高強(qiáng)度鋼多角度大長(zhǎng)徑比細(xì)小孔系鉆削精度控制分析

趙志勇 李愛(ài)平 張寶榮 胡守琦 劉莉敏

摘要：高壓供油泵體自身的各種油道交叉孔及各孔系自身都有著高精度的尺寸要求和位置要求，因此加工流程較復(fù)雜，在深孔鉆削中，槍鉆是比較常見(jiàn)的一種孔加工方法，深孔槍鉆加工過(guò)程中，被加工孔直徑小、孔深長(zhǎng)、切削形貌是影響其加工質(zhì)量的一個(gè)重要因素，并且切削的成形機(jī)理分析與實(shí)際加工工藝參數(shù)之間的配合關(guān)系也一直是深孔加工的難點(diǎn)。隨著科技的發(fā)展，通過(guò)各類仿真軟件，分析不同的切削速度、進(jìn)給速度等不同的工藝參數(shù)來(lái)模擬實(shí)際狀態(tài)，本研究方向是通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)高壓供油泵40倍徑下？準(zhǔn)4孔系的實(shí)際加工，并且分析槍鉆的鉆削影響分析。

Abstract： The cross holes， intersecting holes and hole series of the high-pressure oil supply pump body have strict shape and position requirements， so the processing technology is relatively complex. In deep hole drilling， gun drill is a common hole processing method. In the process of deep hole gun drilling， the small diameter， long hole depth and cutting morphology of the processed hole are important factors affecting the processing quality， And the matching relationship between the analysis of cutting forming mechanism and the actual processing parameters has always been the difficulty of deep hole machining. With the development of science and technology， through various kinds of simulation software， different cutting speed， feed speed and other different process parameters are analyzed to simulate the actual state. The research direction is to realize the actual processing of ？準(zhǔn)4 hole system under 40 times diameter of high-pressure oil supply pump by optimizing the process parameters， and analyze the impact of gun drill drilling.

關(guān)鍵詞：大長(zhǎng)徑比鉆削;高壓供油泵;細(xì)小孔

Key words： large aspect ratio drilling;high pressure oil supply pump;small hole

中圖分類號(hào)：TU753.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）23-0130-03

0? 引言

由于目前的企業(yè)生產(chǎn)需求，高壓供油泵的壓力值要求一直持續(xù)上升，行業(yè)中小直徑、大長(zhǎng)徑比的深孔需求越來(lái)越多，而且對(duì)孔的尺寸精度及表面質(zhì)量要求也越來(lái)越高，為了滿足市場(chǎng)需求，優(yōu)化生產(chǎn)流程和發(fā)展科技就變得非常重要，槍鉆加工技術(shù)是一種一次鉆削就能獲得可觀的表面粗糙度和尺寸精度的刀具，利用槍鉆加工具有加工效率高、加工質(zhì)量高、幾何精度高、刀具耐用高以及適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)[1]。

1? 大長(zhǎng)徑比細(xì)小孔加工的難點(diǎn)

深孔加工工藝是一種刀具在半封閉加工或者全封閉加工工作狀態(tài)下進(jìn)行加工的一種經(jīng)常發(fā)生的現(xiàn)象，機(jī)床操作人員不能直觀的觀察到刀具的切削動(dòng)態(tài)，而在加工過(guò)程中，切屑產(chǎn)生在深孔中，由于普通鉆頭的結(jié)構(gòu)缺陷，極其容易出現(xiàn)堵屑現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)，深孔加工選用的鉆頭，在加工過(guò)程中，鉆頭很容易出現(xiàn)振動(dòng)、偏斜，導(dǎo)致零件精度無(wú)法滿足技術(shù)指標(biāo)，另外，鉆頭在深孔加工狀態(tài)下，由于鉆刃與工件之間摩擦產(chǎn)生的熱量無(wú)法散出，而冷卻液也無(wú)法及時(shí)的起到冷卻作用，鉆頭溫度逐漸升高，受熱效應(yīng)影響，鉆頭磨損加劇，極其容易出現(xiàn)卡死、折斷等現(xiàn)象。通常的深孔加工難點(diǎn)有：

1.1 切削過(guò)程散熱難

普通的鉆削加工過(guò)程中85%的切削熱都是切屑通過(guò)冷卻液帶出零件加工區(qū)域，但在封閉或者半封閉的深孔加工過(guò)程中，潤(rùn)滑、冷卻都很難起到其作用，導(dǎo)致熱量擴(kuò)散緩慢，零件及加工刀具成了主要的散熱對(duì)象，熱量積聚效應(yīng)非常明顯，導(dǎo)致刀具刃口溫度可達(dá)620℃，極大地影響了刀具的使用壽命。同時(shí)，已加工完畢的零件孔系也會(huì)發(fā)生熱脹冷縮的現(xiàn)象，嚴(yán)重的情況最終影響孔加工精度。

1.2 刀具剛性差

由于細(xì)小孔的大長(zhǎng)徑比加工，槍鉆鉆桿必然是細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致剛性嚴(yán)重不足。加工過(guò)程中，容易產(chǎn)生振動(dòng)、扭曲、卡死、折斷等問(wèn)題發(fā)生。同時(shí)，由于上面所述的影響所導(dǎo)致，尺寸精度、位置精度及表面粗糙度都難以保證。

1.3 排屑難

切削行程長(zhǎng)，排屑空間狹窄，切屑排出困難，容易與孔壁摩擦，孔加工表面出現(xiàn)螺旋溝。也易發(fā)生切屑阻塞，刀具容易磨損、崩刃，報(bào)廢零件。

2? 槍鉆的加工機(jī)理分析

機(jī)械加工中，零件深孔加工是比較常見(jiàn)的一種加工需求，槍鉆加工方法主要針對(duì)為直徑？準(zhǔn)2～？準(zhǔn)25mm的深孔系加工，直徑與孔系之比可超過(guò)110，加工出孔的精度可達(dá)到IT7～I(xiàn)T9，被加工表面粗糙度為Ra0.6～3.2μm，被加工孔的直線度高，專業(yè)的槍鉆系統(tǒng)由：加工設(shè)備、槍鉆、導(dǎo)套、高壓冷卻等系統(tǒng)組成。槍鉆夾持部位被加工設(shè)備旋轉(zhuǎn)主軸夾持，鉆頭通過(guò)引導(dǎo)孔或者導(dǎo)套進(jìn)入工作表面，進(jìn)入后，切削刃的獨(dú)特結(jié)構(gòu)起到自動(dòng)導(dǎo)向的作用，保證了零件的直線精度指標(biāo)，在切削過(guò)程中，高壓冷卻液經(jīng)高壓通過(guò)槍鉆的內(nèi)噴通道進(jìn)入到鉆頭的切削部位，將切屑從排屑槽帶出工作表面，同時(shí)對(duì)鉆刃進(jìn)行冷卻從而獲得良好的加工表面和加工質(zhì)量。槍鉆具有幾大特點(diǎn)：

①排屑順暢。槍鉆在加工深孔過(guò)程中，高壓冷卻液通過(guò)高壓內(nèi)噴通道可以在加工孔內(nèi)良好地分屑、卷屑及斷屑，同時(shí)將切屑通過(guò)排屑槽強(qiáng)行排出。

②潤(rùn)滑充分。在切屑時(shí)，由于加工時(shí)間周期長(zhǎng)，鉆頭的切削刃溫度會(huì)逐漸的升高，如果不及時(shí)冷卻會(huì)加劇刀具磨損，使零件精度降低、縮短刀具使用壽命，而槍鉆自身結(jié)構(gòu)有冷卻通道，冷卻液通過(guò)冷卻通道能夠及時(shí)地帶走高速切削時(shí)產(chǎn)生的熱量，并且還能起到一定的潤(rùn)滑作用。

③加工效率高。因槍鉆的加工優(yōu)勢(shì)突出，切削速度與進(jìn)給速度都比普通鉆削加工速度要快，切屑也能夠及時(shí)的排出孔內(nèi)，不存在加工過(guò)程中暫停機(jī)床清理切屑現(xiàn)象，所以加工效率會(huì)提高很多。

④孔徑尺寸穩(wěn)定（鉆孔和鉸孔一次完成），孔徑變化范圍較小。

3? 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)材料

測(cè)試材料是42CrMo，一種超高輕度鋼材，具有高強(qiáng)度和韌性，抗沖擊能力強(qiáng)，由于其具有的優(yōu)點(diǎn)常被用作于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子、主軸、傳動(dòng)軸等工作負(fù)荷較大的零件原材料。

3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.2.1 槍鉆結(jié)構(gòu)的選擇

槍鉆組成部分由：切削部分、刀桿和刀柄組成，切削部分普遍采用硬質(zhì)合金材質(zhì)制造。鉆刃面上有一個(gè)或者兩個(gè)高壓冷卻液孔，槍鉆外表面有一個(gè)V型排屑槽，刀桿一般加工方法是利用無(wú)縫鋼管軋出V型排屑槽，刀柄是與主軸連接的部位，切削部位與刀桿、刀桿與刀柄通常采用焊接結(jié)構(gòu)，高壓冷卻液從刀柄尾部的孔內(nèi)經(jīng)高壓冷卻孔進(jìn)入切削加工部位把切屑經(jīng)切削部位和鉆桿上的V型槽沖刷出來(lái)。

3.2.2 切削刃頭設(shè)計(jì)

槍鉆切削刃的設(shè)計(jì)與自身幾何參數(shù)的選擇，會(huì)直接影響到零件的最終加工質(zhì)量，槍鉆通常是由兩個(gè)切削刃組成，兩個(gè)切削刃的相交點(diǎn)稱為鉆尖，兩個(gè)切削刃分別稱為內(nèi)刃和外刃，分別具有內(nèi)角和外角。內(nèi)、外刃的前角γ0一般取為0°，這種平面型前角，方便制造，可簡(jiǎn)化刃磨，重復(fù)多次修刃。內(nèi)刃后角α01和外刃后角α02一般為13～23°Fre與Fri，鉆尖后角α03一般也為13～23°。它能防止切屑堆積，使切削液流暢，鉆尖鋒利。后角選取不能太大也不能太小。太大，切削刃強(qiáng)度降低，刀具耐用度下降;太小，后刀面摩擦嚴(yán)重，切削溫度升高[2]。

3.3 試驗(yàn)分析

3.3.1 切削力分析

槍鉆是利用導(dǎo)向塊進(jìn)行深孔鉆削的一種刀具，所承受的作用力分別包括：作用在與零件接觸的切削部位的切削力，導(dǎo)向塊上的正面壓力、摩擦力及冷卻液作用在切削刃上的壓力，受三種力綜合作用影響。冷卻液壓力和切削力軸向力只影響刀桿彎曲變形，由于機(jī)床本身進(jìn)給系統(tǒng)可控和刀桿剛度的控制，對(duì)孔的加工質(zhì)量可以忽略不計(jì)。通過(guò)對(duì)鉆削力的計(jì)算得出：鉆削抗拉強(qiáng)度Ob=700～1000Mpa的鋼料槍鉆試驗(yàn)表明：軸向力均約為切削力一半，即Fa=0.5F1，而Fa=Fro。當(dāng)切削速度V=2m/s時(shí)，D=4mm，f=0.055 mm/r，測(cè)定Ft=1180N：D=20 mm，f=0.07 mm/r，F(xiàn)t=2850N。

3.3.2 機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)中心與導(dǎo)向套同軸度分析

在槍鉆加工過(guò)程中，導(dǎo)向套起到的作用舉足輕重，自身的中心與主軸旋轉(zhuǎn)中心同軸度精度要求非常高，因?yàn)樗膶?dǎo)向精度制約著工件的加工精度，導(dǎo)向套設(shè)計(jì)的不合理直接會(huì)造成主油道孔內(nèi)偏移。根據(jù)試驗(yàn)要求測(cè)量在150mm時(shí)同軸度不得>0.01mm。另外受槍鉆本身特殊的結(jié)構(gòu)影響，刀具細(xì)并且剛性較差，在高速旋轉(zhuǎn)中，需要保證刀具剛接觸零件工作表面時(shí)具有良好的導(dǎo)向，如果主軸旋轉(zhuǎn)中心與導(dǎo)套中心同軸度差，會(huì)導(dǎo)致刀具定心不穩(wěn)定，加工出的孔系位置精度出現(xiàn)偏移，嚴(yán)重的話，刀頭與導(dǎo)向套摩擦力加大，摩擦扭矩Mf快速升高，發(fā)生刀具卡死或者折斷現(xiàn)象發(fā)生。

3.3.3 鉆削深度對(duì)孔系直線度的影響分析

槍鉆在切削刃剛接觸到待加工表面時(shí)，鉆頭與導(dǎo)向套直接接觸，導(dǎo)向套為其起到支撐的作用，保證零件的被加工孔精度，槍鉆的與孔的中心軸線偏移量可以忽略不計(jì)，但是隨著鉆削深度的不斷增加，槍鉆呈離心作用力也會(huì)逐漸增加，當(dāng)鉆削深度達(dá)400mm以后，孔軸線偏移開(kāi)加劇，偏移量不斷增大，但仍然可預(yù)測(cè)和控制，當(dāng)鉆削深度超過(guò)1000mm時(shí)，孔軸線偏移急劇增加，偏移量變得很難進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制[4]。

3.3.4 槍鉆自身重量對(duì)深孔加工的影響分析

深孔加工中，加工刀桿細(xì)長(zhǎng)，剛性差是槍鉆顯著的缺點(diǎn)，刀桿在自重的影響下容易產(chǎn)生橫向彎曲，使零件孔中心線產(chǎn)生偏移，這將使被加工孔直線度不可避免地受到影響，另外隨著加工深度的逐步增加，孔軸線偏移會(huì)加劇，因此槍鉆自身的重量對(duì)深孔加工軸線的偏移是有影響的。

3.3.5 加工切削參數(shù)優(yōu)化

在深孔加工過(guò)程中，為了達(dá)到零件的被加工表面質(zhì)量要求及零件的效率要求，最重要的是合理地選擇切削參數(shù)，需要綜合考慮零件的材料性能、加工孔徑、孔的深度、切削速度、切削進(jìn)給速度等因素影響。通常來(lái)說(shuō)，深孔加工的進(jìn)給量控制在0.01～0.1mm/r，切削速度控制在4000～10000r/min，在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際加工逐步地優(yōu)化工藝參數(shù)[3]。槍鉆的切削速度主要根據(jù)刀具的材料及刀具直徑的選擇來(lái)決定加工參數(shù)，進(jìn)給速度的合理選擇會(huì)直接影響著供油泵孔系的加工表面粗糙度、直線度及刀具的使用壽命，下面通過(guò)對(duì)進(jìn)給速度及切削速度方面分析槍鉆加工參數(shù)對(duì)孔系的影響：

①進(jìn)給速度對(duì)深孔加工的影響：在槍鉆加工過(guò)程中，進(jìn)給速度參數(shù)的選擇要從刀具材質(zhì)、機(jī)床精度、工件剛度、強(qiáng)度這幾方面進(jìn)行研究，本次加工試驗(yàn)選擇切削速度為6000r/min，分別以50mm/min、55mm/min、60mm/min、65mm/min、70mm/min的進(jìn)給速度進(jìn)行加工試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可以看出，隨著進(jìn)給速度的增大各精度指標(biāo)也隨著增大，另外隨著隨著進(jìn)給速度逐漸的增大，刀具的受力也會(huì)增大，機(jī)床的功率也隨著增大，最終導(dǎo)致刀具振幅增大，致使零件精度降低。

②切削速度對(duì)深孔加工的影響：不同的切削速度直接影響被加工零件孔的表面質(zhì)量。在其它參數(shù)確定的條件下，低速切削會(huì)導(dǎo)致孔內(nèi)表面粗糙度低，達(dá)不到技術(shù)要求;中速切削會(huì)產(chǎn)生一定的積屑瘤;高速切削加工后的孔表面質(zhì)量高，但是高速切削意味著機(jī)床的主軸負(fù)荷變大，導(dǎo)致機(jī)床的穩(wěn)定性降低，因此在加工過(guò)程切削速度不是越高越好，必須選擇合適的切削速度范圍值，才能保證零件的質(zhì)量，本次試驗(yàn)選用的進(jìn)給速度為60mm/min，分別在4500r/min、5000r/min、5500r/min、6000r/min、6500r/min、7000r/min的切削速度情況下對(duì)孔的質(zhì)量分析試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可以看出，各項(xiàng)精度指標(biāo)顯示：當(dāng)轉(zhuǎn)速小時(shí)，各項(xiàng)精度指標(biāo)變差，隨著切削速度上升到一定范圍值內(nèi)，精度會(huì)提高，然而如果轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時(shí)，精度指標(biāo)會(huì)變的越來(lái)越差。

4? 試驗(yàn)結(jié)果

①本次經(jīng)過(guò)對(duì)優(yōu)化槍鉆的切削參數(shù)后進(jìn)行實(shí)際加工試驗(yàn)，通過(guò)改變切削速度、進(jìn)給速度對(duì)孔徑加工中的直線度、圓度及孔徑偏差的變化趨勢(shì)進(jìn)行了驗(yàn)證。②隨著進(jìn)給速度的增加，進(jìn)給速度在50mm/min時(shí)，孔徑的直線度、圓度、孔徑偏差均在本次試驗(yàn)技術(shù)要求范圍內(nèi)。③隨著切削速度的增加，各項(xiàng)精度指標(biāo)由差變優(yōu)在變差的加工過(guò)程，切削速度在6000～6500r/min范圍內(nèi)精度誤差較小，刀具振動(dòng)幅度相比其它范圍較小。

5? 結(jié)論

針對(duì)目前槍鉆深孔加工工藝參數(shù)的設(shè)置無(wú)理論依據(jù)，本次試驗(yàn)結(jié)合實(shí)際加工，得到了高強(qiáng)度彈簧鋼優(yōu)越的機(jī)械性能。該次試驗(yàn)基本滿足高壓供油泵體燃油輸出孔孔表面粗糙度Ra≤0.8μm，高壓供油泵體大長(zhǎng)徑比？準(zhǔn)4深孔直線度0.05/300mm的技術(shù)要求。從供油泵加工精度和表面質(zhì)量的分析入手對(duì)槍鉆的工藝參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與研究，主要的研究結(jié)論包括：①?gòu)馁|(zhì)量方面分析找出高壓油道孔質(zhì)量因素，其中表面粗糙度低是由于槍鉆外角偏小，槍鉆的剛性差，切削速度、切削進(jìn)給等參數(shù)選擇不合理，對(duì)槍鉆加工過(guò)程進(jìn)行了受力分析，分析結(jié)果說(shuō)明：槍鉆的內(nèi)角、外角及切削刃偏移量這三個(gè)因素決定著零件孔系的直線度和表面質(zhì)量，外角如果小的話會(huì)導(dǎo)致孔的表面粗糙度差，內(nèi)角小的話會(huì)導(dǎo)致直線度差。②通過(guò)對(duì)導(dǎo)向套與主軸回轉(zhuǎn)中心同軸度的分析，主軸回轉(zhuǎn)中心與導(dǎo)向套中心應(yīng)在一條直線，應(yīng)避免導(dǎo)向套加工誤差與調(diào)試誤差，刀具與導(dǎo)向應(yīng)配磨到合理的間隙范圍，保證主軸、導(dǎo)向套、槍鉆工作時(shí)的最理想同軸度。③槍鉆加工屬于一種綜合性技術(shù)，在設(shè)計(jì)工藝規(guī)范時(shí)，必須充分考慮深孔加工的缺點(diǎn)，如：刀具細(xì)長(zhǎng)且剛性不足，加工時(shí)孔越深越容易偏移和振幅，切削速度越高刀具的使用壽命會(huì)越低。

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