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深孔刀具之亚干式深孔加工刀具技术的研究

深孔刀具亚干式深孔加工刀具技术的研究
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,较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。蟠蠹跎倭饲邢饕菏褂昧浚秩繁A说枷蚩橛肽诳妆砻嬷洹⒌毒咔昂蟮睹嬗肭行贾涞那邢饕喝蠡悖鼻邢饕涸谖砘刺挛瘸浞帧⑷蠡龋芨玫胤⒒幼饔茫皇褂昧难顾蹩掌判技瓤稍龃笈判伎占(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

    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,较好是形成细小的“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。

    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。

    (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。

    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。

    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。

    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,较后断屑,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。
本新闻未完待续……

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