提高鏜床上深孔鉆削加工效率的研究
2022-12-22 來源：寶雞石油機械 國家油氣鉆井裝備工程研究 作者：劉永社
摘要：針對鏜床上加工大于10倍徑深孔過程中出現(xiàn)的問題進行研究，自主設(shè)計了一種簡單、實用的三通接頭，將其安裝在鏜床的冷卻系統(tǒng)中。將生產(chǎn)現(xiàn)場的高壓氣體引入機床的冷卻系統(tǒng)，從而達到冷卻液在霧化的狀態(tài)下對加工刀的切削部位進行冷卻，并及時帶走加工的鐵屑，降低刀具的切削溫度，提高刀具轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)深孔在鏜床上的高效加工，為深孔的加工開辟了一條新的加工途徑。
關(guān)鍵詞：自主設(shè)計；三通接頭；深孔；加工效率；加工途徑
0 引言
隨著機械加工技術(shù)的發(fā)展，大于10倍徑的深孔在機械加工中越來越頻繁。我公司在加工一種大于10倍徑深孔的產(chǎn)品時，因為其外形結(jié)構(gòu)的限制，只能在鉆床或著鏜床上進行加工。在鉆床上加工排屑困難，深孔加工效率低；在鏜床上加工，排屑稍微有所改善，但是隨著孔深的增加，排屑問題依然成為了影響其深孔加工效率的最大問題。
目前，公司深孔的加工根據(jù)加工產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)體類產(chǎn)品在專用設(shè)備上加工，非回轉(zhuǎn)體或一些異形件采用專用的裝置進行加工。使用專用的裝置進行加工時，不僅需要購買專用的裝置，而且需要購買專用的磨刀設(shè)備，使用時需要安裝專用裝置，準備工作繁瑣，影響產(chǎn)品加工效率。
為了解決上述問題，對現(xiàn)場鏜床設(shè)備在加工深孔時的情況進行研究，以實現(xiàn)此類產(chǎn)品深孔加工在鏜床上不采用專用裝置的情況下，依然能進行高效加工的方法。擺脫鏜床上深孔加工對專用裝置的依賴。
1 、影響鏜床深孔鉆削加工效率提高原因
1.1 刀具冷卻
在鉆孔加工過程中，加工工具必須能夠傳遞足夠的冷卻液壓力。壓力越大，排屑速度越快，鉆孔速度越快。通過現(xiàn)場的生產(chǎn)加工發(fā)現(xiàn)，鏜床在加工深孔時，如果采用普通的麻花鉆進行深孔加工時，刀具加工部位只能在加工孔口時得到有效的冷卻，隨著孔深的增加，深孔內(nèi)部冷卻液不能直接到達刀具的切削部位，而是順著刀具的排屑槽流入刀具的加工部位，冷卻液沒有壓力，因此不能實現(xiàn)傳遞足夠的冷卻液壓力，排屑的速度也不能得到改善。
如果采用帶內(nèi)冷卻的機加鉆頭進行深孔的加工時，冷卻液通過刀具內(nèi)的長流道可以到達切削部位，但壓力依然很小，排屑的速度沒有明顯加快，對提高機床的加工效率沒有明顯的改觀。刀具的切削部位得不到有效的冷卻，使得刀具的溫度居高不下。在這種情況下，如果采用提高刀具的轉(zhuǎn)速或者進給速度來提高深孔的鉆削加工效率，就會造成刀具損壞，而無法實現(xiàn)加工效率的提高。
因此，刀具的切削部位的冷卻是影響鏜床深孔鉆削加工效率提高的一個原因。
1.2 鐵屑形狀及排屑方式
正確的切屑形狀和大小及有效的排屑對于成功的深孔加工（深孔鉆削）而言至關(guān)重要。要提高深孔鉆削的加工效率，切屑的分斷最重要。在鏜床上進行鉆孔加工時，無論是采用麻花鉆頭還是采用帶內(nèi)冷卻的機加鉆頭，都必須保證在鉆削過程中能夠進行正常排屑，在不使用專用裝置的情況下，鉆削加工的正常鐵屑形狀為條狀，這種條狀的鐵屑排屑速度慢，而且易纏繞在刀具上，機床的轉(zhuǎn)速低，加工效率低。
為了提高加工效率，使鐵屑的形狀為細小分斷，增大機床的轉(zhuǎn)速和進給，使鐵屑的形狀成為細小的崩碎屑，這種形狀的鐵屑依靠冷卻液無法將其帶出深孔，導(dǎo)致其在深孔內(nèi)堆積，造成了切削熱增加。而且這些不易排出的鐵屑，在刀具旋轉(zhuǎn)的過程中，極易產(chǎn)生夾屑，造成刀具和孔壁拉傷，甚至?xí)斐傻毒邠p壞。因此，鐵屑的形狀及排屑方式也是影響鏜床深孔鉆削加工效率提高的一個原因。
2 、解決的方法及措施
2.1 解決的方法
從上面的影響原因可以看出，要提高鏜床上鉆削加工效率的問題，需要解決2個問題：1）解決刀具的冷卻問題；2）解決鐵屑的形狀及排出問題。為了解決上述2個問題，從刀具的快速冷卻和快速排屑兩方面的問題進行研究，增加冷卻液的壓力，從而達到增加排屑速度的目的。要實現(xiàn)這個目的，對這兩方面的問題進行了分析，要提高鏜床鉆削加工效率，可以采用增加機床轉(zhuǎn)速和進給來實現(xiàn)單位時間內(nèi)去除材料的量得到增加。提高加工參數(shù)，就會導(dǎo)致鐵屑的形狀發(fā)生變化，從而形成我們需要的細小分斷的崩碎屑。
這種鐵屑形成后，要解決的問題就轉(zhuǎn)換為如何高效地冷卻和排屑問題。通過前面的分析可知，要實現(xiàn)高效的冷卻和排屑，必須使冷卻液具有足夠大的壓力，這樣才能實現(xiàn)高效的鉆孔加工。僅依靠機床冷卻系統(tǒng)的壓力，是不可能的。在這種情況下，采用了將機床外部的高壓氣體引入機床的冷卻系統(tǒng)，增加其冷卻系統(tǒng)的壓力，從而實現(xiàn)使冷卻液具有足夠大的壓力的目的。
要將外部的高壓氣體引入機床的冷卻系統(tǒng)，需要一個三通接頭就能實現(xiàn)將高壓氣體引入機床的冷卻系統(tǒng)。如果使用普通的三通接頭簡單地將高壓氣體引入冷卻系統(tǒng)，那么外部高壓氣體的壓力大于機床冷卻系統(tǒng)的壓力，就會出現(xiàn)冷卻液無法到達切削部位，只有高壓氣體可以到達刀具的切削部位，這種情況等同使用風(fēng)冷進行降溫，沒有達到最佳的冷卻效果。
通過研究分析，自主設(shè)計了一種簡單、實用的組合三通接頭（如圖1），將其安裝在機床的冷卻管路上，將車間的高壓氣體引入冷卻系統(tǒng)，使冷卻液變成了一種具有一定壓力的氣霧直達刀具前端的切削部位，這樣相同時間內(nèi)流過刀具切削部位的氣液速度增加，可以有效地降低刀具切削部位的溫度。同時通過提高刀具的轉(zhuǎn)速和進給速度，改變鐵屑的形狀為崩碎屑，以便帶有壓力的冷卻氣霧將鐵屑直接從孔內(nèi)吹出孔外，使深孔內(nèi)不再有鐵屑堆積，消除了鐵屑堆積造成的刀具溫度升高，避免了刀具在高速加工中產(chǎn)生夾屑情況，通過采用這種方法有效地解決了刀具的冷卻和鐵屑的排出問題。
圖1 組合三通接頭
2.2 解決的措施
根據(jù)以上的思路，自主設(shè)計了一種特殊的組合三通接頭，其結(jié)構(gòu)和原理如圖2所示。
1.快接接頭 2.轉(zhuǎn)換接頭 3.三通接頭 4.接管 5.連接接頭 6.導(dǎo)風(fēng)接管 7.密封墊圈
圖2 組合三頭接頭的結(jié)構(gòu)及原理
其工作原理是高壓氣體通過送風(fēng)端及導(dǎo)風(fēng)管流出三通，在三通和導(dǎo)風(fēng)管之間形成一個負壓腔，這樣冷卻液從三通的冷卻液端流入三通腔體內(nèi)，與高壓氣體混合，一起通過連接接頭5進入刀體的流道內(nèi)，這些冷卻液和高壓氣體混合物，在刀具出口處壓力得到釋放，從而將冷卻液以霧狀的形式噴射在加工刀刃上，使加工刀具的刀刃在加工過程中始終得到最佳的冷卻狀態(tài)。
同時，由于這些氣霧狀的冷卻液帶有壓力，不斷地從刀具的流道中進入鉆削的孔內(nèi)，然后從鉆頭的前端通過排屑槽向外流出，并將加工中產(chǎn)生的崩碎屑帶出深孔外，使深孔干凈通暢，不會有大量的鐵屑堆積。這些不僅消除了鐵屑中的熱量向刀體的傳遞，而且還消除了刀具高轉(zhuǎn)速的夾屑情況，有效地解決了鏜床深孔鉆削刀具冷卻和排屑的問題，大大提高鏜床深孔鉆削加工的效率。在現(xiàn)場的應(yīng)用中，對一種孔徑為42 mm、孔深500mm的產(chǎn)品進行了測試（如圖3），在測試過程中，加工刀具的轉(zhuǎn)速從原來的
30～40 r/min提高到400 ～500 r/min，加工效率比原來提高了10～16倍多。
圖3 現(xiàn)場測試效果
3 、結(jié)語
采用上述的方法，有效地提高了鏜床上深孔鉆削加工的效率，為大于10倍徑深孔的加工開辟了一條新的加工方法。擺脫了在鏜床上進行高效深孔加工對專用裝置的依賴。此方法中所需要的三通接頭制造簡單、安裝方便，能將生產(chǎn)加工現(xiàn)場的資源充分利用起來，已經(jīng)在生產(chǎn)現(xiàn)場進行了推廣應(yīng)用。在鏜床上應(yīng)用此方法進行深孔加工，具有重要的實際意義。
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