深孔加工技術內(nèi)排屑小深孔加工技術的研究現(xiàn)狀
深孔加工技術內(nèi)排屑小深孔加工技術的研究現(xiàn)狀
深孔加工技術已在國防工業(yè)、石油采掘、航空航天、機床、汽車等行業(yè)獲得相當廣泛的應用,且由于其高效、高精度等優(yōu)越性,深孔加工技術也在某些零件的淺孔加工中得到應用。近年來,深孔加工技術的發(fā)展很快,我國機械制造加工業(yè)對深孔加工技術的研究也取得了長足的進步,如將深孔鉆削與低頻振動切削結合起來形成的深孔振動鉆削技術;噴吸鉆系統(tǒng)、單管內(nèi)排屑噴吸鉆(SED)系統(tǒng)、槍鉆系統(tǒng)、BTA鉆削系統(tǒng)、深孔套料鉆削系統(tǒng)等也都有相應的研究和創(chuàng)新。我所多年為一直致力于深孔加工技術的研究,在深孔機床和鉆、鏜削刀具的設計制造方面,在深孔鉆削技術的改進和排屑系統(tǒng)方面均作出了較為滿意的成果,現(xiàn)僅對內(nèi)排屑小深孔加工技術的發(fā)展和我們所獲得的成果介紹如下。
國內(nèi)外小深孔加工技術的發(fā)展現(xiàn)狀
據(jù)情報檢索,目前世界上利用外排屑(如槍鉆)深孔鉆削技術,可鉆削的孔徑小到f2mm。而內(nèi)排屑深孔鉆削的孔徑很少有小于f16mm的,且多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的BTA鉆削系統(tǒng)。由于槍鉆結構為不對稱形狀,質(zhì)心偏離中軸,這給制造、重磨都帶來一定的困難,也使造價增高。
另外,其結構剛度和扭轉(zhuǎn)強度低(同直徑的圓形鉆桿扭轉(zhuǎn)剛度是槍鉆的2.3倍),使其使用的鉆削速度降低,進給量小。采用單管內(nèi)排屑噴吸鉆(SED)鉆削系統(tǒng),鉆削小深孔直徑可小到f3.7mm。我工藝所采用SED技術,進行了孔徑(mm)f16、f12、f10、f8、f7.62、f5.7、f3.7的小深孔鉆削加工,鉆削過程平穩(wěn),排屑流暢,孔的尺寸形狀精度和孔壁表面粗糙度均能滿意,在上述孔徑范圍內(nèi),完全可以替代槍鉆對小深孔進行鉆削加工。由于其剛度好,可加大進給量和鉆削速度,使生產(chǎn)效率、鉆孔質(zhì)量和經(jīng)濟效益均有所提高,顯示了一定的技術優(yōu)勢。
小深孔加工技術的難點和對策
深孔鉆削加工就有相當?shù)碾y度,內(nèi)排屑小深孔鉆削的難點就更加突出,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:
圖1 SED深孔鉆削系統(tǒng)
圖2 螺紋聯(lián)接式深孔刀具
排屑困難
內(nèi)排屑小深孔鉆削時的切屑,要經(jīng)過鉆桿內(nèi)的排屑通道排出,孔徑越小,其排屑就越困難。例如,要鉆削f8mm的深孔,鉆桿外徑是f5.2 mm,鉆桿內(nèi)徑僅有f4~4.2 mm,而鉆桿長一般達500~1500 mm。因此,在鉆削過程中,發(fā)生堵屑是經(jīng)常的。為使排屑流暢,鉆頭切削刃上設計出合理的斷屑和分屑臺,保證可靠斷屑十分重要。但小深孔的進給量很小,實現(xiàn)C形斷屑對于某些韌性材料是不可能的,鉆屑常常是柔軟的小帶狀,鉆削過程中作為冷卻和沖刷切屑的切削液壓力產(chǎn)生波動或壓力下降時,切屑瞬時滯流、折疊而堵塞,進而導致鉆刃損壞和鉆桿扭斷。為徹底解決這一問題,可以從斷屑和排屑兩方面采取措施。最有效的斷屑方法是采用振動斷屑技術,能穩(wěn)定地得到所需要的切削形狀。
增加切削液對鉆屑的排屑作用力,是SED鉆削系統(tǒng)的特點,如圖1所示,高壓切削液一路進入授油器,潤滑冷卻鉆削區(qū)和刀具,并以3MPa~4.5 MPa的壓力迫使切屑進入排屑通道,并將切屑推出;另一路切削液進入可調(diào)式負壓抽屑裝置,形成負壓,對切屑產(chǎn)生吸力,吸出切屑。切屑在推和吸的雙重作用下能順利排出。實踐證明,即使鉆屑呈帶狀,且從鉆削開始到加工結束一直保持連綿不斷,都能保證排屑流暢順利。
鉆桿剛度不足
深孔鉆削的鉆桿細而長,小深孔鉆削的鉆桿更是細長,其剛度很低,因此,在設計小深孔刀具時,應當盡可能提高刀具(包括鉆頭和鉆桿)整體的剛度。在傳統(tǒng)設計中,鉆桿與鉆頭采用了方牙螺紋聯(lián)接方式(見圖2)。這要在管壁很薄的鉆桿上切出方牙螺紋,勢必更使細長鉆桿的強度和剛度下降。
如鉆削f5.7mm深孔,鉆桿外徑只能取f4mm,在壁厚不足1mm上再挖去一個方牙螺紋的深度0.25mm,螺紋聯(lián)接處的強度和剛度大大下降,在鉆削中,鉆桿常在螺紋聯(lián)接處扭斷。即使用小進給量以降低鉆削扭矩,也不能防止扭斷事故。為解決這一問題,對于鉆削孔徑f12mm以下孔的鉆桿和鉆頭的聯(lián)接,可采用圖3所示的3種方法。
圖3 焊接(粘接)式刀具
圖3a是將鉆頭和鉆桿做成90°鈄口,用低溫銀焊(有時也用銅焊)或粘接將鉆頭和鉆桿聯(lián)接。圖3b是將鉆頭的鉆柄直徑車小,鉆桿聯(lián)接處的孔徑鏜大與鉆柄裝配成一體,再在接縫處用低溫焊接或用粘接固定。圖3c則將硬質(zhì)合金刀片做成了“T”型端面,而在鉆桿上相應銑出“T”型溝槽,將刀片插入粘接固定。這3種方法經(jīng)多次試驗,均比方牙螺紋聯(lián)接的強度和剛度要好,可適當加大小深孔鉆削時的進給量,生產(chǎn)效率也得到相應的提高。
制造困難
鉆桿和鉆頭若采用傳統(tǒng)的螺紋聯(lián)接,要在鉆削小深孔的刀具鉆桿孔內(nèi)車制方牙內(nèi)螺紋,螺紋車刀要比鉆桿內(nèi)徑還要小,并且要刃磨出有嚴格尺寸的刀刃;方牙螺紋的螺距大,車制時又不能直觀加工狀況,操作很困難。鉆頭部的制造更為困難,除在柄部車削出方牙螺紋外,還要在直徑不大的刀頭上銑削出供裝焊硬質(zhì)合金導條和刀片的凹槽和一個排屑通道。之后,硬質(zhì)合金導條、刀片與刀頭體的高溫焊接還會引起過熱、變形。因此,制造出合格的小深孔鉆削刀具在工藝、操作上是有相當技術難度的。
采用圖3所示的措施后,使制造工藝相對簡單多了。鉆頭部的制造全部改用粉末冶金硬質(zhì)合金小鉆頭,只要一次性投資,制作出一個粉末冶金小鉆頭的模具,就可得到鉆削小深孔的硬質(zhì)合金鉆頭的刀坯,工藝簡單,且刀具的重磨性好,正常使用能重磨3~4次,在總體上使刀具成本下降。我們把這種全新結構的小深孔刀具稱為單管內(nèi)排屑噴吸鉆。
小深孔鉆削時的切削速度和機床
使用硬質(zhì)合金加工刀具切削一般合金鋼材的切削速度最低在70m/min,而我國過去生產(chǎn)的小深孔加工機床,一般最高轉(zhuǎn)速為2500r/min,且不能進行無級變速和無級進給,顯然不能適應小深孔鉆削的工藝技術要求。1992年我所自己設計并組織生產(chǎn)了ZK2116×2型數(shù)控雙軸深孔鉆床(內(nèi)、外排屑)和ZK2112型數(shù)控深孔鉆床,最高轉(zhuǎn)速達到6000~10 000 r/min。尤其是ZK2112型數(shù)控鉆床,具有深孔鉆削加工的3種運動方式:1)工件轉(zhuǎn)動,刀具進給;2)工件轉(zhuǎn)動,刀具轉(zhuǎn)動并進給;3)工件不動,刀具轉(zhuǎn)動并進給。這種機床還帶有負壓抽吸裝置。這種新型機床的開發(fā),拓寬了深孔加工的范圍,也可把深孔加工技術提高到一個新的水平。
GT、CAD技術在深孔加工中的應用
利用當代計算機工具發(fā)展起來的成組技術(GT)和計算機輔助設計(CAD),大大推動了機械加工技術的進步。在推進小深孔加工技術的進步和發(fā)展方面,成功地采用GT、CAD的報導也很多。如對深孔刀具及其輔具利用GT技術建立分類編碼系統(tǒng),并在此基礎上開展相應的CAD系統(tǒng)軟件的研制開發(fā),為深孔刀具的系列化、標準化奠定基礎。同時,CAD軟件的研制和應用,使深孔鉆的設計過程通過計算機實現(xiàn),不僅大大提高了設計速度,還避免和減少了設計中的錯誤。我院工藝研究所在利用GT和CAD技術方面也取得了很好的成果,成功地開發(fā)出了設計深孔刀具的CAD系統(tǒng),能利用CAD系統(tǒng)對槍鉆、單管內(nèi)排屑噴吸鉆、機夾深孔鏜刀等等深孔加工刀具進行設計和選型。