什么叫深孔?
深孔是指孔深與孔徑比L/d≥5的孔，是機(jī)械加工中的一道難題，尤其是大深徑比的深孔加工，難點(diǎn)在于刀具細(xì)長，剛性差、強(qiáng)度低，易引起刀具偏斜，且散熱困難，排屑不易，經(jīng)常產(chǎn)生直徑變大、出現(xiàn)錐形或孔偏斜等現(xiàn)象，從而達(dá)不到質(zhì)量要求。
本文介紹的航空發(fā)動(dòng)機(jī)某噴嘴類零件，孔徑為Ф6mm，孔深為105mm，深徑比達(dá)17：1。超大的深徑比更增加了此零件的加工難度，為了加工出合格孔，需制定合理的加工方案，選擇合適的加工設(shè)備和刀具。筆者經(jīng)過試件的試切加工，選擇合適的加工參數(shù)，確定了合理的加工方法。
一、零件簡介
某噴嘴類零件，總長為105mm，桿部內(nèi)孔為φ6+0.12mm，壁厚為2mm，表面粗糙度為Ra3.2μm，深徑比為17：1，屬于深孔加工的零件，其材料為難加工的GH4169。這類高溫合金孔加工相對于一般鋼材切削加工，刀具壽命要低50%以上，且加工效率低，成本高。高溫合金孔加工主要難點(diǎn)是：①切削力大，消耗機(jī)床功率大;②孔加工是半封閉的切削，產(chǎn)生的高切削熱和切屑難以及時(shí)排出，遠(yuǎn)離刀尖，刀具磨損更為劇烈;③用普通的鉆削方法難以確保高溫合金孔的精度要求。④高溫合金孔加工中，刀具磨損比加工普通鋼材快得多，且需要切削性能更好的刀具材料。為了解決以上加工難點(diǎn)，加工此深孔時(shí)，必須選擇合適的加工設(shè)備和刀具，確保零件的加工精度。
二、加工工藝設(shè)計(jì)和分析
零件深孔加工選用常規(guī)的鉆削方式，需加長麻花鉆，而且要斷屑加工，不僅加工精度低、表面粗糙度差,加工效率低、操作者勞動(dòng)強(qiáng)度大、質(zhì)量難以確保，而且很容易引起堵屑或折斷鉆頭，造成更大的加工困難，因此刀具選擇深孔加工專用刀具。設(shè)備的選用考慮到本公司產(chǎn)品類型多，深孔加工產(chǎn)品結(jié)構(gòu)差異大，且生產(chǎn)批量較小，不可能購置深孔加工專用機(jī)床，為了更好地確保深孔精度要求，結(jié)合工廠實(shí)際，選擇合適的加工設(shè)備來滿足深孔加工的技術(shù)要求。
1.刀具的選擇
深孔加工的刀具有多種，如槍鉆、噴吸鉆、套料鉆、硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位深孔鉆、內(nèi)排屑深孔鉆和亞干式深孔加工系統(tǒng)等類型。
噴吸鉆適用于經(jīng)改裝的車床、臥式加工中心，易加工工件材料;套料鉆、內(nèi)排屑深孔鉆的鉆孔直徑不適合鉆加工Ф6mm的小孔;硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位深孔鉆一般小鉆削直徑為Ф20mm;而亞干式深孔加工系統(tǒng)主要是利用壓縮空氣進(jìn)行排屑和冷卻，使用霧化切削液進(jìn)行潤滑，需專用的加工設(shè)備，不適合本廠的加工情況。而槍鉆適用于加工Ф2～Ф20mm、長徑比L/D>100、表面粗糙度Ra6.3～Ra0.4μm、精度H7～H10級的深孔。
經(jīng)對上述幾種深孔加工刀具的對比及本廠的實(shí)際情況，研究決定采用槍鉆進(jìn)行此深孔的加工。槍鉆的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。槍鉆由硬質(zhì)合金鉆尖、鉆桿和刀柄三部分組成。槍鉆鉆尖上開有油孔，以加強(qiáng)鉆頭冷卻潤滑和使切屑順利排出，并選擇韌性和抗振性均較佳的硬質(zhì)合金作為基體，表面可涂TiC或TiN，以提高鉆頭的硬度和抗磨損性;鉆桿一般選用40Cr無縫鋼管。其原理是高壓油由鉆桿后部中孔注入，經(jīng)腰形孔到達(dá)切削區(qū)后迫使切屑隨切削液由V型槽與工件孔壁間空間排出，故稱外排屑。此類深孔鉆前角一般為0°，以便制造。它無橫刃，鉆尖偏離軸線，鉆孔時(shí)鉆尖前方形成小圓錐，可使切屑在鉆尖處斷離為兩段，使之較易排出。
2.設(shè)備
槍鉆是用來鉆削回轉(zhuǎn)工件中心上的孔，加工時(shí)，通常是工件旋轉(zhuǎn)，鉆頭作直線進(jìn)給，較適用于加工中心及配備高壓冷卻系統(tǒng)的車床與立式機(jī)床、刀具或工件旋轉(zhuǎn)場合。綜合考慮槍鉆加工的應(yīng)用場合及公司現(xiàn)有設(shè)備情況，在此零件加工時(shí)，筆者選擇了車銑復(fù)合加工中心，此設(shè)備既可實(shí)現(xiàn)零件旋轉(zhuǎn)，又配備高壓內(nèi)冷系統(tǒng)，滿足槍鉆的應(yīng)用場合?？梢赃M(jìn)行鉆孔加工。
3.槍鉆引導(dǎo)孔加工
槍鉆屬于非平衡鉆頭，不平衡的槽形意味著切削力不平衡。為了減少鉆頭周邊的徑向切削力，需要靠導(dǎo)套或引導(dǎo)孔分擔(dān)。典型的槍鉆機(jī)床上配有槍鉆引導(dǎo)套，而本例所選的車銑加工中心不是槍鉆專用機(jī)床，沒有配備導(dǎo)套，且沒有夾具，無法設(shè)計(jì)導(dǎo)套。因此，筆者考慮用鉆削引導(dǎo)孔的方式來平衡槍鉆切削力。通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出：槍鉆引導(dǎo)孔的深度應(yīng)為1～2倍槍鉆直徑，直徑應(yīng)比槍鉆鉆頭直徑大0.004～0.012mm較合適。
4.工藝試驗(yàn)與分析
深孔加工工序草圖如圖3所示，用軟三爪裝夾，以定位，夾緊，按車端面→鉆導(dǎo)向孔→鉆深孔的順序進(jìn)行零件的深孔加工。鉆導(dǎo)向孔時(shí)，以不同廠家的鉆頭按不同切削參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)加工;鉆深孔時(shí)，我們選擇了伊斯卡的槍鉆，以不同的加工方法和不同的切削參數(shù)進(jìn)行了多個(gè)孔的鉆削試驗(yàn)。
1)引導(dǎo)孔加工
鉆引導(dǎo)孔時(shí)，在滿足槍鉆引導(dǎo)作用的前提下，筆者也兼顧了刀具成本問題，分別選擇進(jìn)口的伊斯卡中空內(nèi)冷合金鉆頭和國產(chǎn)的四平合金鉆頭進(jìn)行了試切加工。經(jīng)過多個(gè)孔的試驗(yàn)加工，發(fā)現(xiàn)進(jìn)口刀具切削參數(shù)比國產(chǎn)刀具要高許多，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到2500r/min，進(jìn)給率為50mm/min，而且較抗磨損，但費(fèi)用較高;國產(chǎn)刀具的切削參數(shù)偏低，轉(zhuǎn)速為600r/min，進(jìn)給率僅為20mm/min，加工效率遠(yuǎn)低于進(jìn)口刀具，費(fèi)用同樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于進(jìn)口刀具的費(fèi)用。經(jīng)試驗(yàn)，兩種刀具的加工質(zhì)量相似。因?yàn)榇肆慵呐啃∏壹庸ぜ?shù)少，在滿足加工質(zhì)量的前提下，我們選擇了費(fèi)用較低的四平合金鉆頭。
2)深孔加工
深孔加工我們采用了兩種加工方案進(jìn)行試驗(yàn)加工：一種是進(jìn)入導(dǎo)向孔和退出深孔時(shí)，均采取小于鉆削時(shí)轉(zhuǎn)數(shù)和進(jìn)給率的方法進(jìn)行深孔加工;另一種是以較低轉(zhuǎn)數(shù)和進(jìn)給率反轉(zhuǎn)進(jìn)入導(dǎo)向孔，以零轉(zhuǎn)數(shù)和G0的速度快速退出深孔的加工方法。經(jīng)過試驗(yàn)加工發(fā)現(xiàn)：一種加工方法加工效率低且零件表面質(zhì)量差，而第二種加工方法，加工效率高且質(zhì)量較好。因此，在確保足夠冷卻壓力的情況下，選擇第二種加工方法進(jìn)行了刀具壽命試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，1把槍鉆加工到第4件零件時(shí)，加工聲音異常，于是調(diào)低進(jìn)給倍率為90%，繼續(xù)加工，可順利完成第4件和第5件的加工，但加工到第6件時(shí)，加工到孔深78mm時(shí)，鉆頭折斷。經(jīng)過試驗(yàn)，在調(diào)低進(jìn)給倍率的情況下，1把槍鉆加工5件零件，可防止鉆頭折斷。
在某些加工范圍內(nèi)，槍鉆能解決麻花鉆不能解決的深孔和高精度孔加工問題，可鉆出一個(gè)直線度高、表面粗糙度好的孔。而且在固定所有因素，如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和冷卻液壓力后，深孔鉆這個(gè)工序便成為一個(gè)簡易的“標(biāo)準(zhǔn)”工序，不受操作員技術(shù)的影響，只要是一個(gè)高質(zhì)量的槍鉆便可在生產(chǎn)過程中提供一致的表現(xiàn)。它不僅適用于專用槍鉆機(jī)床，同時(shí)在高壓內(nèi)冷和導(dǎo)向滿足的情況下也適用于車銑復(fù)合加工中心和數(shù)控車床，經(jīng)濟(jì)適用性強(qiáng)，有一定的推廣價(jià)值。
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