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深孔钻削稳定性研究及应用

来源：信息中心　时间：2009-2-1 10:24:23

前言

深孔钻削在机械加工中占有非常重要的地位，但由于有一些技术问题尚未解决，至今仍是金属切削加工的“瓶颈”工序。在深孔加工中，常常发生钻头刀齿突然崩刃或断齿，即钻头破损，其结果是工件孔表面损伤，钻杆扭弯、断裂，甚至机床被损坏。破损是深孔钻最主要的损坏形式，其破损耐用度主要取决于刀刃受冲击的次数和力度，即深孔钻削稳定性，特别是入钻和出钻的稳定性。根据实际应用情况统计，近80%的钻头早期破损都发生在入钻或出钻时。因此，深孔钻削稳定性将直接影响钻头耐用度和钻孔质量。现有的深孔钻有深孔麻花钻、枪钻、单刃内排屑深孔钻和多刃错齿内排屑深孔钻等。其中多刃错齿内排屑深孔钻以其分屑可靠，切削力平衡，刀齿可分别选配材料等优点，成为目前国内外应用最广的一种深孔钻，本文就基于此种钻头进行研究。

L——钻杆长度

F_x——轴向力

E——弹性模量

I——惯性矩

式中E、I为常量，X(u)只与钻杆长度L和轴向力F_x有关，L，F_x增大，X(u)相应增大。在入钻时，轴向力F_x从零增加到较大，放大系数X(u)也不断增加，钻杆挠度转角亦不断地被放大，当切削刃全部切入时，转角达到较大。由于钻头与导向块之间有间隙，钻头相对于工件端面发生倾斜，这就相当于在斜面上钻孔(见可以有效地降低钻尖高度(见C630改装深孔钻床。

试验钻头：Ø58.4尖齿内折线刃深孔钻头和Ø58.4普通深孔钻头各10支。

工件材料：40CrNiMo5 250HB～300HB。

切削用量：主轴转速n=230 r/min；进给量v_f=0.03mm/r～0.15mm/r。

测量仪器：SD375动态分析仪、Y6D—3 A动态电阻应变仪、LZ3函数记录仪、测力传感器和位移传感器等。

试验方法

测量两种钻头切削力值，见表1。

测量瞬间轴向力变化情况。

测量两种钻头在钻削过程中钻杆的振幅，对比曲线如图5所示。

测量两种钻头的钻削长度。

测量两种钻头的钻孔精度。

试验结果分析

由表1可以看出，随着进给量的增加，两种钻头的轴向力和扭矩相应增大。尖齿内折线刃深孔钻比普通深孔钻轴向力平均降低20.1%，扭矩平均降低17.4%，而且随着进给量增加，新型钻头切削力增加较为缓慢。
根据函数记录仪所记录下的轴向力瞬间变化情况，当进给量突然增大时，两种钻头的轴向力均呈周期性变化，但新型钻头的波峰值始终小于普通深孔钻，而且波动幅度也小于普通深孔钻，这说明尖齿内折线刃深孔钻的钻削稳定性优于普通深孔钻。产生这种效果的主要原因是中间齿是尖齿和有减振块，加强了定心作用。
图5是两种钻头钻削过程中钻杆振幅量的对比曲线。图中A、B、C点分别为中心齿、导向块、减振块钻入时钻杆的振幅量。显然，由于尖齿内折线刃深孔钻钻尖高度低、中间齿是尖齿，入钻和整个钻削过程的振动均小于普通深孔钻，而且在C点之后，即减振块进入工件后，钻头还有一个减振稳定过程，使钻削扭矩迅速减弱到正常水平，而普通深孔钻没有这一过程。出钻时，在D、E之间，普通深孔钻振动加剧，振幅增大，而新型钻头由于各刀齿高差小，几乎同时透钻，且又有减振块的保护，可以平稳出钻，钻杆振幅很小。
根据两种钻头钻削路程长度对比试验，由于尖齿内折线刃深孔钻钻削稳定性好，平均钻削路程长度达16.16m，高于普通深孔钻近一倍。
两种钻头钻孔精度比较，尖齿内折线刃深孔钻钻孔圆度误差比普通深孔钻小3µm左右，孔径误差小0.04mm，尺寸精度可达IT7级～IT8级。新型钻头钻孔表面质量好，加工表面光滑，无螺旋刀痕，表面粗糙度在R_a1.0～R_a3.2之间。

4 结论

深孔钻削稳定性直接影响深孔钻头的耐用度和钻孔质量。
深孔钻削稳定性主要受切削力变化影响，其次还取决于导向套与钻头间隙。
钻尖高度直接影响深孔钻削入钻和出钻的稳定性。
按钻削稳定性原则设计的尖齿内折线刃深孔钻，可以有效地提高深孔钻削的稳定性。经对比试验证明，钻削平稳，钻头耐用度和钻孔精度高，其设计思想可作为今后深孔钻合理设计的参考基础。

表1 切削力对比试验数据
转速n r/min	进给量v_f mm/r	新型钻头与普通钻头扭矩之比 %	新型钻头与普通钻头轴向力之比 %
230	0.03	85.9	84.3
230	0.08	83.5	76.7
230	0.15	78.3	78.6
1.普通深孔钻 2.尖齿内折线刃深孔钻图5 钻杆振幅对比曲线

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