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VENTEC 深孔鉆系統(tǒng)的應(yīng)用分析
2019-10-29  來源:中北大學(xué) 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(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題,應(yīng)用英國哈鏝公司( HAMMOND) 設(shè)計(jì)的 VENTEC 深孔鉆系統(tǒng),可簡化深孔加工的設(shè)備結(jié)構(gòu)并降低加工成本。通過理論分析和實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn),對 VENTEC 深孔鉆系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理以及在應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析,論證其在實(shí)際生產(chǎn)中的意義。

         關(guān)鍵詞: 深孔加工; VENTEC 深孔鉆系統(tǒng)
  
         1 、引言
  
         由相關(guān)的資料統(tǒng)計(jì)可知,孔加工在機(jī)械制造行業(yè)中占全部機(jī)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(nèi)進(jìn)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(diǎn)。
  
         這些難點(diǎn)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(yīng)用范圍,也限制了深孔加工的理論及技術(shù)向其他領(lǐng)域拓展的能力,使深孔加工成為制造技術(shù)門類中設(shè)備機(jī)構(gòu)復(fù)雜且加工成本昂貴的技術(shù)之一。
  
         目前,國內(nèi)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(shí)現(xiàn)噴和吸兩個(gè)效果,結(jié)構(gòu)上更加復(fù)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(fù)壓排屑裝置,結(jié)合了 BTA 系統(tǒng)和噴吸鉆系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),克服其不足,但其結(jié)構(gòu)較 BTA 系統(tǒng)復(fù)雜。

         2 、深孔加工技術(shù)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(nèi)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(jié)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(jìn)入鉆桿內(nèi)部,到達(dá)鉆頭頭部進(jìn)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(zhì)量低于內(nèi)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(nèi)排屑方式,主要由中心架、授油器、鉆桿聯(lián)結(jié)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(jìn)入,在刀具頭部進(jìn)行冷卻潤滑,經(jīng)鉆桿內(nèi)部推出切屑。該系統(tǒng)應(yīng)用廣泛,但受鉆桿內(nèi)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(jī)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(yùn)動(dòng)方式。可見,深孔加工需要專用設(shè)備和專用輔具,因此其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)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(shù)企業(yè)提出,目前在國內(nèi)也有多家企業(yè)生產(chǎn)該系統(tǒng)。由于其具有適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡便和成本低等特點(diǎn),無論在歐美市場還是在國內(nèi)市場都被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。用戶只需一臺(tái)普通機(jī)床、一件設(shè)計(jì)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(zhì)的硬質(zhì)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(jī)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(jī)床做任何改動(dòng),使現(xiàn)代槍鉆技術(shù)在普通機(jī)床上的應(yīng)用成為了現(xiàn)實(shí)。
  
         3. 2 深孔鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
  
         如圖3 所示,深孔鉆系統(tǒng)包括儲(chǔ)液槽、壓縮空氣接口、空氣壓力表、霧化氣體壓力表、調(diào)節(jié)閥、導(dǎo)管動(dòng)、動(dòng)力接頭、夾具和深孔鉆等部分。其中,夾具可根據(jù)實(shí)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(chǔ)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(jī)接入,并將空氣的供給壓力控制在一定的范圍內(nèi),然后在儲(chǔ)液槽中按照正確的比例混合好專用的冷卻液;
         ②應(yīng)用刻度盤千分表調(diào)節(jié)夾具,使夾具的各邊和頂部與機(jī)床運(yùn)動(dòng)方向平行;
         ③校準(zhǔn)刀夾中心線與機(jī)床主軸中心線,使其可以對齊,在機(jī)床主軸上安裝千分表,便于加工時(shí)的觀察;
         ④在夾具上安裝 VENTEC 鉆頭,保證切削面垂直于機(jī)床的尾部;
         ⑤加工前,應(yīng)根據(jù)所要加工的深孔孔徑加工相應(yīng)的引導(dǎo)孔;
         ⑥根據(jù)加工孔徑和設(shè)備要求的參數(shù)設(shè)置好機(jī)床的進(jìn)給速度及轉(zhuǎn)速;
         ⑦固定橫向移動(dòng)和垂直方向移動(dòng),以保證系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性;
         ⑧調(diào)節(jié)閥門,使冷卻液呈氣霧狀噴出;
         ⑨驅(qū)動(dòng)機(jī)床,進(jìn)行深孔加工。

         3. 3 深孔鉆系統(tǒng)原理分析
  
         在槍鉆原有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn),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(shí)使用導(dǎo)向套或?qū)蚩讈矶ㄎ唬庸ら_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(dǎo)特性。VENTEC 鉆刀頭外部凸肋可以產(chǎn)生使鉆頭偏向中心的力,產(chǎn)生的摩擦可使鉆頭對孔的表面進(jìn)行輕輕拋光。

         該結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(yīng)用深孔鉆系統(tǒng)加工深孔時(shí),切削區(qū)的冷卻排屑十分重要。

         深孔鉆系統(tǒng)采用準(zhǔn)干式的冷卻和排屑方法,即應(yīng)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(chǔ)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(diào)整流量的噴霧混合頭內(nèi),經(jīng)導(dǎo)管再送入專用的夾具內(nèi),而后通過 VENTEC 鉆頭的中間通道到達(dá)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(dòng)霧化冷卻液流動(dòng),使切屑沿排屑槽快速排出; 
         ③準(zhǔn)干式冷卻方法可以提供強(qiáng)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(zhì),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(yīng)用
  
         4. 1 條件設(shè)置
  
         受條件限制僅做簡單的對比試驗(yàn)以及成孔質(zhì)量分析。試驗(yàn)設(shè)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(yàn)材料為車軸鋼。試驗(yàn) 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(yīng)用紅外熱像儀檢測加工時(shí)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(shí),其檢測結(jié)果見 圖 4 和表 1; 加 工 孔 徑為30mm 深孔時(shí),其檢測結(jié)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(gè)合理的范圍內(nèi),其冷卻系統(tǒng)效果顯著。因?yàn)樵撓到y(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(dòng)切屑排出。對加工完成的深孔進(jìn)行檢測,檢驗(yàn)深孔鉆系統(tǒng)的成孔質(zhì)量,其結(jié)果見表 3。

  
  
         分析檢測數(shù)據(jù)可知,深孔鉆系統(tǒng)的成孔質(zhì)量比較高,VENTEC 鉆頭的結(jié)構(gòu)對成孔質(zhì)量有積極的影響,能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中,鉆頭通過導(dǎo)向孔給鉆頭定位,形成加工過程的自引導(dǎo),保證了孔的加工質(zhì)量,刀頭部的拋光凸肋能進(jìn)一步優(yōu)化成孔質(zhì)量。

  
         5 、結(jié)語
  
         國內(nèi)深孔加工主要應(yīng)用于專業(yè)的大型深孔鉆床,其設(shè)備結(jié)構(gòu)和加工成本都限制了深孔的應(yīng)用。大多數(shù)情況下,設(shè)計(jì)師不得不對設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)做出妥協(xié),不能達(dá)到結(jié)構(gòu)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(zhì)量與設(shè)備結(jié)構(gòu)等方面均有一定的優(yōu)勢,易于安裝、維護(hù)、保養(yǎng)和檢修,且加工效率較高。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)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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