一、加工方式的選擇
深孔加工可分為外排屑加工和內排屑加工兩大類。外排屑槍鉆因受結構限制不能滿足高效、精密加工的要求, 另一方面, 被切下切屑又與加工好的表面直接接觸, 破壞了表面質量, 因此, 一般都是采用內排屑深孔鉆進行加工。內排屑深孔鉆又分為B T A 、噴吸鉆、D F 系統深孔鉆三類。實踐證明: 噴吸鉆斷屑要求嚴格, 尺寸范圍較窄, 常用于中Φ18 Φ~65 m m 孔的加工, 加工過程中外管無切削液舉托, 在受進給力的作用后鉆桿變形易擦傷已加工好的表面, 破壞了表面質量, 也難實現精密深孔加工的要求。為此、精密深孔加工要靠BT A、D F 系統深孔鉆來進行。
BTA 深孔加工系統國內已有設備生產, 但主軸轉速較低, 進給量范圍太窄, 在現有設備上實現精密加工是困難的; 這種系統較適宜中等尺寸精密深孔的加工, 如汽輪機大螺栓和蒸發器管板等的深孔加工。當被加工材料的力學性能和化學成份中含有多種元素時, 為避免切削過程中積屑瘤的產生, 不得不提高切削速度。當被加工孔徑尺寸小、要求高轉速時, 就需在高轉速的臥式攪床、車床上進行改裝, 這時采用D F系統深孔鉆就能發揮作用。
二、硬質合金刀具材料與被加工材料
深孔鉆的材料幾乎都是硬質合金, 而硬質合金品種、牌號較多, 無適合各種被加工材料用的萬能牌號刀片, 因此必須根據被加工材料的力學性能及化學成份選擇適宜的牌號, 不能全用7 9 8 牌號, 這點對精密深孔加工尤為重要。內排屑深孔鉆的結構已基本定型, 即采用多刃錯齒, 并有二個導向塊的形式。切削刀片要求承受載荷時不崩裂, 耐磨損, 壽命長, 焊接性能好, 容易刃磨。而外刃的刃帶處與導向塊材料不僅起承受載荷的作用, 還起保證尺寸精度、導向、定位和擠壓表面的作用, 因此, 精密深孔加工刀具材料的選擇, 關鍵是導向塊和外刃材料的選擇問題。
導向塊與外刃材料的選擇不同于一般刀具材料的選擇, 它不僅在承受切削力作用時不崩裂, 耐磨損, 壽命長, 易焊接, 易刃磨, 而且還要求與被加工材料不親和, 不粘接, 在切削熱作用下不與切削液中某化學元素起反應。
為滿足上述要求, 常用模擬試驗方法先確定壽命長的刀片材料, 再從這些壽命長的刀片中選取擠壓效果理想的刀片牌號, 擠壓效果主要表現在不與被加工材料粘接、無麻點和撕裂現象, 可保持導’ 向塊的外表面光滑。常按表l 選取, 同時還要
進行鉆孔試驗, 確定每種材料的收縮與擴張量,這個值受被加工材料、孔徑大小和切削液成份等的影響。這個量確定后就可確定鉆頭的外徑制造公差, 以確保在IT7 ~ IT8之內。收、擴量的數值見表2 。
三、深孔鉆頭結構的改進
深孔鉆頭結構的改進包括斷屑臺尺寸、幾何參數優化和導向塊尺寸、分布、刃磨技術等的改進。斷屑是深孔加工很重要的因素, 不斷的切屑難以從鉆桿內排出, 這樣就無法繼續鉆削。為達到理想的斷屑效果, 常在鉆頭結構上磨出斷屑臺, 斷屑臺尺寸取決于被加工材料的力學性能、化學成份、切削用量、切削液流量與壓力等的優化匹配。對于難加工材料的斷屑需進行模擬試驗, 采用正交組合試驗及極差分析計算進行數據處理, 不僅要求能很好斷屑, 還要求能保證刃口的強度, 然后再選出幾組較好的參數進行驗證, 最終確定最佳斷屑參數。斷屑參數包括斷屑臺深度、寬度、連接圓弧半徑、斷屑臺與刃口的傾斜角。常按表3 進行選取。
為了降低被加工材料表面粗糙度值, 用擠壓變形方法熨平凸凹不平處, 使之呈現均勻的表面, 鉆頭上需相應地減小導向塊外圓及外刃刃帶處的表面粗糙度值。擠壓加工時要求擠壓元件的表面粗糙度值低于被加工表面粗糙度值三個數量級(也就是光潔度高三級) , 為此, 導向塊表面粗糙度值徹成0. 4 ~ 0. 2μ m 。這要求將外圓的刃磨分為粗磨、精磨和研磨工序。研磨時應注意倒錐量的存在及大小。同時導向塊在軸向的倒錐量要適當減小, 使得點(線)擠壓變成面擠壓, 以提高熨平能力和減小表面粗糙度值, 倒錐量一般為0. 005 ~ 0. 0 1/10m m , 否則擠壓扭矩將增大。為減小扭矩值, 導向塊的分布位置很重要, 一般有二個導向塊, 其中副導向塊(決定尺寸精度) 在外刃對稱的180 ° 另一側; 主導向塊(承受載荷) 在外刃下方與外刃成270°, 這樣鉆削較穩定。當設計、制造產生誤差時, 背向力不能平衡, 上述設計分布就存在問題。為達到精密深孔加工的目的, 導向塊的分布常取在17 0°士5°和2 8 0° 士5° 范圍內更為理想。如制造上有可能, 可使外刃刃帶外徑與導向塊外圓不同心,這個值取決于被加工材料彈性模量的大小。導向塊應比標準型深孔鉆長5 ~ l 0m m , 以保證切削過程中導向可靠, 對提高孔的直線性有利。
切削用量的選擇要求與斷屑臺尺寸配合,以達到理想的斷屑目的。切削速度的選擇一定要避開積屑瘤產生的速度區域, 才能保證表面質量及尺寸精度。這就要求采用高速和小進給量加工, 在這徉的條件下斷屑困難.但在切削液高流速沖擊下達到了斷屑的要求。這不同于一般車削的斷屑概念。常見的切削用量見表4 。
四、冷卻系統及切削液深
孔加工條件惡劣, 冷卻潤滑問題比較特殊。深孔加工時必須使用切削液, 它除能起冷卻、排屑、潤滑和舉托作用外, 對D F 系統還產生噴吸效應, 為此需要有冷卻系統。
深孔鉆削過程中產生大量切削熱, 不及時將其帶走, 會產生熱變形, 影響加工精度。
如Φ2 0 m m 內排屑深孔鉆每小時產生4 0 0 0千卡熱量, 再如Φ20 ~ Φ40m m 內排屑深孔鉆每小時產生1 1 0 0 千卡熱量。這個切削熱的存在易使切削液的溫度升高, 導致切削液產生氣泡, 降低刀具壽命, 破壞了導向塊的外表面與被加工表面間液態薄膜的形成, 造成干摩擦, 從而增大表面粗糙度值。為此, 降低切削液系統的溫度也是保證精密深孔加工的重要因素。常采取加大冷卻箱容積的辦法使冷卻箱的容量等于或大于油泵每分鐘最大輸出流量的5 ~ 10 倍, 并且控制冷卻箱的溫度不超過50 ℃ , 常采用溫度繼電器發出指令, 使冷卻箱外圍循環水起動循環或進行風冷。精密深孔加工要求切削液保持清潔, 必須過濾。切削液臟化不僅破壞孔壁間的液態薄膜,還能造成油路堵塞, 導致供液不足, 也容易使高壓泵及閥門、安全裝置過早磨損。清潔度是保證精密加工及提高刀具壽命很有影響的因素。試驗表明: 切削液的過濾清潔度的顆粒尺寸略等于被加工表面粗糙度值的10 倍。
即要求粗糙度值而3. 2 μm , 過濾后的切削液清潔度的顆粒不能大于3 2μm , 這個數據直接影響刀具壽命,切削液中的小顆粒實際上是小的硬質點, 它會加快刀具的磨損, 對刀具壽命影響很大, 常為1: 5 的關系, 也就是說, 過濾清潔度的顆粒尺寸減小1 倍, 刀具壽命可提高5 倍。過濾分為粗、精二種, 粗過濾多數用銅網分離切屑與雜質, 切削液流入油箱后分格沉淀, 走迷宮路, 延長在切削液箱內的停留時間, 以達到微顆粒切屑與雜質有更多機會沉底。為保證從油泵中抽出的切削液更清潔, 在泵的進油口處裝上合適的粉末冶金燒結過濾網。為使清除的顆粒更微小, 也可在格網的下方放入厚15 ~ 20 m m 的泡沫塑料,泡沫塑料應經常更換。精過濾采用磁性和非磁性兩種方法進行, 磁性方法適宜于帶磁切屑, 用磁性輪、磁性棒、磁過濾裝置分布在切削液箱的內部, 形成封閉式磁場, 吸收微顆粒切屑。非磁性精過濾方法分為布質過濾和紙質過濾兩類,用這兩種物質形成運輸帶, 將排出的切削液直接澆注在這個運輸帶上, 過濾掉切屑與雜質。用這種方法過濾切削液時, 清潔度的高低決定于布、紙的質量及致密度。國內引進的德國K ol b公司生產的N C 深孔鉆床就帶有這種過濾裝置。
切削液的流量與壓力也很重要, 不同的加工方式所需壓力不同, 但流量決定于切削區域內切削液的流速, 這個值不小于8 ~ 15 m /s , 由此求得流量。除此而外, 還應注意切削液的成份, 對于精密深孔加工來說, 所需切削液以潤滑為主, 冷卻性能為輔, 故常用極壓切削油, 這種油中含有S、CI、P 成份, 在高溫作用下形成化合物, 它起著固體潤滑膜作用。多用極壓硫化油和上海生產的金環牌特種切削油及南充煉油廠生產的2 0 號深孔切削油。自行配制的40 % 極壓硫化油加40 %煤油, 再加20 腸氯化石臘效果也不錯。
五、加工時應注意的問題
( 1) 當加工孔深與直徑之比大于35 的孔時, 應安裝減振器, 即鉆桿支承器, 它可支承鉆桿以防止彎曲。鉆桿在支承器中邊旋轉邊進給,多數場合鉆桿與支承器的內孔間隙是可調的,調整間隙的方法有液壓法和機械法兩種, 國內多采用機械方法。
(2) 工件(即機床主軸)與進油器、聯接器之間的同軸度應小于0. 02m m, 最好聯接器的軸線略高于機床主軸中心, 以補償鉆桿自重下落的差值。進油器軸心是導向套的軸心, 導向套的軸心在兩個直母線的方向上應找正, 不允許偏斜, 還要與主軸軸線同心, 才可保證直線性。同時導向套的前端距離工件端部越近越好, 此距離不能大于鉆頭導同塊長度的l/ 4 , 否則, 切入時導向作用變差。
(3) 機床功率要足夠大, 剛性要好, 特別是轉數應滿足斷屑匹配的要求, 又不產生積屑瘤。進給量應是機械傳動, 使切削過程平穩, 排屑順利。
(4) 鉆頭制造質量要好, 外刃最外面的切削尖點的軸向尺寸應高于導向塊倒棱后的軸向尺寸, 但這個值不應太大(在0. 5 ~ 0. 8m m 范圍內) , 這樣才能保證外刃先切削, 而導向塊不參與切削。制造上要保證背向力平衡, 若平衡困難, 背向力合力一定要壓向主導向塊一方。
(5) 精密深孔加工時主要矛盾是精度, 而不是刀具壽命, 可以犧牲刀具壽命來保證精度, 因此, 常用強制換刀方法, 刀具應勤刃磨。
(6 )當被加工材料中含的N i、Ti、C o 、V、Mo、Mn 比例較高, 硬質合金材料不粘接的可能性很小時, 可先粗鉆好孔, 再用拉鉸的方式擴孔,以保證尺寸精度與表面粗糙度值。精密深孔加工技術已在哈爾濱汽輪機廠、上海鍋爐廠、武漢鋼鐵公司機械總廠等單位應用多年, 效果較好。
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