提高鏜床上深孔鉆削加工效率的研究

劉永社

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西寶雞 721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心,陜西寶雞 721002）

0 引言

隨著機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，大于10倍徑的深孔在機(jī)械加工中越來(lái)越頻繁。我公司在加工一種大于10倍徑深孔的產(chǎn)品時(shí)，因?yàn)槠渫庑谓Y(jié)構(gòu)的限制，只能在鉆床或著鏜床上進(jìn)行加工。在鉆床上加工排屑困難，深孔加工效率低；在鏜床上加工，排屑稍微有所改善，但是隨著孔深的增加，排屑問(wèn)題依然成為了影響其深孔加工效率的最大問(wèn)題。

目前，公司深孔的加工根據(jù)加工產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)體類產(chǎn)品在專用設(shè)備上加工，非回轉(zhuǎn)體或一些異形件采用專用的裝置進(jìn)行加工。使用專用的裝置進(jìn)行加工時(shí)，不僅需要購(gòu)買專用的裝置，而且需要購(gòu)買專用的磨刀設(shè)備，使用時(shí)需要安裝專用裝置，準(zhǔn)備工作繁瑣，影響產(chǎn)品加工效率。

為了解決上述問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鏜床設(shè)備在加工深孔時(shí)的情況進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)此類產(chǎn)品深孔加工在鏜床上不采用專用裝置的情況下，依然能進(jìn)行高效加工的方法。擺脫鏜床上深孔加工對(duì)專用裝置的依賴。

1 影響鏜床深孔鉆削加工效率提高原因

1.1 刀具冷卻

在鉆孔加工過(guò)程中，加工工具必須能夠傳遞足夠的冷卻液壓力。壓力越大，排屑速度越快，鉆孔速度越快[1]。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)加工發(fā)現(xiàn)，鏜床在加工深孔時(shí)，如果采用普通的麻花鉆進(jìn)行深孔加工時(shí)，刀具加工部位只能在加工孔口時(shí)得到有效的冷卻，隨著孔深的增加，深孔內(nèi)部冷卻液不能直接到達(dá)刀具的切削部位，而是順著刀具的排屑槽流入刀具的加工部位，冷卻液沒(méi)有壓力，因此不能實(shí)現(xiàn)傳遞足夠的冷卻液壓力，排屑的速度也不能得到改善。

如果采用帶內(nèi)冷卻的機(jī)加鉆頭進(jìn)行深孔的加工時(shí)，冷卻液通過(guò)刀具內(nèi)的長(zhǎng)流道可以到達(dá)切削部位，但壓力依然很小，排屑的速度沒(méi)有明顯加快，對(duì)提高機(jī)床的加工效率沒(méi)有明顯的改觀。

刀具的切削部位得不到有效的冷卻，使得刀具的溫度居高不下。在這種情況下，如果采用提高刀具的轉(zhuǎn)速或者進(jìn)給速度來(lái)提高深孔的鉆削加工效率，就會(huì)造成刀具損壞，而無(wú)法實(shí)現(xiàn)加工效率的提高。因此，刀具的切削部位的冷卻是影響鏜床深孔鉆削加工效率提高的一個(gè)原因。

1.2 鐵屑形狀及排屑方式

正確的切屑形狀和大小及有效的排屑對(duì)于成功的深孔加工（深孔鉆削）而言至關(guān)重要[3]。要提高深孔鉆削的加工效率，切屑的分?jǐn)嘧钪匾猍2]。

在鏜床上進(jìn)行鉆孔加工時(shí)，無(wú)論是采用麻花鉆頭還是采用帶內(nèi)冷卻的機(jī)加鉆頭，都必須保證在鉆削過(guò)程中能夠進(jìn)行正常排屑，在不使用專用裝置的情況下，鉆削加工的正常鐵屑形狀為條狀，這種條狀的鐵屑排屑速度慢，而且易纏繞在刀具上，機(jī)床的轉(zhuǎn)速低，加工效率低。

為了提高加工效率，使鐵屑的形狀為細(xì)小分?jǐn)啵龃髾C(jī)床的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給，使鐵屑的形狀成為細(xì)小的崩碎屑，這種形狀的鐵屑依靠冷卻液無(wú)法將其帶出深孔，導(dǎo)致其在深孔內(nèi)堆積，造成了切削熱增加。而且這些不易排出的鐵屑，在刀具旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，極易產(chǎn)生夾屑，造成刀具和孔壁拉傷，甚至?xí)斐傻毒邠p壞。因此，鐵屑的形狀及排屑方式也是影響鏜床深孔鉆削加工效率提高的一個(gè)原因。

2 解決的方法及措施

2.1 解決的方法

從上面的影響原因可以看出，要提高鏜床上鉆削加工效率的問(wèn)題，需要解決2個(gè)問(wèn)題：1）解決刀具的冷卻問(wèn)題；2）解決鐵屑的形狀及排出問(wèn)題。

為了解決上述2個(gè)問(wèn)題，從刀具的快速冷卻和快速排屑兩方面的問(wèn)題進(jìn)行研究，增加冷卻液的壓力，從而達(dá)到增加排屑速度的目的。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，對(duì)這兩方面的問(wèn)題進(jìn)行了分析，要提高鏜床鉆削加工效率，可以采用增加機(jī)床轉(zhuǎn)速和進(jìn)給來(lái)實(shí)現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)去除材料的量得到增加。提高加工參數(shù)，就會(huì)導(dǎo)致鐵屑的形狀發(fā)生變化，從而形成我們需要的細(xì)小分?jǐn)嗟谋浪樾?。這種鐵屑形成后，要解決的問(wèn)題就轉(zhuǎn)換為如何高效地冷卻和排屑問(wèn)題。

通過(guò)前面的分析可知，要實(shí)現(xiàn)高效的冷卻和排屑，必須使冷卻液具有足夠大的壓力，這樣才能實(shí)現(xiàn)高效的鉆孔加工。僅依靠機(jī)床冷卻系統(tǒng)的壓力，是不可能的。在這種情況下，采用了將機(jī)床外部的高壓氣體引入機(jī)床的冷卻系統(tǒng)，增加其冷卻系統(tǒng)的壓力，從而實(shí)現(xiàn)使冷卻液具有足夠大的壓力的目的。

要將外部的高壓氣體引入機(jī)床的冷卻系統(tǒng)，需要一個(gè)三通接頭就能實(shí)現(xiàn)將高壓氣體引入機(jī)床的冷卻系統(tǒng)。如果使用普通的三通接頭簡(jiǎn)單地將高壓氣體引入冷卻系統(tǒng)，那么外部高壓氣體的壓力大于機(jī)床冷卻系統(tǒng)的壓力，就會(huì)出現(xiàn)冷卻液無(wú)法到達(dá)切削部位，只有高壓氣體可以到達(dá)刀具的切削部位，這種情況等同使用風(fēng)冷進(jìn)行降溫，沒(méi)有達(dá)到最佳的冷卻效果。

通過(guò)研究分析，自主設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的組合三通接頭（如圖1），將其安裝在機(jī)床的冷卻管路上，將車間的高壓氣體引入冷卻系統(tǒng)，使冷卻液變成了一種具有一定壓力的氣霧直達(dá)刀具前端的切削部位，這樣相同時(shí)間內(nèi)流過(guò)刀具切削部位的氣液速度增加，可以有效地降低刀具切削部位的溫度。同時(shí)通過(guò)提高刀具的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度，改變鐵屑的形狀為崩碎屑，以便帶有壓力的冷卻氣霧將鐵屑直接從孔內(nèi)吹出孔外，使深孔內(nèi)不再有鐵屑堆積，消除了鐵屑堆積造成的刀具溫度升高，避免了刀具在高速加工中產(chǎn)生夾屑情況，通過(guò)采用這種方法有效地解決了刀具的冷卻和鐵屑的排出問(wèn)題。

圖1 組合三通接頭

2.2 解決的措施

根據(jù)以上的思路，自主設(shè)計(jì)了一種特殊的組合三通接頭，其結(jié)構(gòu)和原理如圖2所示。

圖2 組合三頭接頭的結(jié)構(gòu)及原理

其工作原理是高壓氣體通過(guò)送風(fēng)端及導(dǎo)風(fēng)管流出三通，在三通和導(dǎo)風(fēng)管之間形成一個(gè)負(fù)壓腔，這樣冷卻液從三通的冷卻液端流入三通腔體內(nèi)，與高壓氣體混合，一起通過(guò)連接接頭5進(jìn)入刀體的流道內(nèi)，這些冷卻液和高壓氣體混合物，在刀具出口處壓力得到釋放，從而將冷卻液以霧狀的形式噴射在加工刀刃上，使加工刀具的刀刃在加工過(guò)程中始終得到最佳的冷卻狀態(tài)。

同時(shí)，由于這些氣霧狀的冷卻液帶有壓力，不斷地從刀具的流道中進(jìn)入鉆削的孔內(nèi)，然后從鉆頭的前端通過(guò)排屑槽向外流出，并將加工中產(chǎn)生的崩碎屑帶出深孔外，使深孔干凈通暢，不會(huì)有大量的鐵屑堆積。這些不僅消除了鐵屑中的熱量向刀體的傳遞，而且還消除了刀具高轉(zhuǎn)速的夾屑情況，有效地解決了鏜床深孔鉆削刀具冷卻和排屑的問(wèn)題，大大提高鏜床深孔鉆削加工的效率。

在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用中，對(duì)一種孔徑為φ42 mm、孔深500 mm的產(chǎn)品進(jìn)行了測(cè)試（如圖3），在測(cè)試過(guò)程中，加工刀具的轉(zhuǎn)速?gòu)脑瓉?lái)的30～40 r/min提高到400 ～500 r/min，加工效率比原來(lái)提高了10～16倍多。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果

3 結(jié)語(yǔ)

采用上述的方法，有效地提高了鏜床上深孔鉆削加工的效率，為大于10倍徑深孔的加工開(kāi)辟了一條新的加工方法。擺脫了在鏜床上進(jìn)行高效深孔加工對(duì)專用裝置的依賴。此方法中所需要的三通接頭制造簡(jiǎn)單、安裝方便，能將生產(chǎn)加工現(xiàn)場(chǎng)的資源充分利用起來(lái)，已經(jīng)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了推廣應(yīng)用。在鏜床上應(yīng)用此方法進(jìn)行深孔加工，具有重要的實(shí)際意義。