復合鉆風電大齒圈螺紋連接深孔加工工藝研究

趙明月

(太原重工股份有限公司 齒輪傳動分公司，山西 太原 030024)

0 引言

深孔是指長徑比(即孔深L與孔徑d之比)大于5～10的孔。深孔加工是機械加工中的一道難題，尤其是大深徑比的深孔加工，加工難點在于無法直接觀察刀具的工作情況，只能通過鐵屑的形狀、鉆削時的聲音及機床的振動來判斷加工是否正常，刀具剛性差、強度低，易引起刀具偏斜；散熱困難，排屑不易，經常產生直徑變大、出現錐形或孔偏斜等現象，從而達不到質量要求。

1 風電大齒圈螺紋連接深孔加工現狀

太原重工股份有限公司生產的風電大齒圈是海上風力發電機組關鍵部件增速器的核心零件，齒圈材質為18CrNiMo7-6，在直徑Φ2 645 mm圓上分布有36-Φ39 mm深610 mm的螺紋連接通孔(如圖1所示)，長徑比達15，粗糙度要求為Ra12.5，位置度要求為Φ0.5，零件最終熱處理后的硬度高達HRC35～HRC42。

圖1 風電大齒圈

實際生產過程中，選用高速鋼麻花鉆加工螺紋連接通孔，由于零件硬度較高，為了增加麻花鉆的強度和耐用度，在使用前對鉆頭進行修磨，將鉆頭外緣處的前刀面磨去一部分，使主切削刃外緣處的前角減小，如圖2所示。圖2中，γ1為修磨前的前角，γ2為修磨后的前角。鉆削時，切削轉速為50 r/min，進給為0.1 mm/r，鉆頭磨損較嚴重，每鉆一孔必須進行刃磨。刃磨時，需機床停機等待，且孔的加工質量差，粗糙度只能達到Ra25，孔內部有鐵屑劃傷痕跡，深度可達1 mm，在使用過程中容易產生應力集中。并且在鉆孔時由于刀尖崩刃造成側刃擠傷，鉆頭報廢率很高。鉆頭刃磨后的切削參數取決于上次的刃磨質量，給加工編程和工人操作造成困難，由于擔心加工過程中鉆頭發生斷裂，整個加工過程中工人精力高度集中，精神緊張，一天僅能加工10個孔，加工效率極低；甚至經直角尺檢查后發現孔有偏斜現象，零件翻身加工時兩側孔無法完全重合接通。

圖2 麻花鉆修磨示意圖

2 原因分析及加工工藝研究

2.1 原因分析

通過使用因果分析法進行分析，造成生產效率低、零件加工質量差的原因主要有以下幾點：

(1) 齒圈在最終熱處理后芯部硬度高達HRC35～HRC42，普通的麻花鉆材質為高速鋼，切削性能不能滿足加工要求，刀具易磨損，造成多次刃磨，刀具刃磨質量進一步造成切削加工的不穩定性，孔加工過程中易發生偏斜，導致雙面對接困難。

(2) 所加工孔的深度達到孔徑的15倍，屬于深孔加工范疇，孔加工過程中雙面加工均屬于盲孔加工，在孔內鉆頭鉆桿要占據很大一部分空間，排屑空間受到限制，而且切屑難以自動排出，切屑在孔內擠壓，從而劃傷已加工孔表面。

(3) 由于機床采用外冷方式，故冷卻能力有限，無法帶走最惡劣部位的熱量，冷卻效果差，產生大量的熱量并加劇刀具的磨損。

2.2 加工工藝

根據分析，為解決問題可從以下幾個方面進行：

(1) 結合目前刀具技術的發展，在考慮經濟性的情況下，選擇高速鋼中心鉆和硬質合金可轉位涂層刀片組成的復合鉆(如圖3所示)，中心鉆在復合鉆工作時起定心、導向作用，涂層刀片承擔主要的切削功能。鉆孔時，切削刃上各點的切削速度不同，鉆心處切削速度為零，隨著切削刃外緣直徑的增大，切削速度不斷增大，切削力不斷增大，切削熱越來越大，因此，在鉆心處選擇有較高彎曲強度的高速鋼中心鉆，鉆刃選擇有較高硬度、熱硬性和耐磨性的可轉位涂層刀片，如圖4所示。

圖3 復合鉆整體 圖4 復合鉆局部

(2) 為實現切削過程中的冷卻效果和及時沖出鐵屑的目的，選擇帶內冷的復合鉆，使冷卻液可直接噴射在主切削區。復合鉆工作時，冷卻液進入鉆桿，從鉆桿冷卻孔通過，由鉆頭的冷卻孔噴出，將孔內鐵屑沖出，達到刀刃冷卻、排屑順利的目的。

(3) 設計轉接接頭，改變機床的冷卻系統，將機床的外部冷卻系統通過轉接接頭(如圖5所示)的方式接入復合鉆冷卻接頭，滿足刀具內冷的需要。

圖5 機床冷卻轉接接頭示意圖

3 采用復合鉆加工工藝后的效果

根據復合鉆的加工特性，鉆孔切削轉速可達到800 r/min、進給可達0.2 mm/r，加工效率明顯提升，加工過程如圖6所示。加工后孔內粗糙度達Ra2.2(如圖7所示)，兩側孔對接后未發現接刀痕跡(如圖8所示)，滿足圖紙要求，更改為內部冷卻后再未出現復合鉆刀片崩刃及孔表面劃傷的現象。

圖6 加工過程 圖7 加工后孔內粗糙度 圖8 兩側孔對接質量

4 結語

經過對兩種加工方案的加工時間及加工效率、加工質量的對比，采用復合鉆加工風電大齒圈螺紋連接深孔屬于優選方案，可以進行推廣應用。