VENTEC 深孔鉆系統(tǒng)的應用分析
2019-10-29 來源：中北大學 山西省深孔加工研究中心 作者：馬騰 沈興全 高偉佳 雷韶
摘要: 針對深孔加工成本高、設備結構復雜等問題，應用英國哈鏝公司( HAMMOND) 設計的 VENTEC 深孔鉆系統(tǒng)，可簡化深孔加工的設備結構并降低加工成本。通過理論分析和實際應用試驗，對 VENTEC 深孔鉆系統(tǒng)的結構、原理以及在應用過程中出現(xiàn)的問題進行分析，論證其在實際生產中的意義。
關鍵詞: 深孔加工; VENTEC 深孔鉆系統(tǒng)
1 、引言
由相關的資料統(tǒng)計可知，孔加工在機械制造行業(yè)中占全部機械加工的三分之一左右，而深孔加工又占到孔加工的 40% 以上。由于深孔加工是在封閉或半封閉的空間內進行的特殊性加工，具有排屑難、冷卻難、潤滑難和工具系統(tǒng)剛度低等特點。
這些難點不僅長期困擾著深孔加工行業(yè)，而且在一定程度上限制了深孔加工的應用范圍，也限制了深孔加工的理論及技術向其他領域拓展的能力，使深孔加工成為制造技術門類中設備機構復雜且加工成本昂貴的技術之一。
目前，國內外常用的深孔加工系統(tǒng)有槍鉆系統(tǒng)、BTA 系統(tǒng)、噴吸鉆系統(tǒng)和 DF 系統(tǒng)。其中，噴吸鉆系統(tǒng)要實現(xiàn)噴和吸兩個效果，結構上更加復雜，使其最小加工孔徑受限，加工成本更高; DF 系統(tǒng)是在 BTA系統(tǒng)上安裝負壓排屑裝置，結合了 BTA 系統(tǒng)和噴吸鉆系統(tǒng)的優(yōu)點，克服其不足，但其結構較 BTA 系統(tǒng)復雜。
2 、深孔加工技術分析
根據(jù)排屑方式的不同，簡要分析外排屑方式的槍鉆系統(tǒng)和內排屑方式的 BTA 系統(tǒng)。槍鉆系統(tǒng)屬于外排屑方式，主要由中心架、扶正器、鉆桿聯(lián)結器和冷卻潤滑系統(tǒng)等組成( 見圖 1)
槍鉆系統(tǒng)的工作原理: 切削液通過尾架上的輸油入口進入鉆桿內部，到達鉆頭頭部進行冷卻潤滑，并將切屑從鉆頭外部 V 型槽中排出。由于切屑由鉆頭和鉆桿外部排出，容易擦傷已加工孔表面，加工質量低于內排屑方式的系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于小直徑( 孔徑小于 20mm) 的深孔加工。
如圖 2 所示，BTA 系統(tǒng)屬于內排屑方式，主要由中心架、授油器、鉆桿聯(lián)結器和冷卻潤滑油路系統(tǒng)等組成。
BTA 系統(tǒng)的工作原理: 切削液通過授油器從鉆桿外壁與已加工表面之間的環(huán)形空間進入，在刀具頭部進行冷卻潤滑，經鉆桿內部推出切屑。該系統(tǒng)應用廣泛，但受鉆桿內孔排泄空間的限制，主要用于直徑大于 12mm 的深孔加工。由以上分析可知，無論那種排屑方式均由工件、刀具、專用輔具、機床和控制系統(tǒng)等要素組成。其中，專用輔具取決于所采取的切削液供給方式、排屑方式和工件與刀具之間的相對運動方式?？梢?，深孔加工需要專用設備和專用輔具，因此其設備結構復雜、成本昂貴。
3 、深孔鉆系統(tǒng)分析
3. 1 深孔鉆系統(tǒng)簡介
深孔鉆系統(tǒng)最早由國外深孔技術企業(yè)提出，目前在國內也有多家企業(yè)生產該系統(tǒng)。由于其具有適用范圍廣、結構簡便和成本低等特點，無論在歐美市場還是在國內市場都被廣泛應用于各行各業(yè)中。用戶只需一臺普通機床、一件設計正確的工裝夾具、一套完整的 QYZ 深孔鉆系統(tǒng)和一支高品質的硬質合金槍鉆，便可以極低的成本、簡便的操作提供高效率、
高精度和高一致性的深孔鉆削加工方式。
作為機床附件，系統(tǒng)各部分的安裝拆卸簡單便捷，大部分情況下無需對機床做任何改動，使現(xiàn)代槍鉆技術在普通機床上的應用成為了現(xiàn)實。
3. 2 深孔鉆系統(tǒng)結構
如圖3 所示，深孔鉆系統(tǒng)包括儲液槽、壓縮空氣接口、空氣壓力表、霧化氣體壓力表、調節(jié)閥、導管動、動力接頭、夾具和深孔鉆等部分。其中，夾具可根據(jù)實際加工情況更換。
在普通車床上安裝深孔鉆系統(tǒng)具體步驟:
①將儲液槽固定在便于操作且不易發(fā)生碰撞的地方。通過壓縮空氣接口將空氣壓縮機接入，并將空氣的供給壓力控制在一定的范圍內，然后在儲液槽中按照正確的比例混合好專用的冷卻液;
②應用刻度盤千分表調節(jié)夾具，使夾具的各邊和頂部與機床運動方向平行;
③校準刀夾中心線與機床主軸中心線，使其可以對齊，在機床主軸上安裝千分表，便于加工時的觀察;
④在夾具上安裝 VENTEC 鉆頭，保證切削面垂直于機床的尾部;
⑤加工前，應根據(jù)所要加工的深孔孔徑加工相應的引導孔;
⑥根據(jù)加工孔徑和設備要求的參數(shù)設置好機床的進給速度及轉速;
⑦固定橫向移動和垂直方向移動，以保證系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性;
⑧調節(jié)閥門，使冷卻液呈氣霧狀噴出;
⑨驅動機床，進行深孔加工。
3. 3 深孔鉆系統(tǒng)原理分析
在槍鉆原有結構上進行改進，得到的深孔鉆系統(tǒng)采用 VENTEC 鉆頭，其工作原理與槍鉆類似。加工時使用導向套或導向孔來定位，加工開始后，加工出來的孔對刀口起到支撐的作用，形成鉆頭的自引導特性。VENTEC 鉆刀頭外部凸肋可以產生使鉆頭偏向中心的力，產生的摩擦可使鉆頭對孔的表面進行輕輕拋光。
該結構對成孔有積極影響: ①在摩擦力的作用下，成孔的粗糙度得到有效控制; ②在鉆頭自引導作用下，即使加工比較深的孔，也可以保證鉆頭正確的鉆孔軸線。這意味著深孔鉆系統(tǒng)的 VENTEC鉆可以用于加工高精度且長徑比較大的孔。應用深孔鉆系統(tǒng)加工深孔時，切削區(qū)的冷卻排屑十分重要。
深孔鉆系統(tǒng)采用準干式的冷卻和排屑方法，即應用壓縮的氣液混合物冷卻切削鉆頭并排出切屑，其工作原理為: 冷卻液在噴霧系統(tǒng)( 儲液槽) 中被外部供給的壓縮空氣加壓，并與高壓空氣一起送入可調整流量的噴霧混合頭內，經導管再送入專用的夾具內，而后通過 VENTEC 鉆頭的中間通道到達切削區(qū)域。
冷卻液效果的好壞直接影響深孔加工的過程。深孔鉆系統(tǒng)的冷卻液由特殊的乳化油和水混合而成，其主要作用:
①使 VENTEC 鉆頭的拋光凸肋和切屑刃得到充分潤滑，減小鉆削過程中鉆頭、切屑以及工件之間的摩擦;
②壓縮空氣能有效推動霧化冷卻液流動，使切屑沿排屑槽快速排出;
③準干式冷卻方法可以提供強大的冷卻效果。
水和壓縮空氣的混合物是一種理想的冷卻介質，其冷卻效果優(yōu)于純液體，能夠在鉆削加工過程中，有效控制鉆頭刃部溫度，從而提升其加工效率
。
4 、深孔鉆系統(tǒng)應用
4. 1 條件設置
受條件限制僅做簡單的對比試驗以及成孔質量分析。試驗設備包括普通車床、VENTEC 深孔鉆系統(tǒng)、粗糙度檢測儀、圓度檢測儀和紅外熱像儀。試驗材料為車軸鋼。試驗 參 數(shù) 為 孔 徑 10mm 和 孔 徑30mm、深度 1500mm 的深孔。
4. 2 切削溫度分析
應用紅外熱像儀檢測加工時的工件溫度可在一定程度上反映切削區(qū)的大致溫度。加工孔徑 10mm深孔時，其檢測結果見 圖 4 和表 1; 加 工 孔 徑為30mm 深孔時，其檢測結果見圖 5 和表 2。
分析以上熱象圖可知，深孔鉆系統(tǒng)在加工深孔的過程中，如切削區(qū)域的溫度保持在一個合理的范圍內，其冷卻系統(tǒng)效果顯著。因為該系統(tǒng)采用壓縮的氣液混合物冷卻切削鉆頭并排出切屑，冷卻作用顯著，可有效控制切削區(qū)的溫度，高壓空氣能更有效地推動切屑排出。對加工完成的深孔進行檢測，檢驗深孔鉆系統(tǒng)的成孔質量，其結果見表 3。
分析檢測數(shù)據(jù)可知，深孔鉆系統(tǒng)的成孔質量比較高，VENTEC 鉆頭的結構對成孔質量有積極的影響，能滿足實際生產的要求。因為在該系統(tǒng)中，鉆頭通過導向孔給鉆頭定位，形成加工過程的自引導，保證了孔的加工質量，刀頭部的拋光凸肋能進一步優(yōu)化成孔質量。
5 、結語
國內深孔加工主要應用于專業(yè)的大型深孔鉆床，其設備結構和加工成本都限制了深孔的應用。大多數(shù)情況下，設計師不得不對設計的結構做出妥協(xié)，不能達到結構最優(yōu)。通過對英國哈鏝 VENTEC深孔鉆系統(tǒng)的研究，可知其在適用性、成孔質量與設備結構等方面均有一定的優(yōu)勢，易于安裝、維護、保養(yǎng)和檢修，且加工效率較高。在實際生產中應用深孔鉆系統(tǒng)可以有效解決深孔加工成本高等問題。
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