深孔加工技術(shù)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(dāng)廣泛的應(yīng)用, 且由于其高效、高精度等優(yōu)越性, 深孔加工技術(shù)也在某些零件的淺孔加工中得到應(yīng)用。近年來, 深孔加工技術(shù)的發(fā)展很快, 我國機械制造加工業(yè)對深孔加工技術(shù)的研究也取得了長足的進(jìn)步, 如將深孔鉆削與低頻振動切削結(jié)合起來形成的深孔振動鉆削技術(shù); 噴吸鉆系統(tǒng)、單管內(nèi)排屑噴吸鉆( SED) 系統(tǒng)、槍鉆系統(tǒng)、BT A 鉆削系統(tǒng)、深孔套料鉆削系統(tǒng)等也都有相應(yīng)的研究和創(chuàng)新。我所多年為一直致力于深孔加工技術(shù)的研究, 在深孔機床和鉆、鏜削刀具的設(shè)計制造方面, 在深孔鉆削技術(shù)的改進(jìn)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(shù)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(shù)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(shù), 可鉆削的孔徑小到Φ2 mm。而內(nèi)排屑深孔鉆削的孔徑很少有小于Φ16 mm 的, 且多數(shù)仍采用傳統(tǒng)的BT A 鉆削系統(tǒng)。由于槍鉆結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jìn)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Φ3. 7 mm。我工藝所采用SED 技術(shù), 進(jìn)行了孔徑( mm) 16、 12、Φ10、Φ8、Φ7. 62、Φ5. 7、Φ3. 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(jìn)行鉆削加工。由于其剛度好, 可加大進(jìn)給量和鉆削速度, 使生產(chǎn)效率、鉆孔質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益均有所提高, 顯示了一定的技術(shù)優(yōu)勢。
小深孔加工技術(shù)的難點和對策
深孔鉆削加工就有相當(dāng)?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:
1. 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Φ8 mm 的深孔, 鉆桿外徑是Φ5. 2 mm, 鉆桿內(nèi)徑僅有Φ4～4. 2 mm, 而鉆桿長一般達(dá)500～1 500mm。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(shè)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(jìn)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(jìn)而導(dǎo)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(shù)[ 1] , 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(jìn)入授油器, 潤滑冷卻鉆削區(qū)和刀具, 并以3 MPa～4. 5 MPa的壓力迫使切屑進(jìn)入排屑通道, 并將切屑推出; 另一路切削液進(jìn)入可調(diào)式負(fù)壓抽屑裝置, 形成負(fù)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(jié)束一直保持連綿不斷, 都能保證排屑流暢順利。
2. 鉆桿剛度不足
深孔鉆削的鉆桿細(xì)而長, 小深孔鉆削的鉆桿更是細(xì)長, 其剛度很低, 因此, 在設(shè)計小深孔刀具時, 應(yīng)當(dāng)盡可能提高刀具( 包括鉆頭和鉆桿) 整體的剛度。在傳統(tǒng)設(shè)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(xì)長鉆桿的強度和剛度下降。如鉆削Φ5. 7mm 深孔, 鉆桿外徑只能取Φ4mm, 在壁厚不足1mm 上再挖去一個方牙螺紋的深度0. 25 mm, 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(jìn)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Φ12mm 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(yīng)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(dāng)加大小深孔鉆削時的進(jìn)給量, 生產(chǎn)效率也得到相應(yīng)的提高。
3. 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(yán)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(dǎo)條和刀片的凹槽和一個排屑通道。之后, 硬質(zhì)合金導(dǎo)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(dāng)技術(shù)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(jié)構(gòu)的小深孔刀具稱為單管內(nèi)排屑噴吸鉆。
4. 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2 500r / min, 且不能進(jìn)行無級變速和無級進(jìn)給, 顯然不能適應(yīng)小深孔鉆削的工藝技術(shù)要求。1992 年我所自己設(shè)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(dá)到6 000～10000 r/ min。尤其是ZK 2112 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(jìn)給; 2) 工件轉(zhuǎn)動, 刀具轉(zhuǎn)動并進(jìn)給; 3) 工件不動, 刀具轉(zhuǎn)動并進(jìn)給。這種機床還帶有負(fù)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(shù)提高到一個新的水平。
GT 、CAD 技術(shù)在深孔加工中的應(yīng)用
利用當(dāng)代計算機工具發(fā)展起來的成組技術(shù) ( GT ) 和計算機輔助設(shè)計( CAD) , 大大推動了機械加工技術(shù)的進(jìn)步。在推進(jìn)小深孔加工技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展方面, 成功地采用GT 、CAD 的報導(dǎo)也很多。如對深孔刀具及其輔具利用GT 技術(shù)建立分類編碼系統(tǒng), 并在此基礎(chǔ)上開展相應(yīng)的CAD 系統(tǒng)軟件的研制開發(fā), 為深孔刀具的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化奠定基礎(chǔ)。同時, CAD 軟件的研制和應(yīng)用, 使深孔鉆的設(shè)計過程通過計算機實現(xiàn), 不僅大大提高了設(shè)計速度, 還避免和減少了設(shè)計中的錯誤。我院工藝研究所在利用GT 和CAD 技術(shù)方面也取得了很好的成果, 成功地開發(fā)出了設(shè)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(jìn)行設(shè)計和選型。
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