機械式新型深孔鏜刀桿

肖彬， 郭輝， 田輝， 許鋒國

（中航飛機股份有限公司長沙起落架分公司，陜西漢中 723000）

0 引言

在金屬加工領域，細長桿、深長孔件的車削、薄壁件的加工或是采用長懸臂刀桿進行鏜削、銑削等金屬機械加工場合,切削振動是常見的一種破壞切削過程的有害現象，直接影響工件加工表面的質量和精度。系統剛性差、固有頻率低的加工刀具，在切削過程引發一個與刀具固有頻率相同的外激力，使刀具與工件產生了共振，這是刀具在切削過程中產生振動的主要因素。雖然目前加工領域在刀具方面有突破性發展,但切削振動卻并未因為刀具的升級迭代而消亡。

1 切削振動的分類

按切削振動的聲音特點和工件表面質量分3類，如表1所示。

為解決切削振動對加工帶來的影響，目前行業主流思路是：降低切削力；提高刀具系統的剛性；刀具減震等。機械減震通常的方法有：充分利用復合材料高彈性模量、低密度的吸振特性替代傳統單一的碳鋼、合金鋼，以達到提升鏜刀桿剛度；利用抗振結構的振型耦合消除鏜桿的自激振動，如在刀具中采用兩平行面的中空設計，不斷提高刀桿的抗振性能；也可在刀桿上加入內置式或外置式阻尼系統來實現減震目的，特別對于加工長徑比較大的孔徑零件，推薦采用內置式阻尼系統刀具。

表1 切削振動分類

2 機械式新型深孔鏜刀桿組成

機械式新型深孔鏜刀桿（圖5）由閥體、內腔桿、刀桿、軟材料減震塊等組成，其整體結構采用高強度低振動結構優化處理，軟材料減震塊、浮動支撐與工件形成一個有效防振體系，在切削過程中，軟材料減震塊可沿燕尾槽滑行一段距離，減震塊的往復移動與工件內腔氣流差及切削分力的反作用力形成一個單自由度阻尼系統，有效地減緩了刀具切削過程引起的振動。

3 機械式新型深孔鏜刀桿減震原理

機械式新型深孔鏜刀桿采用中空鏜桿配合軟材料減震塊的抗振結構。刀桿軟材料減震塊及工件腔內氣壓在切削狀態，可簡化抽象成由彈簧和阻尼器組成的減震系統。在切削過程中刀桿激振力將通過抽象減震系統傳遞到工件，當傳到工件上的力小于激振力，則減震系統就起到了減震作用，頻率相差越大，減震效果越好。

3.1 單自由度減震模型

對于只考慮單方向振動的情況時，機械式新型深孔鏜刀桿和工件內腔減震系統可簡化為單自由度減震模型。分析中可以認為刀桿是只有質量沒有彈性的剛體，減震系統只考慮彈性和阻尼，其質量為m，剛度k和黏性阻尼系數c，簡化受力模型如圖1所示。

圖1 受力模型及鏜桿和它整個安裝結構的頻率

3.2 軟材料減震塊

機械式新型深孔鏜刀桿軟材料減震塊（見圖6）,采用鍵槽與新型深孔鏜刀桿2連接，切削時減震塊與工件腔之間的間隙變化有效抑制著刀具引發的激振。對工件內孔尺寸變化不大的類似工件的加工，可采用在軟材料減震塊表面粘貼軟材料貼層方法增大半徑值來增大刀具適用范圍。軟材料貼層主要有塑料、鋁、黃銅等低強度材料，一方面增大減震塊直徑值，達到η＜1的減震效果；另一方面也可有效防止機械式新型深孔鏜刀桿鏜孔減震塊與鐵屑由于擠壓而劃傷工件內腔表面，達到保護內孔表面質量的目的。

3.3 鏜刀桿減震效果的提升

為進一步提高機械式新型深孔鏜刀桿的車削性能，還需關注刀片選擇、切削參數、速度、進給、切深等。

1）刀片的選擇。加工前對于零件長徑比情況，結合圖2刀片幾何結構與振動關系，需合理選用。

2）切削參數（速度，進給，切深）選用。切屑形成過程中間斷切削、積屑瘤、工件材料中雜質、余量的不均等，引起變化的切削力和振動的加劇。因此，控制切削參數可從根源上削減震動。選擇正確的速度vc、切削深度ap、進給fz，必須在斷屑區間內，過低的切削速度可能造成積屑瘤；高切削速度或高進給產生過高的金屬去除速度，將會導致排屑問題；切削速度過高，將產生過度的后刀片磨損；切削區域過大，切削力增大，切削區域過小，刀片與工件的摩擦增大。生產經驗法則：一般情況下，切削深度ap＞刀尖圓角r，余量較小時，也需要滿足ap＞0.8 r；粗加工時fz＜1/2r，fz過大會引起刀尖崩刃，精加工時fz＜1/3r，fz過大表面粗糙度降低；斷屑區間ap：fz=16：1～14：1。

3）機械式新型深孔鏜刀桿夾持注意事項。為了確保足夠的夾持面接觸，夾持孔表面質量需小于1 μm；推薦刀桿夾持長度為4倍直徑長。如果設備允許，對于直徑大于200 mm的鏜桿，推薦夾持長度不小于6倍直徑長；開口抱死夾緊圓柄鏜桿的孔徑推薦公差H7；為了避免永久變形，襯套材料建議最小硬度45 HRC。對于長懸伸工件的加工，推薦采用兩段式刀座，機床主軸與刀具接口的雙面接觸接口夾持方式（圖4），達到進一步減震的目的。

圖2 刀片選擇與振動的關系

圖3 切削參數（速度，進給，切深）

機械式新型深孔鏜刀桿為普通物理減震刀具，減震效果有限，因此必須配合多種減震措施，強化減震效果。

圖4 機械式新型深孔鏜刀桿夾持

4 機械式新型深孔鏜刀桿微量潤滑

切削液在工件切削過程中主要起潤滑、冷卻作用。滲透能力強弱是切削液潤滑的一個重要指標。在切削加工中，液體滲透和氣體滲透是主要的常規澆注滲透模式，相對而言液體滲透效率比較低，而氣體滲透是由澆注在切屑表面裂紋中的液體隨著切削溫度的上升發生汽化向前刀面進行滲透。機械式新型深孔鏜刀桿高壓氣、切削液進入刀體，從刀尖處噴霧式流出，速度高，動能大，滲透能力強，可達到微量潤滑、冷卻的作用。刀尖處霧化的切削液從多個角度向深孔鏜刀桿前刀面滲透，體積驟然膨脹的切削液對外做功，能帶走大量熱量，使切削部位溫度降低10℃左右。同時，高速的霧化切削液兼有氣液降溫的效果和優點，還能及時沖走刀尖及周圍鐵屑，起到油霧微量潤滑的效果。刀具雙腔式冷卻設計簡圖如圖5所示。

高壓氣體由進口1進入刀桿內腔，直接到刀尖部位噴出，進口2通入冷卻液或潤滑油（可以是高壓液體（潤滑油）或直接與冷卻液（潤滑油）容器相連的無壓溶液），由伯努利方程：

圖5 刀具雙腔式冷卻設計簡圖

圖6 刀具示意圖

可知，出口端的高壓氣體可將液體打成霧狀液體顆粒高速噴出，并在刀尖部位產生一個高、低壓區，實現微量潤滑的功效。

5 結論

機械式新型深孔鏜刀桿的氣液微潤滑多種冷卻方式，實現了優質、低耗、高效、節能的綠色加工，較小的刀頭結構可對深孔實現階梯式分段孔加工，提高刀具利用率，且制造成本低，雙腔式冷卻設計+減震設計，結構簡單。實踐證明，該刀桿可有效解決工件直徑小于φ40 mm、長度大于700 mm深孔/深盲孔的加工難題。

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