細(xì)長(zhǎng)孔的鉆削參數(shù)優(yōu)化

劉 成，馬鑫濤，李 雪，李曉陽(yáng)

1洛陽(yáng)礦山機(jī)械工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 河南洛陽(yáng) 471039

2礦山重型裝備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471039

3中信重工機(jī)械股份有限公司 河南洛陽(yáng) 471039

中 信重工生產(chǎn)的用于邊緣傳動(dòng)的軸齒輪，每年產(chǎn)量約為 120 件，材質(zhì)為 17CrNiMo6，經(jīng)滲碳淬火處理，齒面硬度為 57～ 61HRC，芯部硬度 ≥35 HRC，其中兩端軸向共有 4 個(gè)φ11 mm 細(xì)長(zhǎng)孔，最大孔深為 1 200 mm (長(zhǎng)徑比＞100∶1)，其作用是在檢修時(shí)方便拆卸軸承。細(xì)長(zhǎng)孔一般是在數(shù)控鏜銑床上配備槍鉆實(shí)施加工，加工時(shí)常出現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)孔軸心傾斜、鉆頭折斷等問題，且加工效率較低，影響生產(chǎn)進(jìn)度。

1 鉆削影響因素分析

1.1 機(jī)床精度的影響

槍鉆不同于普通接桿或整體加長(zhǎng)麻花鉆，并不是所有的鉆床、鏜床和車床都能與槍鉆配合進(jìn)行加工。槍鉆是內(nèi)冷外排屑，屬高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)給切削，要求具有高轉(zhuǎn)速、高精度且具有冷卻系統(tǒng)的機(jī)床配合加工。普通機(jī)床轉(zhuǎn)速低、進(jìn)給穩(wěn)定性差、沒有冷卻系統(tǒng)，退刀排屑、鉆削過程受力不均，鉆削細(xì)長(zhǎng)深孔時(shí)軸線易傾斜或折斷鉆桿，鉆孔質(zhì)量差、效率低。故此由高精度數(shù)控鏜銑床配合槍鉆實(shí)施細(xì)長(zhǎng)孔加工效果較好。

1.2 材料硬度的影響

材料硬度不均衡造成鉆刃切削時(shí)受力不穩(wěn)，鉆頭偏擺，造成加工孔軸線傾斜、鉆頭崩刃或折斷。

1.3 鉆削方式

鉆桿相當(dāng)于懸臂梁，懸出越長(zhǎng)則剛性越差。如果工件靜止，鉆桿旋轉(zhuǎn)進(jìn)給時(shí)，隨著鉆桿進(jìn)給量的增加，其剛性越來越差，會(huì)造成深孔軸線傾斜。如果鉆桿旋轉(zhuǎn)而工件進(jìn)給，則減少了由于鉆桿剛性因素對(duì)加工的影響。

鉆削參數(shù)和鉆頭幾何角度的選擇。槍鉆的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給倍率選擇的不合理，會(huì)造成鉆頭磨損過快、受力不均；槍鉆切削刃角度不合適，在鉆深孔時(shí)，同樣會(huì)造成槍鉆受力不均，造成偏擺大、直線度差、甚至槍鉆崩斷的問題。

1.4 加工條件改進(jìn)

鉆導(dǎo)向孔時(shí)未找正工件，或加工軸齒輪端面與其軸線不垂直，就會(huì)造成鉆桿軸線與孔口端面不垂直。開始鉆孔時(shí)由于垂直度誤差造成鉆頭受力不均，影響開始鉆孔時(shí)孔的軸線傾斜度，最終影響細(xì)長(zhǎng)深孔軸線傾斜或鉆桿折斷。為提高加工質(zhì)量和效率，鉆導(dǎo)向孔時(shí)嚴(yán)格找正，且端面先銑平再鉆導(dǎo)向孔，保證孔口端面與工件軸線和鉆桿中心軸線垂直。

由傳統(tǒng)人工澆注冷卻、退刀排屑，增加深孔鉆(冷卻) 系統(tǒng)，選定匹配壓力和流量，采用剛性及鉆削性能高的進(jìn)口槍鉆，來改善排屑和冷卻工況。

通過對(duì)上述影響細(xì)長(zhǎng)深孔加工的因素進(jìn)行不斷優(yōu)化，加工質(zhì)量和效率有所提高，但未達(dá)到理想效果。槍鉆適用于加工小直徑細(xì)長(zhǎng)深孔，其內(nèi)冷外排屑方式，具有深孔加工質(zhì)量高、效率高的優(yōu)點(diǎn)。但鉆削角選擇不當(dāng)，且鉆削參數(shù) (轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量) 選擇不匹配，致使鉆削時(shí)產(chǎn)生的力不合理，阻礙鉆削，從而影響深孔加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率，影響生產(chǎn)進(jìn)度、增加工藝成本。槍鉆鉆削角、鉆削參數(shù)是否最佳是影響細(xì)長(zhǎng)深孔加工質(zhì)量、加工效率主要關(guān)鍵因素，也是最難選定的因素。筆者以軸齒輪細(xì)長(zhǎng)孔加工為例，通過試驗(yàn)優(yōu)化槍鉆鉆削角、鉆削參數(shù)，并達(dá)到提高加工質(zhì)量和加工效率、降低工藝成本的目的。

2 細(xì)長(zhǎng)孔鉆削

TK6916B 數(shù)控鏜銑床的數(shù)控系統(tǒng)為 SIEMENS 系統(tǒng)，配備槍鉆型號(hào)為 STOCK，規(guī)格為φ11 mm 3 根 (L=500 mm、L=940 mm、L=1 380 mm) 進(jìn)口槍鉆。TK6916B 數(shù)控鏜銑床深孔加工如圖 1 所示。

圖1 TK6916B 數(shù)控鏜銑床深孔加工Fig.1 Machining of deep hole with TK6916B numerical control boring and milling machine tool

2.1 工件找正

將軸齒輪固定在 TK6916B 機(jī)床旋轉(zhuǎn)移動(dòng)工作平臺(tái)上，在軸齒輪兩端的等直徑圓上架上 V 形鐵。找正兩端軸徑外圓母線，允差為 0.02 mm/m。找正后選擇合適的壓板將工件壓緊，重新打表復(fù)檢工件是否移動(dòng)，若移動(dòng)，則重新找正至要求。工作臺(tái)旋轉(zhuǎn) 90°，使軸齒輪一端面正對(duì)鏜軸，保證鉆桿軸線與軸齒輪軸線平行，軸齒輪端面垂直。

2.2 鉆導(dǎo)向孔

以軸齒輪的軸線為原點(diǎn)，銑平端面，在中心位置鉆φ11 定位孔，再鉆鉸φ11H7 導(dǎo)向孔，孔深 30 mm。導(dǎo)向孔加工完成后，將 75 mm 長(zhǎng)的圓棒φ11h6 插入導(dǎo)向孔內(nèi)，保證導(dǎo)向孔軸線與軸齒輪軸線平行。

2.3 槍鉆最佳鉆削參數(shù)

被加工零件的材質(zhì)不同，熱處理后所體現(xiàn)出的硬度也不同，槍鉆最佳鉆削角也不同。槍鉆鉆削角如圖 2 所示。工件硬度高，槍鉆外刃和內(nèi)刃的夾角 (鉆削角γ) 小，反之則大。鉆削角過小時(shí)，鉆削徑向力增大，鉆桿易卡死折斷；鉆削角過大時(shí)，鉆削軸向力增大，鉆削阻力大，鉆桿偏擺幅度大，不易進(jìn)給[1]。鉆削角一般為鈍角，不同材料的最佳鉆削角不同。

圖2 槍鉆鉆削角Fig.2 Drilling angle of gun drill

根據(jù)設(shè)定的鉆削角，計(jì)算外偏角α、內(nèi)偏角β[2]，一般情況下α比β大 10°)。每次加工軸齒輪上細(xì)長(zhǎng)孔時(shí)，必須對(duì)槍鉆鉆削角γ進(jìn)行校正。刃磨校正槍鉆時(shí)，鉆尖距鉆桿軸線距離也是影響鉆削效率的一個(gè)因素。

為選取最佳鉆削角提高加工質(zhì)量和效率，通過選取不同鉆削角和不同鉆削參數(shù) (轉(zhuǎn)速n、進(jìn)給量f) 進(jìn)行試驗(yàn)。鉆削轉(zhuǎn)速n與進(jìn)給量f的合理匹配是高效、高質(zhì)量完成細(xì)長(zhǎng)深孔加工的重要因素。鉆削參數(shù)的選擇與被加工軸齒輪的材料性能、孔的深徑之比有關(guān)。進(jìn)給量不能太小，太小鐵屑呈帶狀，不易斷屑，排屑不暢，易堵塞，造成鉆頭受力不均，軸線傾斜或折斷鉆桿；進(jìn)給量也不能太大，否則單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的鐵屑體積大，由于槍鉆與工件間排屑間隙小，造成排屑不暢，易堵塞，同時(shí)槍鉆負(fù)荷增大，產(chǎn)生熱量增加，槍鉆磨損增快，造成鉆頭受力不均，軸線傾斜或折斷鉆桿。鉆削轉(zhuǎn)速過低，則加工效率低，孔的表面質(zhì)量差；鉆削轉(zhuǎn)速太高則會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，降低槍鉆耐用度，同時(shí)振動(dòng)也會(huì)增大。進(jìn)給量大，產(chǎn)生的鐵屑如果不能及時(shí)排出，同樣影響鉆孔的質(zhì)量和效率[3-5]。鉆削參數(shù)匹配試驗(yàn)如表 1 所列。

表1 鉆削參數(shù)匹配試驗(yàn)Tab.1 Matching test for drilling parameters

由表 1 可知，使用 TK6916B 數(shù)控鏜銑床鉆削軸齒輪細(xì)長(zhǎng)孔時(shí)，槍鉆鉆削角為 110°，鉆桿轉(zhuǎn)速為 880 r/min，進(jìn)給量為 0.015 mm/r，鉆削效率最高、質(zhì)量最佳。選擇此鉆削參數(shù)加工軸齒輪細(xì)長(zhǎng)孔時(shí)效率最高、且質(zhì)量最好。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，TK6916B 數(shù)控鏜銑床鉆削軸齒輪細(xì)長(zhǎng)孔時(shí)，最佳槍鉆鉆削角為 110°，鉆桿最佳轉(zhuǎn)速為 880 r/min，最佳進(jìn)給量為 0.015 mm/r。經(jīng)過優(yōu)化鉆削參數(shù)后，簡(jiǎn)化了加工工序，減少了進(jìn)刀、退刀及磨刀次數(shù)，減少了斷刀、取刀次數(shù)及時(shí)間，加工時(shí)間由原來的 20～24 h 縮短到 8 h，提高了加工效率；減少了槍鉆的使用量，節(jié)約了采購(gòu)槍鉆的費(fèi)用，同時(shí)提高了細(xì)長(zhǎng)孔的加工質(zhì)量。