可轉位深孔鉆導向塊的設計

陸振華，袁躍峰，張玉蓮，李 斌，王 偉

(浙江海洋大學船舶與機電工程學院，浙江 舟山 316022)

隨著中國經濟的不斷發展，人們對機械加工的精度要求不斷提高，對零部件的精度要求也越來越高。在金屬切削加工總量中，大約1/3是孔加工，而深孔加工又占到孔加工的1/3[1]。由此可知，深孔加工在機械制造業里占據著舉足輕重的地位[2]，尤其是在塑料機械、汽車、高鐵、航空航天、船舶、石油化工、軍工等產業中深孔加工技術尤為重要。深孔是指孔深和孔徑之比大于5的圓柱孔[3]。在深孔加工中，可轉位深孔鉆的應用最為廣泛，目前我國在高效、高精可轉位深孔加工技術方面與歐美發達國家相比仍有較大差距，可轉位深孔鉆國產化迫在眉睫，因此對可轉位深孔鉆的研究就顯得非常重要。導向塊是可轉位深孔鉆的重要組成部分，起著定心等關鍵作用，對深孔加工的質量、效率有重要的影響。在可轉位深孔加工過程中，導向塊的磨損最嚴重，急需開發耐磨損導向塊。

1 可轉位深孔鉆的工作原理

可轉位深孔鉆的加工性能優越，它的排屑方式為外冷內排屑。在孔加工過程中，切削液通過鉆桿與鉆孔之間的間隙流到刀體的頭部，在冷卻的同時將產生的切屑帶走。因為深孔鉆的刀刃錯開分布，所以在孔加工過程中不僅具備了良好的分屑性能，同時還能提供較高的穩定性。此外在孔加工的過程中，通過導向塊的擠壓，可以在孔表面形成一層致密的保護層[4]。可轉位深孔鉆由刀體、刀片和導向塊3部分組成。該深孔鉆的刀頭結構簡單，鉆頭上的刀片是可以更換的，刀體的主體部分可以長期使用，所以能夠以較低的成本實現大批量快速生產。刀體依靠方牙螺紋與強度很高的鉆桿相連接，有利于保證深孔加工的精度。可轉位深孔鉆的主要不足之處是受結構限制難以用于小直徑深孔的加工。

2 導向塊的工作狀態和力學分析

2.1 導向塊的工作狀態分析

如圖1所示，可轉位深孔鉆有兩個導向塊：前導向塊和后導向塊。前導向塊比較靠近中心齒，后導向塊比較靠近中間齒。導向塊在深孔加工過程中起到打磨孔內表面的作用,所以想要加工出較高質量的孔表面，導向塊至關重要。在打磨孔表面的時候，導向塊承受著孔壁帶來的很大的擠壓力，一旦導向塊的質量不過關，就很容易損壞。

圖1 導向塊工作狀態

2.2 導向塊的力學分析

本文以布置兩個導向塊的可轉位深孔鉆為例進行分析，兩個導向塊的夾角為90°。由圖2可知[5]，導向塊1承受的力分別為正壓力N1和摩擦力Ff1，導向塊2承受的力分別為正壓力N2和摩擦力Ff2。在深孔加工過程中，導向塊的受力可以視為F1和F2。Fx與Fy的合力F與x軸正方向的夾角為λ,導向塊1與x軸正方向的夾角為θ1，導向塊2與x軸正方向的夾角為θ2[6]。

圖2 導向塊上作用的力

由圖2可得：

(1)

由徑向力的平衡，可得∑Fx=0，∑Fy=0，即：

Fcosλ-F1cos(θ1+β)+F2cos(θ2+β)=0

(2)

-Fsinλ+F1cos(θ1+β)-F2cos(θ2+β)=0

(3)

式中：β為正壓力與作用力之間的夾角。

通過式(2)、(3)的計算，可得：

F1=

(4)

F2=

(5)

由式(4)、(5)可得以下結論：

當|θ2-θ1|=90°時，F1和F2取值最小。一旦λ=90°，F1為負值，深孔鉆的鉆削就呈現一種不平衡的狀態。

當|θ2-θ1|在90°～180°時，F1和F2的值為正值，系統的鉆削是一種平衡狀態。

當|θ2-θ1|=180°時，F1和F2的值趨向于無窮大，可轉位深孔鉆的鉆削就不能保持平衡了。

當|θ2-θ1|>180°時，F1和F2的值為負值，導向塊受到了一股拉力，這種情況不可能出現在鉆削過程中。

3 新型導向塊制備和實驗

3.1 2種新型導向塊形狀設計

新設計的兩種導向塊外形如圖3和圖4所示。

圖3 導向塊外形一

圖4 導向塊外形二

3.2 4種新型導向塊材料

材料1：Al2O3-TiCN陶瓷，如圖5所示。Al2O3-TiCN陶瓷通過加入少量的黏結金屬Ni、Mo等，提高了刀具本身的強度。該陶瓷刀具適合切削耐磨鑄鐵，常使用在粗加工中[7]。

圖5 材料1制作的導向塊

材料2：Al2O3-ZrO2陶瓷，如圖6所示。這是一種新型材料，應用的領域非常廣泛。ZrO2具有較高的韌性,可提高Al2O3陶瓷的斷裂韌性。TiC、TiN顆粒的結構比較特殊，能夠有效地提高Al2O3陶瓷的硬度和導熱性能。該材料耐磨損能力特別強，非常適合用于制作耐磨損的刀具。Al2O3-ZrO2陶瓷材料將會因為其較高的耐磨損性能在很多領域得到運用[7]。

圖6 材料2制作的導向塊

材料3：硬質合金覆蓋釩硅氮涂層。將舊的導向塊表面涂層打磨掉并清洗干凈，然后在導向塊的表面覆蓋上一層釩硅氮涂層，如圖7所示。纖維結構的釩硅氮涂層使刀具表面更加致密，使得刀具的硬度得到提升。同時，在深孔鉆削開始時導向塊與孔壁會發生較強烈的摩擦從而產生大量的熱，由于釩是非常容易被氧化的，摩擦產生的熱能夠使得導向塊工作表面很快地形成釩的氧化物，使得導向塊在加工過程中遇到的摩擦阻力降低。釩硅氮涂層的導向塊不僅具備了高硬度、高密度的特性，在深孔鉆削的過程中還極大地降低了摩擦阻力，有效地降低了崩刀現象發生的概率[8]。

圖7 材料3制作的導向塊

材料4：硬質合金覆蓋氮化鉻鋁涂層。硬質合金具備較好的耐沖擊性能、抗壓性能和耐磨性能，使它能夠被當作導向塊的基體材料，如圖8所示。具備氮化鉻鋁涂層材料的刀具在機加工的過程中會形成一層保護性的氧化膜，這層膜能夠大大地提高刀具的抗氧化性能。氮化鉻鋁涂層還能大大地提高刀具的硬度，因此氮化鉻鋁很合適應用在導向塊上[9]。

圖8 材料4制作的導向塊

3.3 新型導向塊的性能

3.3.1實驗條件

為了獲得4種不同材料制作的導向塊在實際深孔加工中具體的工作性能，將每種導向塊安裝到可轉位深孔鉆上，進行相關的深孔加工，以觀測導向塊在實際加工中的性能。具體實驗條件見表1，其中工件為38CrMoAl圓棒料。

表1 實驗條件

3.3.2實驗結果與分析

實驗1：Al2O3-TiCN陶瓷導向塊在深孔鉆削5min后出現了破損，導向塊磨損程度比較大，但其主體結構并未有太大的變化，如圖9所示。Al2O3-TiCN陶瓷導向塊磨損快是由于表面沒有覆蓋涂層，通過覆蓋導向塊表面涂層可以減少磨損。

圖9 實驗1磨損情況

實驗2：Al2O3-ZrO2陶瓷導向塊在加工中體現的性能比較差。導向塊在實際加工實驗中出現整體破損，原因可能是因該陶瓷加工工藝的不完善導致其結構不穩定。

圖10 實驗2磨損情況

實驗3：在深孔鉆削加工結束后，覆蓋在硬質合金導向塊上的釩硅氮涂層出現了剝落，但是導向塊整體并沒有發生形變，基體也只有少許的磨損。涂層脫落的主要原因是舊的基體材料表面未清理干凈和有污漬，導致新覆蓋的涂層材料和基體材料之間沒有很高的黏接強度。

圖11 實驗3磨損情況

實驗4：覆蓋氮化鉻鋁涂層的硬質合金導向塊實現了可重復使用，1個該類型的導向塊可完成加工10根棒料的工作，導向塊磨損掉的厚度為0.030mm。新硬質合金導向塊表面覆蓋的氮化鉻鋁涂層，實驗結果發現磨損較小，說明對導向塊表面涂覆氮化鉻鋁有利于提高耐磨損性能。

圖12 實驗4磨損情況

4 結束語

覆蓋氮化鉻鋁涂層的硬質合金導向塊耐磨損性能較好、質量好、使用壽命長、性價比高。可轉位深孔鉆導向塊采用硬質合金基體并進行氮化鉻鋁涂層的設計思路是可行的、有效的，能提高可轉位深孔鉆的加工精度和效率、降低加工成本，有著廣闊的應用空間。該導向塊的應用范圍及后續系列產品的開發還有待進一步的研究。