錯(cuò)齒BTA深孔鉆削切屑變形斷裂影響因素研究

李旭波 鄭建明 孔令飛 肖世英 劉 馳 郭 便

西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安，710048

0 引言

BTA（boring and trepanning association）鉆作為一種典型的自導(dǎo)向內(nèi)排屑深孔鉆，在兵器、航空、汽車、核能等制造行業(yè)得到廣泛應(yīng)用［1?3］。斷排屑問(wèn)題一直是內(nèi)排屑深孔鉆削的難點(diǎn)，尤其是在對(duì)像核電管板類高強(qiáng)度低碳合金鋼進(jìn)行深孔加工時(shí)，由于材料的強(qiáng)度高、韌塑性好，故切屑斷裂困難，堵屑、打刀現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，直接影響深孔鉆削效率［4?5］。錯(cuò)齒BTA鉆頭各刀齒所處位置不同、鉆削條件不同，切屑變形斷裂規(guī)律不同。此外，各刀齒前刀面設(shè)計(jì)了斷屑臺(tái)來(lái)增大切屑的彎曲變形量，輔助切屑斷裂。然而，斷屑臺(tái)尺寸設(shè)計(jì)與鉆削工藝參數(shù)的匹配，目前尚無(wú)完整的理論可予指導(dǎo)，只能依靠經(jīng)驗(yàn)值［6］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此也展開(kāi)了不少研究。BIERMANN等［7］采用槍鉆對(duì)難加工材料鎳基718進(jìn)行深孔鉆削試驗(yàn)，研究了切屑變形斷裂隨刀齒刃偏角和鉆削工藝參數(shù)的變化規(guī)律。GAO等［8］通過(guò)試驗(yàn)研究BTA鉆頭在鉆削過(guò)程中各刀齒切屑變形及鉆削力隨鉆削參數(shù)的變化規(guī)律，建立了切屑變形量與鉆削力之間的關(guān)系模型，其模型表明：切屑變形量越大，鉆削的軸向力越大。SAHU等［9］建立了設(shè)計(jì)有斷屑臺(tái)的麻花鉆的鉆削力模型，獲得了隨鉆削半徑分布的刀屑接觸長(zhǎng)度，研究了斷屑臺(tái)尺寸參數(shù)對(duì)鉆削力的影響。吳明陽(yáng)等［10］利用切屑底層與頂層在流出時(shí)的速度差，建立切屑卷曲半徑預(yù)測(cè)模型，通過(guò)試驗(yàn)研究了在切削鎳基高溫合金時(shí)高壓冷卻液的壓力對(duì)切屑卷曲半徑的影響，切削液壓力增大，切屑彎曲半徑減小，斷屑條件改善。TNAY等［11］建立了槍鉆加工過(guò)程中切屑液流體動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算模型，研究了刀具角度對(duì)切屑排出效率的影響，并對(duì)刀具角度參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。楊翔等［12］建立了錯(cuò)齒BTA深孔鉆削有限元仿真模型，利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)排屑通道進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

上述研究關(guān)于錯(cuò)齒BTA深孔鉆削切屑變形斷裂機(jī)理和鉆頭斷屑臺(tái)設(shè)計(jì)的理論尚不完善。本文在分析錯(cuò)齒BTA深孔鉆削切屑變形斷裂的影響因素的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)研究錯(cuò)齒BTA鉆頭深孔鉆削過(guò)程中切屑變形斷裂隨刀齒鉆削半徑、鉆削工藝參數(shù)及斷屑臺(tái)尺寸的變化分布規(guī)律，為錯(cuò)齒BTA鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)及鉆削工藝參數(shù)的優(yōu)化匹配提供理論依據(jù)。

1 切屑變形斷裂影響因素分析

BTA深孔鉆削是典型的內(nèi)排屑深孔鉆削方式，其工作原理如圖1所示。鉆削過(guò)程中高壓切削油從授油器進(jìn)入鉆桿外表面與授油器之間的空腔，經(jīng)過(guò)鉆桿外圓柱面與工件孔壁間的空隙將高壓切削油注入到BTA鉆頭頂部，冷卻、潤(rùn)滑切削區(qū)并將形成的切屑反方向推入鉆頭的大排屑口和小排屑口，經(jīng)刀桿流入積屑箱，切屑分離后，切削液通過(guò)油泵加壓循環(huán)使用，從而實(shí)現(xiàn)深孔的高效連續(xù)加工。由工作原理可知，能否形成規(guī)則的切屑并順利排出，是內(nèi)排屑深孔鉆削的關(guān)鍵。

圖1 錯(cuò)齒BTA深孔鉆削原理圖Fig.1 Schem atic diagram of BTA deep hole d rilling

錯(cuò)齒BTA鉆頭的3個(gè)刀齒橫向錯(cuò)位分布具有很好的分屑作用，各刀齒前刀面設(shè)有斷屑臺(tái)以增大切屑彎曲變形、輔助切屑斷裂，通過(guò)分屑、斷屑保證切屑具有合適的輪廓尺寸以順利排出。本文研究切屑的變形斷裂主要是針對(duì)塑性材料生成長(zhǎng)屑的情況而言，切屑形成及變形過(guò)程如圖2所示。刀齒切削刃與工件材料發(fā)生剪切滑移作用后形成切屑，切屑與前刀面發(fā)生擠壓摩擦，前刀面對(duì)切屑的擠壓作用如同一分布力作用在短的懸臂梁一側(cè)，產(chǎn)生彎矩，導(dǎo)致切屑受擠壓面（光面）與自由面（褶皺面）在流出速度上存在差異，促使切屑發(fā)生彎曲變形。切屑從前刀面流出后，流經(jīng)斷屑臺(tái)受到再次擠壓，彎曲變形進(jìn)一步增大，經(jīng)刀屑接觸終止點(diǎn)與斷屑臺(tái)頂點(diǎn)形成一個(gè)半徑為rc的圓弧。

圖2 切屑流經(jīng)斷屑臺(tái)彎曲變形的幾何關(guān)系模型Fig.2 Deform ation model of chip across the chip-b reaker

切屑從斷屑臺(tái)流出后處于自由狀態(tài)，受強(qiáng)迫變形的切屑將產(chǎn)生彈性恢復(fù)，切屑的曲率半徑會(huì)增大，切屑自由面的應(yīng)變亦增大，當(dāng)切屑的應(yīng)變大于材料的斷裂應(yīng)變時(shí)，切屑發(fā)生斷裂。在切屑的曲率半徑增大過(guò)程中，切屑自由面的應(yīng)變?cè)隽?/p>

式中，tc為切屑厚度；rf為切屑斷裂時(shí)切屑曲率半徑；K為切屑半徑變化比，K=rf/rc。

文獻(xiàn)［13］研究表明，在1.2≤K≤4時(shí)，塑性材料的切屑將發(fā)生斷裂。

根據(jù)圖2模型，切屑流經(jīng)斷屑臺(tái)時(shí)的曲率半徑

式中，lc為刀屑接觸長(zhǎng)度；wb為斷屑臺(tái)寬度；hb為斷屑臺(tái)高度；θ為卷屑角。

根據(jù)金屬切削的滑移線模型［14］，得到刀屑接觸長(zhǎng)度

lc=2tc（4）

將式（2）代入式（1），可得

由式（5）可知，切屑厚度與斷屑臺(tái)的尺寸會(huì)直接影響切屑的應(yīng)變。而切屑厚度除了與刀齒切削角度、工件材料有關(guān)，還與刀齒切削半徑和鉆削工藝參數(shù)有關(guān)［15］。只有明晰切屑厚度的分布變化規(guī)律，才能為各刀齒選取與鉆削工藝參數(shù)相匹配的斷屑臺(tái)尺寸，從而保證良好的斷屑效果。

2 試驗(yàn)條件及方法

鉆削試驗(yàn)采用刀具回轉(zhuǎn)式數(shù)控內(nèi)排屑BTA深孔鉆試驗(yàn)平臺(tái)(圖4)，鉆桿長(zhǎng)度1 500 mm，最大鉆削深度1 000 mm，鉆削轉(zhuǎn)速范圍0～2 000 r/m in，切削油動(dòng)力黏度1.33×10?2Pa·s，最大供油壓力6 M Pa，流量90 L/m in。為研究斷屑臺(tái)尺寸參數(shù)對(duì)切屑變形的影響，將9個(gè)直徑為17.75mm的錯(cuò)齒BTA鉆頭的3個(gè)刀齒斷屑臺(tái)寬度與高度磨制成表1所示的尺寸。鉆削試件材料選擇核電管板常用的高強(qiáng)度低碳合金鋼SA 508?3，其物理機(jī)械特性參數(shù)如表2所示［5］，工件尺寸為800 mm×500 mm×200 mm。在進(jìn)給量范圍為0.04～0.12 mm/r、轉(zhuǎn)速范圍為800～1600 r/m in情況下采用單因素試驗(yàn)法進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，對(duì)收集到的切屑用無(wú)水酒精清洗后，在OLYMPUS?BX 51M電

圖3 BTA深孔鉆削試驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 BTA deep hole drilling test p latform

表2 SA 508-3物理機(jī)械特性參數(shù)Tab.2 Physicaland mechanical characteristic param eters of SA 508-3

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 切屑厚度隨刀齒鉆削半徑的分布規(guī)律

采用5號(hào)鉆頭在轉(zhuǎn)速n=1 200 r/m in、進(jìn)給量f=0.1 mm/r條件下進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，顯微鏡下3個(gè)刀齒切屑的橫截面如圖4所示，由于3個(gè)刀齒所處位置不同，鉆削半徑不同，形成切屑的形態(tài)相差較大。在電子顯微鏡下對(duì)沿刀齒鉆削半徑分布切屑的厚度進(jìn)行等分測(cè)量，結(jié)果如圖5所示。各刀齒上子顯微鏡下對(duì)各刀齒切屑進(jìn)行分類觀察測(cè)量，研究各刀齒切屑厚度隨刀齒鉆削半徑及鉆削工藝參數(shù)的變化規(guī)律。隨刀齒鉆削半徑r的增大，切屑厚度tc增大，tc?r曲線近似為直線，其斜率按中心齒、中間齒、外齒的順序依次減??；刀齒切屑厚度的最大值點(diǎn)均位于各刀齒切屑大徑邊緣且中心齒、中間齒、外齒的最大切屑厚度依次減小，外齒切屑的最大厚度為0.215mm，中心齒、中間齒、外齒的最大切屑厚度比為1.53∶1.17∶1。

圖4 各個(gè)刀齒切屑橫截面Fig.4 Chip cross section w ith d rill radius

圖5 切屑厚度隨鉆頭刀齒鉆削半徑分布規(guī)律Fig.5 Distributionsof chip thicknessw ith drill radius

鉆削過(guò)程中隨鉆削半徑增大，材料的去除率增大，切屑流出速度增大，產(chǎn)生切屑的曲率半徑增大，而切屑在流動(dòng)過(guò)程中卷曲螺距相同［15?16］，如圖6所示。高溫切屑流出后刀齒鉆削半徑小的一側(cè)切屑會(huì)受到拉伸作用，導(dǎo)致切屑厚度減小，因此，各刀齒上隨鉆削半徑增大，切屑厚度增大。

圖6 錯(cuò)齒BTA深孔鉆切屑形態(tài)Fig.6 Chip m orphology of BTA deep hole d rilling

假設(shè)鉆削變形前后，切屑與工件材料的體積不變，則刀齒半徑r上流出切屑的厚度

式中，ω為鉆頭旋轉(zhuǎn)的角速度；V(r)為刀齒半徑r上單位時(shí)間切削工件材料的體積;v(r)為刀齒半徑r上流出切屑的速度;tc0為切削層厚度。

根據(jù)鉆削過(guò)程同一個(gè)刀齒上形成切屑流出時(shí)的螺距相同，可得刀齒半徑r上流出切屑的速度

式中，R為刀齒大徑；ph為切屑卷曲的螺距；vR為刀齒大徑邊緣流出切屑的速度，vR=ωRtc0/tcR；tcR為刀齒大徑邊緣切屑厚度。

將式（7）、式（8）代入式（6）可得各刀齒上隨鉆削半徑分布的切屑厚度

通過(guò)式（9）可知，在中心齒上由于鉆削半徑變化較大，故中心齒的切屑厚度變化率最大，而隨鉆削半徑的增大，中間齒、外齒半徑的變化率減小，切屑厚度的變化率減小。因此，中心齒、中間齒、外齒各刀齒隨半徑變化切屑厚度的增大率依次減小。

3個(gè)刀齒切屑大徑邊緣的形貌如圖7所示，金屬切削過(guò)程是在剪切區(qū)的不連續(xù)剪切滑移過(guò)程，并且形成的切屑會(huì)在第二變形區(qū)經(jīng)過(guò)滑動(dòng)—停留堆積—再滑動(dòng)3個(gè)階段［17］。中心齒切削半徑小，切削線速度小，在切削過(guò)程中的擠壓作用大于剪切作用，剪切區(qū)寬度增大，導(dǎo)致切屑與前刀面在第二變形區(qū)的正壓力增大，需要克服切屑與前刀面之間的靜摩擦力增大，停留堆積時(shí)間增大，切屑厚度增大。中間齒、外齒隨鉆削半徑增大，切削速度增大，切削條件改善，剪切區(qū)的應(yīng)變速率高，產(chǎn)生的切削熱多，切削區(qū)溫度高，材料的塑性流動(dòng)增強(qiáng)，切削時(shí)與前刀面的擠壓、摩擦小，易形成切屑流出，切屑堆積效應(yīng)減弱，切屑厚度減小。所以中心齒、中間齒、外齒大徑邊緣切屑的厚度依次減小。

圖7 各刀齒切屑大徑邊緣的切屑形貌Fig.7 Chip morphology of the teeth large d iam eter periphery

3.2 切屑厚度隨鉆削工藝參數(shù)的變化規(guī)律

由于各刀齒大徑邊緣的切屑厚度大、刀屑接觸長(zhǎng)度大，切屑卷曲半徑大，因此，切屑從前刀面流出后，其大徑邊緣首先與斷屑臺(tái)發(fā)生接觸，產(chǎn)生擠壓變形。以各刀齒大徑邊緣切屑的厚度、斷裂系數(shù)為研究對(duì)象，通過(guò)單因素試驗(yàn)法，采用5號(hào)鉆頭在轉(zhuǎn)速n=1 200 r/m in時(shí)不同進(jìn)給量和進(jìn)給量f=0.1 mm/r時(shí)不同轉(zhuǎn)速情況下進(jìn)行深孔鉆削試驗(yàn)，研究鉆削工藝參數(shù)對(duì)各刀齒切屑厚度、斷裂系數(shù)的影響變化規(guī)律。

圖8是在不同鉆削工藝參數(shù)下獲得的各刀齒切屑厚度曲線，3個(gè)刀齒切屑厚度的變化規(guī)律相同，且都是中心齒切屑厚度＞中間齒切屑厚度＞外齒切屑厚度；隨進(jìn)給量的增大，切屑厚度增大，隨鉆削轉(zhuǎn)速的增大，切屑厚度減小，但與進(jìn)給量相比，鉆削轉(zhuǎn)速影響較小。因?yàn)檫M(jìn)給量增大時(shí)各刀齒切削層厚度增大，切屑厚度變形系數(shù)也增大，所以切屑厚度增幅較大。此外，鉆削轉(zhuǎn)速增大時(shí)，各刀齒鉆削的線速度增大，切削主變形區(qū)與第二變形區(qū)摩擦產(chǎn)生的熱量增大，切削區(qū)溫度升高，切屑塑性提高，切屑與前刀面潤(rùn)滑條件改善，切屑在前刀面的堆積效應(yīng)減弱，切屑厚度減小。

圖8 鉆削工藝參數(shù)對(duì)切屑厚度的影響Fig.8 In fluence of drilling p rocess param eters on chip thickness

3.3 鉆削工藝參數(shù)對(duì)切屑應(yīng)變的影響

將采用5號(hào)鉆頭在不同鉆削工藝參數(shù)下鉆削得到的切屑厚度代入式（5），由于SA 508?3材料的韌塑性強(qiáng)，切屑半徑變化比取K=3.8，獲得不同鉆削工藝參數(shù)下各刀齒切屑應(yīng)變?cè)隽?，如圖9所示。中心齒、外齒、中間齒各刀齒的切屑應(yīng)變?cè)隽恳来螠p小，隨鉆削進(jìn)給量的增大，切屑應(yīng)變?cè)隽吭龃?，且變化率增大。中心齒在進(jìn)給量f=0.06 mm/r時(shí)切屑發(fā)生斷裂，中間齒與外齒在進(jìn)給量f=0.08mm/r時(shí)切屑發(fā)生斷裂，3個(gè)刀齒相比，中心齒的斷屑條件較差。轉(zhuǎn)速對(duì)切屑應(yīng)變?cè)隽坑绊戄^小，隨轉(zhuǎn)速增大，中心齒切屑應(yīng)變?cè)隽炕静蛔?，外齒與中間齒切屑應(yīng)變?cè)隽繙p小。因?yàn)檫M(jìn)給量增大時(shí)，切屑厚度增大，刀屑接觸長(zhǎng)度增大，前刀面和斷屑臺(tái)對(duì)切屑產(chǎn)生的彎曲變形能增大，切屑的應(yīng)變?cè)龃?，切屑更易斷裂；而轉(zhuǎn)速增大時(shí)，切削層厚度不變，切屑厚度減小，而切屑溫度升高，切屑材料伸長(zhǎng)率增大，斷裂應(yīng)變?cè)龃?，不利于切屑斷裂?/p>

圖9 鉆削工藝參數(shù)對(duì)切屑應(yīng)變的影響Fig.9 In fluence of d rilling p rocess param eters on chip strain

3.4 斷屑臺(tái)參數(shù)對(duì)切屑應(yīng)變的影響

9個(gè)不同斷屑臺(tái)尺寸的錯(cuò)齒BTA鉆頭在進(jìn)給量f=0.1 mm/r、轉(zhuǎn)速n=1200 r/m in條件下工作，3個(gè)刀齒的切屑應(yīng)變?cè)隽考皩?duì)應(yīng)的切屑如圖10所示，斷屑臺(tái)尺寸會(huì)直接影響切屑卷屑角和卷曲半徑，從而對(duì)切屑應(yīng)變產(chǎn)生影響。由于中心齒的切屑厚度大，并且厚度變化梯度大，因此，3個(gè)刀齒中中心齒切屑應(yīng)變?cè)隽渴軘嘈寂_(tái)尺寸的影響較大。隨斷屑臺(tái)寬度增大、高度減小，切屑應(yīng)變?cè)隽繙p小，斷屑條件惡化；隨斷屑臺(tái)寬度減小、高度增大，切屑應(yīng)變?cè)隽吭龃螅瑪嘈紬l件改善。但是如果斷屑臺(tái)寬度過(guò)小、高度過(guò)大，切屑受到過(guò)度擠壓變形，就會(huì)致使切屑流出的阻力增大，產(chǎn)生厚度嚴(yán)重不均均勻的節(jié)狀切屑，進(jìn)而導(dǎo)致鉆削力波動(dòng)大，鉆削穩(wěn)定性差，刀齒易崩刃。

圖10 斷屑臺(tái)尺寸參數(shù)對(duì)切屑應(yīng)變的影響Fig.10 The influence of chip-b reaker param eters on chip strain

4 結(jié)論

（1）通過(guò)試驗(yàn)研究了切屑厚度、切屑應(yīng)變隨刀齒鉆削半徑、鉆削工藝參數(shù)以及斷屑臺(tái)尺寸的分布變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，刀齒鉆削半徑對(duì)切屑厚度影響較大，各刀齒隨鉆削半徑的增大，切屑厚度增大，中心齒、中間齒、外齒的切屑厚度增大率依次減小，刀齒上切屑厚度最大點(diǎn)均位于刀齒大徑邊緣，中心齒、中間齒、外齒的切屑最大厚度比為1.53∶1.17∶1。

（2）不同鉆削參數(shù)下，3個(gè)刀齒大徑邊緣的切屑厚度變化規(guī)律相同，中心齒、中間齒、外齒各刀齒大徑邊緣的切屑厚度依次減小。隨進(jìn)給量的增大，切屑厚度增大，隨鉆削轉(zhuǎn)速的增大，切屑厚度減小，但與進(jìn)給量相比，鉆削速度影響較小。

（3）中心齒、外齒、中間齒各刀齒的切屑應(yīng)變?cè)隽恳来螠p小，隨鉆削進(jìn)給量的增大，切屑應(yīng)變?cè)隽吭龃?；隨斷屑臺(tái)寬度減小、高度增大，切屑應(yīng)變?cè)隽吭龃?，斷屑條件改善。