淺析深孔加工刀具設(shè)計的方法

王羽

摘 要：現(xiàn)階段深孔加工刀具在各制造領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍較廣，為從根本上提高深孔加工刀具設(shè)計水平，還需要結(jié)合深孔加工刀具特征，優(yōu)化實(shí)際加工方案，加強(qiáng)深孔加工刀具設(shè)計管控力度。本文就針對此，以減震器、裝配式深孔鉆頭為例，提出該刀具設(shè)計難點(diǎn)，提出深孔加工刀具設(shè)計手段，以期為相關(guān)工作人員提供理論性幫助。

關(guān)鍵詞：深孔加工刀具;設(shè)計;方式

前言：

相較于其他刀具加工工作而言，深孔加工刀具設(shè)計工作的難度更高，專業(yè)性更強(qiáng)，在具體加工過程中排屑冷卻難度大、生產(chǎn)成本應(yīng)當(dāng)?shù)玫絿?yán)格管控。由于深孔加工刀具種類較多，本文只選取減震器、裝配式深孔鉆頭設(shè)備作為深孔加工刀具設(shè)計方式論述對象。

1、深孔加工刀具概念

深孔加工刀具主要就是孔深與孔徑比值大于5～10的孔。普通孔深加工工作可以使用麻花鉆接長方式加工。但對于孔深較大的加工工作，需要配合使用專用加工設(shè)施，如專用深孔加工機(jī)床、深孔加工刀具等。在深孔加工的孔為半封閉情況下，實(shí)際加工期間會存在排屑難度大、導(dǎo)熱性能較差、冷卻潤滑難度較高等問題。部分刀具在具體應(yīng)用過程中也容易抖動、振動與變形。

現(xiàn)階段深孔加工刀具主要分為外排屑單雙刃深鉆孔、套料鉆、內(nèi)排屑刀具等多種類型，實(shí)際應(yīng)用范圍更為廣泛。以外排屑單雙刃深鉆孔刀具為例，該刀具鉆尖偏離軸心，會生成內(nèi)刃及外刃。外刃結(jié)構(gòu)較短，內(nèi)刃結(jié)構(gòu)較長。外刃生成的主角也會大于內(nèi)刃生成的副偏角，導(dǎo)致外韌上的徑向力大于內(nèi)刃上的徑向力，并且該力始終處于同一作用的導(dǎo)條上，使導(dǎo)條能夠充分發(fā)揮出以支撐導(dǎo)向作用，避免鉆頭出現(xiàn)鉆偏問題。在孔徑增大過程中，與孔壁產(chǎn)生輥光作用，以從根本上提升深孔加工設(shè)備的圓度以及整體加工質(zhì)量。

2、減震器深孔加工刀具設(shè)計方式

2.1減震器構(gòu)件結(jié)構(gòu)概況

減震器中的某一構(gòu)件需要采用深孔加工刀具。該構(gòu)件毛坯為壓鑄成型，加工余量為1～2。構(gòu)件主要使用鋁為原材料，具有深孔加工特征，對孔中的精度要求較高，僅采用傳統(tǒng)加工方式難以從根本上保障刀具實(shí)際加工水平。

2.2減震器構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計難點(diǎn)

由于該構(gòu)件內(nèi)孔精度要求較高，深孔直徑為350，表面粗糙度為0.8，具有深孔加工特征。同時，深孔加工刀具的刀桿細(xì)長、高度較差，容易在具體生產(chǎn)過程中出現(xiàn)振刀現(xiàn)象。因構(gòu)件主要以鋁為原材料，在切削加工期間的切削流向性及排屑期間的切削容易擦到工件內(nèi)孔表面，導(dǎo)致工件內(nèi)孔橢圓及內(nèi)孔表面粗糙度難以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

2.3減震器深孔加工刀具設(shè)計方式

結(jié)合深孔加工特征以及鋁材性質(zhì)，將原刀具結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。為使減震器構(gòu)件內(nèi)孔尺寸精度以及表面粗糙度能夠與具體設(shè)計要求相符，還可以使用鉆、擠一體式深孔加工刀具結(jié)構(gòu)。在刀具上增加排屑以及冷卻液通道，利用冷卻液壓力促進(jìn)切屑排出。將機(jī)床動力連接在刀柄螺紋上，增加刀桿長度，滿足孔加工深度要求。加工方式可使用精車加工、滾壓加工方式，加工期間的擠壓余量應(yīng)當(dāng)為0.02～0.5毫米。

3、裝配式深孔鉆頭設(shè)計

3.1裝配式深孔鉆頭特征

隨社會經(jīng)濟(jì)與科技技術(shù)發(fā)展速度不斷加快，新材料、新工藝的廣泛應(yīng)用在零部件加工制造過程中。其中，深孔加工的加工難度較大，實(shí)際加工質(zhì)量極易受到諸多因素影響?，F(xiàn)階段加工微小深孔直徑構(gòu)件時需要配合使用振動鉆孔、激光鉆孔、電火花鉆孔等手段。如孔徑大于20毫米，深孔加工多為機(jī)械鉆孔方式。

裝配式深孔鉆頭是在傳統(tǒng)深孔加工刀具基礎(chǔ)上演變而來的先進(jìn)加工設(shè)施。相較于普通加工刀具而言，裝配式深孔鉆頭結(jié)構(gòu)剛性較強(qiáng)、導(dǎo)向性好、切削較為穩(wěn)定，加工質(zhì)量與效率能夠得到根本上保障。

3.2裝配式深孔鉆頭設(shè)計

裝配式深口鉆頭主要由硬質(zhì)合金鉆心組成，中心鉆具肩負(fù)起塑性切削職責(zé)，分擔(dān)大部分的切削力，以從根本上提升定位精準(zhǔn)度，滿足深孔加工期間的導(dǎo)向性要求。

通過將中心鉆頭代替原有橫刃結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步增強(qiáng)深孔鉆削工作的可靠性，減少切削作用力。

3.3深孔加工刀具刀片設(shè)計

首先，在切削刃設(shè)計過程中，刀片處于正幾何角轉(zhuǎn)位，主切削刀具的前角為25度。刀具帶有副切削刃，在實(shí)際加工制造中需要引導(dǎo)刀具運(yùn)行方向，以切實(shí)增強(qiáng)加工孔的直線性。由于副切削刃會直接影響到加工孔質(zhì)量，因此還需要其后角位于2～10度之間，避免在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)崩刃等問題。在加工后，成孔的技術(shù)參數(shù)需要滿足實(shí)際設(shè)計要求，即倒錐量需要為0.0005～0.001毫米，表面粗糙度應(yīng)當(dāng)為3.2～0.8微米。

3.4分屑槽與斷屑槽設(shè)計

因切削刃較長，產(chǎn)生的切削寬度較大，不容易出現(xiàn)卷屑或斷屑問題，在切削刃一段的1/4處細(xì)化切削，可以從根本上提升實(shí)體加工效率。在裝配第2個刀片時，分屑槽需要相互錯開設(shè)置，以實(shí)現(xiàn)最佳分屑效果。斷屑槽的槽型窄后寬的開口槽，槽體角度為8～10度。槽底處有正刃切角，使切削形成管狀或環(huán)狀碎屑向工件外流出，最大限度降低切屑期間雖屑劃壞工件表面、纏繞工件鉆頭等問題發(fā)生幾率，從根本上提升深孔加工刀具運(yùn)行水平。

3.5刀片材料設(shè)計

結(jié)合加工材料性質(zhì)、實(shí)際加工要求，選擇適宜的深孔加工刀具刀片材料，從根本上提升刀具運(yùn)行效率，降低刀具在實(shí)際應(yīng)用期間的安全事故發(fā)生幾率。現(xiàn)階段刀具材料可以為高速鋼、硬質(zhì)合金鋼、金剛石、立體碳化硼等。為切實(shí)保障刀具運(yùn)行效果，控制刀具生產(chǎn)成本，還可以在硬質(zhì)合金刀片上設(shè)置約5～10毫米的金剛石涂層，有效控制刀片體積，使刀片能夠在后續(xù)使用過程中更加容易被更換。

3.6鉆頭與鉆柄的聯(lián)接設(shè)計

在深孔加工刀具設(shè)計過程中，還需要著重關(guān)注鉆頭與鉆柄的連接設(shè)計工作。現(xiàn)階段鉆頭與鉆柄主要采用凸臺方式聯(lián)接。刀具在此種聯(lián)接下能夠滿足高速旋轉(zhuǎn)、較大給進(jìn)量要求，并且為構(gòu)件加工工作提供較為穩(wěn)定的傳遞力以及扭矩，實(shí)際傳遞效果可以達(dá)95%。在鉆柄前端會設(shè)置特殊的容屑槽。容屑槽需要與刀體上的容屑槽聯(lián)接在一起。由于容屑排槽空間較大，能夠切實(shí)提升切屑水平。不僅如此，潤滑液可以在切削刃使用時冷卻，沖刷帶出切屑，避免在實(shí)際生產(chǎn)制造過程中因切屑對構(gòu)件生產(chǎn)質(zhì)量造成嚴(yán)重不利影響。

鉆柄尾部結(jié)構(gòu)可以結(jié)合加工機(jī)床性能設(shè)計，現(xiàn)階段大部分的機(jī)床結(jié)構(gòu)可以采用莫氏錐孔。

3.7深孔加工刀具的受力分析

為確保深孔加工刀具能夠在深孔加工過程中發(fā)揮出重要作用，還需要對刀具的受力情況展開細(xì)致分析。具體來說，在鉆削工作開展期間，切削刃應(yīng)當(dāng)承受住來自軸向力、徑向力、主切削力等三方向力的作用。如徑向力控制不當(dāng)，則會在實(shí)際深孔加工作業(yè)中出現(xiàn)孔道偏斜或者孔徑擴(kuò)大等問題，嚴(yán)重影響到孔道加工質(zhì)量與效率。在鉆頭受力變形的情況下，變形系統(tǒng)可作為具備彈簧及阻尼器的單自由度振動系統(tǒng)。

具體設(shè)計工作開展期間，兩個深孔加工刀具之間的切削刀片可以采用對稱分布方式，要求切削刃長度相等，以有效抵消徑向力，配合使用中心鉆定位手段，著重控制定位位移誤差問題，保障定位精準(zhǔn)度，降低深孔加工期間質(zhì)量問題發(fā)生幾率。

總結(jié)：總而言之，通過分析深孔加工刀具設(shè)計方法，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)階段深孔加工刀具設(shè)計過程中，需要著重關(guān)注孔加工技術(shù)問題，積極引進(jìn)先進(jìn)的設(shè)計理念與設(shè)計方式，從根本上提高深孔加工刀具設(shè)計效率，確保設(shè)計出的深孔加工道具能夠在保障制造企業(yè)核心經(jīng)濟(jì)利益中發(fā)揮出重要作用。

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