高速鉆削技術應用研究

文繼先

（重慶望江工業有限公司，重慶 400071）

0 引言

深孔加工是指長徑比＞4的孔系加工。一般的深孔（4＜長徑比＜20）可用普通加長鉆頭進行加工，對于特深孔（長徑比＞20）則必須在專用機床上用專用刀具進行加工。深孔加工的難點是：斷屑、排屑困難，切削熱不易散發，冷卻潤滑困難，容易出現刀具振動、變形、折斷等情況。本次應用研究是在加工中心上，利用內冷功能和高速鉆頭，采用高速鉆削加工技術加工深孔，達到提高加工效率和加工質量的目的。

1 實施過程

1.1 機床選擇

實現孔加工高速化的首要條件是采用加工中心，而加工中心必須滿足下列條件：1）具備高速回轉主軸；2）可動部分具有快速定位的功能；3）工作臺與機床整體面積的比例應較小；4）主軸內部可直接供給冷卻液；5）具有孔加工用數控插補功能。

1．2 高速鉆的選擇

高速鉆頭應用是鉆削加工的發展趨勢。實踐表明，提高切削速度有利于切屑形態的合理化和改善加工表面的粗糙度；進給量的提高可優化切屑的形態和排出并能延長刀具使用壽命。

模塊化鉆頭（如圖1）是一種新型的孔加工刀具，可用在車床、加工中心和鉆床上，鉆頭在使用時可旋轉也可不旋轉。裝有硬質合金的模塊化鉆頭可采用較高的切削速度，從而較大地減少切削時間。這種鉆頭可達到最大加工性能和穩定性并且加工深度達到9D，可加工幾乎所有材料。模塊化鉆頭是由可拆卸的導向鉆頭、裝有硬質合金可轉位刀片的刀頭和螺旋排屑槽刀體三部分所組成。導向鉆頭在該種刀具的結構系統中所起著重要作用，其功能是對刀具導向和鉆削孔的中心部分。由于此種鉆頭設計獨持，加工深孔時穩定性好，精度高，可安裝在不同直徑的鉆桿上使用，具有安裝方便、重復定位好、直徑調節范圍大等優點。

1.3 工藝編制及工裝設計

根據實驗產品特性和選用的設備情況對鉆孔工藝進行了編制：1）由于鉆頭深度不夠，先加工一面，使其成為盲孔；2）翻面、以輔具定位找正，加工另一面的孔，使其形成通孔；3）為使鉆孔用加工輔具操作簡單、方便，定位精準，以現場實際情況和零件孔系分布情況（孔均布，且在中心十字線上），確定了輔具的形式：使用工作臺自身T型槽及已加工孔的一端定位。

1.4 工藝及工裝現場驗證

現場進行零件連接深孔的加工，加工記錄如下：

1）刀具準備。對刀具進行組合調試。

2）零件裝夾準備。根據設備主軸頭的外形尺寸（加工時主軸頭不與零件裝夾系統發生干涉）、刀具的尺寸及工件的工藝尺寸，選擇合適的壓板和螺柱，防止加工中系統各部分的相互干涉，調整工件打表找平工件到0.03mm以內后壓緊工件。

3）零件加工原點的測量記錄。根據零件的工藝尺寸，選擇合適的打表臺階圓，用尋邊器找正圓中心，記錄為工件坐標系原點O1的X、Y軸原點。

4）加工程序編制。根據工藝要求對加工程序進行編制，得到原始加工程序（加工程序由360°圓周上等分52份得到角度和圓周半徑，走極坐標循環完成加工）。加工程序：

O0001；

G0 G90 G17 G15 G40 G49 G69 G80；

G54 X0 Y0；

G43 H100 Z300 M3 S1200；

M7；

G16；

G98 G81 X[1580/2]Y0 R5 Z-200 F200；

G91 Y[360/52]K51；

G15 G80；

M30；

5）現場加工。

a.按程序進行加工，并確定了初始加工的加工數據：主軸轉速1200 r/min，進給量100 mm/min，加工中使用刀體內部冷卻液沖出切屑、帶走切削熱及進行潤滑。

b.使用以上數據開始了本次研究的第一次現場加工，加工了第一個孔，得到了本次加工的切屑及加工后孔的形態，得出加工的孔的尺寸及粗糙度滿足技術要求（如圖2）。

圖2 第一次加工后得到的切屑及孔

但是還可以進行優化：加工中的斷屑情況還可以提高，加工的進給量還可以得到提高；加工程序可以進行優化，使鉆孔中途暫停后能更快修改程序到達下一加工孔位。

c.對加工參數及加工程序進行優化：通過對加工的切屑及孔的質量的前后對比，對切削參數進行了數次調整后，最終確定主軸轉速為1400 r/min，進給量為120 mm/min，加工中使用刀體內部冷卻液沖出切屑、帶走切削熱及進行潤滑，切屑如圖3；同樣使用極坐標編程，角度變換采用宏程序增值，使加工過程中停機與再次加工的銜接更為緊湊，更易于實現快速更改。加工程序：

O0001；

#1=16；

#2=1；

#3=52；

G0 G90 G17 G15 G40 G49 G69 G80；

G54 X0 Y0；

G43 H100 Z300 M3 S1200；

G16；

M7；

N1；

#10=[#1-1]*[360/52]；

G98 G81 X[1580/2]Y#10 R5 Z-200；

F200；

#1=#1+#2；

IF[#1 LE#3]GOTO01；

G15 G80；

M30；

d.加工過程中的刀片更換。加工20個孔后對刀片進行檢查，發現刀片刃口涂層有少許磨蝕，刀具中心鉆刃口同樣有磨蝕現象（如圖4）；加工到26個孔時對刀片進行檢查，發現刀片刃口涂層磨蝕部分已經較多了，對刀片進行更換（因為是三面刃刀片，只對刀片進行旋轉換位即可），中心鉆刀尖涂層也被磨蝕，就對中心鉆進行了更換（如圖 5）。

e.工件翻面加工。因為加工質量要求，工件加工孔較深及刀具長度等條件不能一次加工完成，需對工件翻面進行反面加工，以保證孔的貫通，而為了不使貫通孔的相接處出現大的偏差，就需要對工件進行定位調整，確保孔貫通后的質量，所以用了兩定位輔具（如圖6）以機床工作臺T型槽及工件直徑兩方向上已加工孔為基準定位，然后通過打表找正、裝夾壓緊工件、尋邊器找正工件X、Y坐標原點等一系列工作，加工工件另一面的孔并貫通已加工孔。

1.5 效果總結及分析

通過本次在齒圈上高速鉆削加工技術的應用，驗證了高速深孔鉆削技術的先進性及優越性：

1）加工質量的提升，因為斷屑及切削熱的大量耗散使得高速深孔鉆削加工質量較普通鉆削有明顯改善（如圖7），高速鉆削加工的孔的表面粗糙度基本可以達到Ra3.2μm，普通鉆削加工的孔的表面粗糙度難到Ra12μm：

2）加工效率的提升，相對普通鉆削高速鉆削時間大大下降，通過本次加工過程錄影統計，從一孔加工完成退刀開始到下一孔加工完成退刀結束用時115 s，試驗零件共計52個孔，分正反兩次鉆完，鉆削加工用時t=115×52×2 s=11 960 s，即約為200 min；而普通加工鉆削一個深孔，因為斷屑困難必須通過不斷地進退刀和刷冷卻油帶走部分切削熱使刀具得到降溫以增加刀具使用壽命，加工一個孔用時大約700s，要加工完所有孔所需時間t=700×52×2s=72 800 s，即約為 1210 min。

圖7

3）操作人員勞動強度得到了極大改善，高速深孔鉆削使用龍門數控鏜銑床操作者只需要進行開始的數控編程和零件裝夾，而普通鉆削操作者必須進行人為的不斷抬刀斷屑，下壓鉆削及刷冷卻油的動作。

高速鉆削技術的應用在本單位屬首次，通過這次實際加工使我們對高速鉆削加工技術有了進一步的了解，解決了因孔大小及深度的不同，加工精度要求高，難度較大，加工時間長，常用工藝方法難以解決的加工難題。

2 推廣應用的現狀及前景

通過新設備新技術的應用，此項工藝技術完全可以在深孔加工生產中推廣應用，解決了深孔快速加工的難題，具有較好的推廣前景。

3 經驗與啟示

根據本次應用情況，加工效率還可以進一步得到提高，其原因是對此項工藝技術了解不夠，工藝參數選擇較粗放，如在保證質量的前提下可以達到的最高及最低切削參數，加工中零件的快速裝夾等，這些都有待于進一步的研究應用。

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［3］ 王先逵，劉鎮昌.機械制造技術基礎［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［4］ 李陽.高效深孔加工技術的研究［D］.蘭州：蘭州理工大學，2012.

［5］ 高邁特集團-KOMPASS-孔加工產品樣本［Z］.2011.