北大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)樯羁准庸ぜ夹g(shù)及應(yīng)用。

O328

A

2095-509X(2014)09-0031-05