亚干式深孔加工刀具技术的研究

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　1.引言　　深孔加工是机械加工中难度较大、技术含量较高、专业性较强、加工成本较高的一种孔加工技术。在深孔加工中，为了达到排屑和冷却、润滑刀具的目的，通常需要使用大量切削液(如专用深孔切削液或机油)，尤其是使用内排屑深孔钻头的中、大直径深孔加工(D≥30mm)对切削液的消耗量相当大(主要被切屑带走)，这不仅会对加工场所造成较大污染，还威胁到操作人员的身体健康，同时带油切屑的处理又会增加生产成本和造成环境污染。据不完全统计，在深孔加工中，切削液的相关费用占到加工总成本的15%～20%。因此，实现不使用切削液的干式加工或使用微量切削液的亚干式加工是深孔加工技术的重要发展方向和研究课题。
　　2.亚干式深孔加工系统
　　根据深孔钻削加工的特点，采用完全干式切削(即完全不使用切削液)的加工方式在实际生产中一般很难实现。因为深孔钻削加工不同于普通的车削、铣削加工，它是在封闭状况下进行，单位时间所产生的切削热量大，排屑通道长，切屑和切削热不易及时排出;此外，刀具在深孔加工中是依靠导向块完成定心和导向作用，导向块与孔壁之间会因长时间接触挤压而产生较大摩擦，而切削液(切削油)可以在导向块与孔壁之间形成一层油膜，起到润滑和减摩作用，如无油膜，导向块将很快被磨损和撕裂，从而引起切削振动或打刀。因此，选择采用少量切削液的亚干式切削方式比较适合深孔加工的实际情况。
　　采用的亚干式切削加工方案主要是利用压缩空气进行排屑和冷却，使用雾化切削液进行润滑，其加工系统主要由内排屑深孔钻床、空气压缩机、雾化器、气液混合喷头等组成，其工作流程为：空气压缩机提供具有一定压力(约0.5～0.6MPa)的空气，在出口处分为两路，其中一路通过雾化器带出一定量的切削液形成汽液混合物，在喷头处与另一路压缩空气相遇，汽液混合物通过喷头时被加速并向进气装置的空腔中喷出，形成高压、高速的雾化切削液，最后经过钻杆外壁与孔壁之间的通道被传送到钻头的切削部位，冷却、润滑刀具并将切屑从钻杆内部向后吹出。
　　由于亚干式深孔加工系统采用雾化切削液润滑、冷却刀具，用压缩空气进行排屑降温，既克服了传统深孔加工中大量循环使用切削液所带来的诸多弊病，大大减少了切削液使用量，又确保了导向块与内孔表面之间、刀具前后刀面与切屑之间的切削液润滑层，同时切削液在雾化状态下吸热充分、润滑均匀，能更好地发挥作用;使用连续的压缩空气排屑既可增大排屑空间(相对于使用高压油)，又能迅速将切屑从切削区吹出，缩短了切屑传热时间，并可将部分热量直接带出，降低了切削区温度。
　　3.亚干式深孔钻头的设计
' t1 }0 w# ^3 `% b# w* q' i　　深孔钻削刀具的设计开发是成功实现亚干式深孔加工的关键技术之一，直接影响到整个加工系统的稳定性和可靠性，是深孔加工顺利进行的重要保证。刀具的几何参数对于刀具的受力、断屑、耐用度、加工表面质量等起着重要作用;而刀具材料对于刀具的切削效率、工作寿命、刀具与工件的亲和性等起着决定性影响。亚干式深孔加工的切削特性与传统的深孔加工有所区别，因此对深孔钻头的设计要求也有其特殊性。
　　(1)亚干式深孔加工对刀具的要求
　　①由于深孔切削加工是在封闭状态下进行，又没有循环切削油冷却、润滑刀具，进行热量交换，因此切削区温度较高，这就要求刀片材料必须具有较高的强度、硬度以及良好的耐热性、红硬性和抗冲击性，同时刀具与切屑之间的摩擦系数应尽可能小。
2 ^$ d% _. g$ M9 n　　②在深孔加工中，刀具的排屑通道较长，切屑不易顺畅排出，对于采用空气排屑的亚干式加工而言，这一问题更为突出。为了保证排屑顺畅和迅速散热，必须增大排屑出口，减少空气阻力，加快排屑速度，缩短切屑停留时间。
3 I3 ?2 I; ?! Y( Q: H　　③亚干式深孔加工采用压缩空气排屑和雾化切削液冷却，因此切屑形状不能太宽太长。为防止切屑堵塞，最好是形成细小的“C”型切屑;为使切屑更快脱离刀面，刀具与切屑的接触面不宜过大，为此可采用分屑刃或强制断屑措施。
3 |7 ?  o9 I6 f　　针对以上几点要求，我们对刀具进行了结构分析和优化设计，使其满足系统的加工要求。
# I: I' P- c6 ?5 w8 r　　(2)刀具结构的选取及优化设计
　　深孔加工刀具的型式主要分为外排屑和内排屑两种。外排屑方式用于枪钻系统，适合加工小直径(一般φ<20mm)深孔。内排屑方式常用于BTA系统、喷吸钻系统和DF系统。喷吸钻系统和DF系统的功效相同，但由于喷吸钻系统结构较复杂，排屑空间受到双钻杆的限制，因此目前已较少使用。DF系统主要利用双进油装置对切屑进行推、吸双重作用，促使其顺畅排出。在排屑效果相同时，可减小密封压力，提高加工精度。BTA深孔钻头分为单齿和多齿两种，单齿刀具适用的孔径范围为φ6～φ25mm，多齿刀具则适合加工较大直径(φ25mm以上)的深孔。
7 Y) U4 V$ t+ Q" J2 x0 h* d/ ?　　在本试验中，我们选择了BTA单齿钻头。在钻头结构设计上，考虑到亚干式深孔加工的特点，在传统的BTA单齿钻头的基础上进行了部分优化设计，主要体现在以下几点：
　　①适当增大刀体与孔壁之间的间隙h(即进气间隙)以减小空气阻力，使压缩空气和雾化液能迅速到达切削区进行润滑和冷却。
　　②适当增大刀具排屑口，排屑口形成倒锥型，使切屑能快速而顺畅地进入排屑通道，不易堵屑;同时在排屑入口处形成“喷吸效应”，增大排屑速度。
, @% n5 d3 f$ |. `　　③增多分屑刃，加宽断屑台，实现强制分屑和断屑，使切屑变窄及易于折断，有助于排屑和散热。
　　在刀具几何角度方面也进行了一些改进，主要表现为：
　　①适当增大刀刃前角γo，以减小刀具前刀面与切屑的接触面积，保障压缩空气及雾化切削液能充分进入切削区对刀具进行冷却润滑。由于内刃在切削中主要承受轴向挤压力，为了增加内刃强度，可适当加大内刃前角。
/ Z* G" B* s" ?4 h　　②适当增大刀刃后角αo，以减小刀具后刀面与已加工表面之间的摩擦，也使刀具更容易切入工件，可减小刀具磨损，提高刀具耐用度。
　　③增大断屑台宽度和圆角半径，加长切屑卷曲变形时间，减小切屑与前刀面的摩擦及切屑对断屑凸台的冲击力，使切屑顺利流过断屑台，在过渡圆角处增加一部分附加变形，使材料失去一些塑性，然后弯曲顶到底，在弯矩作用下再次变形，最后断屑，这样可减小切屑变形，使切削热、切削冲击力、摩擦力等都发生改变，控制切屑形成细小“C”型排出。
　　(3)刀片材料的选取
8 D' i2 X6 a9 I　　目前用于干式加工的刀具材料很多，如超细晶粒硬质合金、CBN、PCD、陶瓷和金属陶瓷、各种涂层硬质刀具等，但这些刀具材料大多仅应用于普通的干式车削和干式铣削中。目前国内在深孔加工中使用较多的主要是焊接式深孔钻头，其刀片材料主要采用国产刀片如YD15、YG8、YW1、YT726、YT798等，这些材料的化学成分和物理性能各不相同，适用范围也有区别。我们试图通过切削试验从中选出比较适合亚干式深孔加工的刀片材料。
　　采用的切削试验方案为：用上述5种刀片材料的钻头，在刀具结构及几何参数均相同的条件下分别加工45钢(调质硬度HRC28)，检测在亚干式切削条件下各刀具的受力及切屑状态，测量刀具后刀面磨损量、内孔表面质量等，选出最适合加工45钢的亚干式刀具材料。
　　采用的切削试验条件为：加工孔径：20.2mm，工件长度：1000mm，主轴转速v=800r/min，刀具轴向进给量f=0.01mm/r，切削液：德国亚伦斯乳化液5号。
& \5 C9 K1 p) w- G　　由各种刀片材料深孔钻头的切削性能及外齿后刀面磨损情况可以看出，在这5种刀片材料的深孔钻头中，YD15的后刀面磨损值最小，轴向力、扭矩和内孔表面粗糙度值也最小;其次是YG8。反映出YD15刀片具有较高的耐热性和良好的耐磨性，加工稳定性和加工质量良好。因此，YD15比较适合45钢类工件材料的亚干式深孔加工;YG8的加工效果相对稍差一些;而其它几种材料由于磨损较严重，不适合亚干式深孔加工。试验结果与刀具材料性能也比较吻合：YD15红硬性好、耐磨性好、抗弯强度高，尤其适合加工高温合金材料。此外，从加工过程中可以看出，亚干式深孔加工系统的排屑效果良好，几乎无堵屑现象发生，且排出的切屑温度较低(无烧热感)，呈银白色，说明雾化及冷却效果良好，可以满足亚干式深孔加工的要求。
% `) t# b3 I8 `- D0 Z　　4.亚干式深孔加工与传统深孔加工的性能比较
; a+ C4 ?# Y# m　　通过上述试验分析，可以确定YD15刀片材料比较适合中碳钢的亚干式深孔加工。但是，其加工性能和刀具耐用度与湿式深孔加工相比是否有差别，将是亚干式深孔加工技术能否获得推广应用的关键。为此，我们进行了一个对比切削试验，即在传统的深孔加工条件下，采用YD15和YG8深孔钻头(刀具几何参数相同)钻削同样长度的45钢工件(v=800r/min，f=0.01mm/r，10#机械油冷却润滑)。由测得的各项试验数据可以看出，用传统方法加工时，刀具的后刀面磨损和切削力均比在亚干式加工条件下要小，这表明亚干式加工时刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦力比传统加工时更大，即切削液的润滑性能较差，这与所使用的切削液有关。亚干式加工中采用的是水基乳化液(其雾化性优于切削油)，而传统加工中使用的是切削油(其润滑性更好)。这也为我们今后的研究确定了方向，即需要找到一种既有良好的雾化性，又有较好润滑性的切削液。另外，两种加工方式的刀具磨损量差距并不很大，说明在亚干式深孔加工条件下也能保证一定的刀具耐用度。
　　将用两种方式加工的试件剖开后进行检测，发现内孔表面硬度几乎没有差异，而亚干式加工的内孔表面粗糙度值更小，即表面质量更好。这也说明在亚干式深孔加工中，内孔表面的冷却效果良好，切削温度并不高。此外，由于采用了特殊配方的乳化液，具有一定的耐挤压效果，因此钻头的导向块并未出现撕裂磨损，也保证了内孔表面加工质量。
# I& R+ ?3 A% J  \- h: q　　5.结论
　　通过上述切削试验及对结果的对比分析，可得出如下结论：
+ I3 O4 Y; ]4 t6 _+ N) H; m2 A　　(1)所设计的亚干式深孔加工系统可较好完成深孔加工过程，并能得到满意的加工效果，具有一定的实际应用价值。
& r2 ~6 _; B/ H# @4 l6 D2 K　　(2)通过对几种常用深孔加工刀具材料的切削试验，确定了在亚干式深孔加工方式下，YD15材料比较适合加工45钢类工件材料，并有较好的加工效果。对于其它工件材料，也可通过试验方法找到适用的刀具材料。
% v1 B$ g7 [% K9 t+ [　　(3)通过对干、湿两种加工方式下刀具的切削性能试验及分析，可以看出亚干式深孔加工能够实现较高的刀具耐用度和较好的加工效果。
( u/ |7 i& t2 E* ]/ J' h  O# f　　(4)针对亚干式深孔加工中刀具磨损较大的问题，也可采用低温冷风或增加冷却液油性的方法，以提高冷却和润滑效果，减少刀具磨损。