热压板的深孔加工

0 引 言

通常我们把孔深L与直径d之比大于5，即L/ d＞5的孔称为深孔，深孔钻削在机械加工中至今仍处于发展中，加工技术还不够成熟。热压板是人造板压机中的一个主要零件，在其横向需钻削热介质通道，这些孔道长径比一般为50～100，材料以Q345B为主，孔径为Ø20～42 mm，孔深为1 300～3 000mm，如图1所示为中密度纤维板压机中的热压板，孔的长径比达85，深孔加工排屑困难，切削热不易散出，加之钻杆长、刚度差、易振动、导向性差，故加工孔的直线度难以保证，严重时会钻通热压板的上表面。

因此，采用合理的深孔加工方法，对于提高深孔加工质量与效率是十分重要的，我公司多年来一直致力于热压板深孔加工技术的研究，对深孔加工钻头的设计及加工中常见问题的处理方面取得了较为满意的成果，现介绍如下。

图1 中密度纤维板压机中的热压板

1 热压板深孔加工方法及主要参数的选择

1.1 热压板深孔加工系统的选择

深孔加工系统是以深孔加工中所用的冷却、排屑装置来分类的。目前，国内、外常用的深孔加工系统有枪钻系统、BTA系统、喷吸钻系统和DF系统。根据热压板深孔的特点，我们采用的是BTA内排屑系统。BTA钻头切削力分布均匀，分屑、断屑性能好，钻削稳定可靠，钻削出的深孔直线度好，适合加工孔径大于18 mm，长径比小于100的孔。图2所示为内排屑深孔钻床结构，主要由床身、主轴箱、进给传动箱、中心架、授油器、钻杆联结器、液压及冷却系统、排屑装置、油屑分离装置等组成。主轴箱及进给箱均由交流变频电机驱动，都具有无级调速功能。授油器除了具备导向功能外，还提供向切削区输油的通道。其工作原理是：切削液在较高的压力下（2～6MPa）下通过授油器从钻杆外壁与工件孔壁间的空隙进入切削区以冷却、润滑钻头，并将切屑经钻头前端的排屑孔冲入钻杆内部，向后排出。这种排屑方式，其通道截面较大，排屑顺畅，且钻杆外径可以做得较大，刚度好，有利于提高进给量。

图2 内排屑深孔钻床

热压板深孔直径为Ø20～42 mm，可采用3刃错齿内排屑钻头，一般直径低于65 mm可采用焊接式结构，如图3为焊接式钻头，其结构特点如下：

图3 焊接式钻头

（1）刀体上分布有外齿刀片、中间齿刀片（兼导向块）、内齿刀片、1个导向块和双面排屑孔，并通过刀体上的多头矩形螺纹与空心钻杆联接。

（2）钻芯部分是由中心齿的内刃形成， 钻尖相对于钻孔轴心线偏移了一段距离e，加工时钻芯处刀刃低于钻尖处刀刃，因此会形成一个导向芯柱，使钻头具有较好的导向性，钻孔时不易偏斜，该导向芯柱增长到一定长度后会自行折断并随切屑一起排出。

（3）主刀刃采用非对称的分段、交错排列形式，并保证有一定的搭接量，可保证分屑可靠，并在主刀面上磨有断屑台以形成理想的“C”形切屑，便于切屑顺利排出。

孔径范围在25～65 mm深孔还可采用机夹式可转位不重磨钻头，虽然单价昂贵，但是性能可靠，使用寿命长，生产效率高，对于加工批量大的用户可采用。

1.2 刀具材料的选用

深孔钻刀片材料主要取决于工件材料的性能，不同的工件材料应选用相应的硬质合金。中心齿所受的轴向力大，挤压摩擦严重，应考虑选用抗弯强度高，抗冲击性好的YG类或YW类硬质合金刀片；而外齿和中间齿由于切削速度较高，应选用红硬性好，耐磨性高的YT类合金，导向块应选用耐磨性高的YT类材料。热压板材料一般为碳钢和低合金结构钢，是比较容易切削的材料，刀片材料牌号的选择一般为：导向块用YT5，钻头三个齿全部采用YT789 。

1.3 钻头主要几何参数的选择

（1）钻头的基本直径D：钻头直径D可取加工孔的最小极限孔径加上孔径公差值的2/3，钻头公差按h6选取。

（2）切削刃前角γ：切削刃前角的选择应考虑工件材料与刀具切削部分材料。一般外刃前角为γ=0°，对于加工韧性好的材料，可取3°～6°，磨断屑台时应予以保证。内刃磨成负前角，一般为-3°～-10°，其作用在于增加中间刃的强度。

（3）切削刃后角α：增加后角可以减小摩擦。切削刃后角取值，要考虑工件材质和进给量，一般外刃后角α取8°～12°。靠近钻心的内刃，由于切削速度减小，内刃的后角应取大一些，可取12°～15°。

（4）余偏角ψ：余偏角ψ的大小直接影响切削力的分配及断屑效果。适当地减小余偏角，可使径向力减小，有利于切屑的折断，使排屑顺畅。通常外刃余偏角ψr为18°，内刃余偏角ψrt一般应比外刃余偏角大，可取20°。这样，不仅可使径向力始终压向导向块一边，还可避免刃磨时碰伤中间齿。

(5)刃倾角λ：刃倾角的大小可以控制流屑方向。一般外刃的刃倾角λ=0°，内刃应磨出一定的刃倾角，通常端面刃倾角λt为5°～8°。

(6)偏心量e：一般取e=0.1D。

1.4 切削用量的选择

当确定了刀具的几何参数后，还需选定合理的切削用量才能进行切削加工。切削用量的选取对切削加工的生产效率、加工成本和加工质量有很大的影响，目前可根据瑞典山特维克公司推荐的BTA实体钻切削用量（见表1）来初选刀具进给量f及切削速度v，然后经工艺试验进行修正，以形成良好的切屑形态为标准，再选定最佳的切削用量。

表1 瑞典山特维克公司推荐的切削用量

1.5 切削液的选择

切削液在深孔加工中起冷却、润滑、排屑、减振和消声等作用。选用时要综合工件材质、周围环境及切削条件，不同的条件应选择不同的切削液。热压板深孔由于长径比大，切削过程中热量不易散出、温度高、磨损严重。因此所用的切削液，除了具备良好的冷却、润滑作用外，还需要较好的流动性，粘度不宜过高，以利于加快流速和冲刷切屑，流速一般为8～12m/s。根据热压板的特点，选用马思特公司的TRIM OM350C切削油，它含高效的矿物油，含有高效合成酯型添加剂，具有很好的极压润滑性，能抑制积屑瘤的产生，为深孔加工提供良好的润滑性和冷却性。使用切削液时还应注意以下几个方面：

（1）要有合适的压力与流量。只有合适的压力与流量才能保证切削液输送到切削区域起冷却、润滑、强制排屑的作用，所需的压力和流量与刀具直径、工件材质 、孔深、加工方法有关，流量与压强的取值可根据表2中推荐范围内选取。

表2 内排屑深孔钻切削液的压力与流量参考

（2）散热要充分。切削液在使用中如散热不充分，会引起温度上升，不仅会影响冷却效果，还会使切削油老化。一般进油温度低于40℃，回油温度低于50℃。为控制切削液的温升，一般用加大外部冷油箱的方法，油箱体积一般为系统冷却泵额定流量的20～25倍。

（3）要充分过滤。不清洁的切削液会导致破坏导向块表面的润滑膜，也容易使液压泵及阀门过早磨损，因此必须对冷却液进行充分过滤。一般要经过粗滤、精滤，其处理方法是，切削液回切屑收集箱后通过高速离心机完成切屑和油液分离，再经过磁过滤器、纸带过滤器进行超精过滤后进入储油箱。

2 深孔加工中常见问题的处理

2.1 内排屑深孔加工中的堵屑问题

在内排屑钻削过程中，细长的卷屑在出屑口喉部交汇时，很容易互相纠缠而堵塞出屑口。而出屑口一旦被堵塞，后续的切屑很快被压实，此时操作者如未能及时发现并立即关机，将会发生钻头崩刃、钻杆损伤等事故。因此，应采取可靠的手段进行断屑及控制切屑的形状来降低切屑的容积系数，以利于排屑。可采用以下措施进行切屑处理：

表3 断屑台几何参数推荐

(1)改变刀具角度和切削用量：适当减小前角γ0，可使切屑与前刀面的接触长度变短，从而使切屑变形，促使切屑折断，内刃由于不能磨出断屑槽，可采用负前角；适当减小余偏角ψ0或增大进给量f，使切屑厚度增加，促使断屑。

(2)磨制切屑台：根据工件材质合理选用断屑台几何参数以控制切屑卷曲程度，取得有利于排屑的“C”形切屑。对于低碳钢及低合金钢，可采用直线圆弧型断屑台，见图4，切削台一般采用外斜式，倾斜角τ=2～6°，在v=1.1～1.8m/s，f=0.14～0.36mm/r，工件材料为碳素结构钢时，几何参数可根据表3进行选取，在使用中应先对加工材质、切削用量和设备条件的实际情况进行试验，然后对断屑台的几何参数进行必要的修正。

图4 直线圆弧型断屑台

(3)适当增加切屑液的压力与流量：切屑液应有必要的压强和流量，油压、流量的匹配，以能实现正常的排屑。

(4)采用高强度材料作刀体及钻杆：采用强度高的材料可以适当增大刀体排屑孔直径。我们原采用45钢（调质）作钻杆及刀体材料，取排屑口直径D0=0.55D，加工中经常出现堵屑而使钻杆折断，后改用高强度钢35CrMnSiA，并调质处理至330HB，调质后校正作定性处理，取D0=0.65D，增大了排屑口直径，改进后排屑状况明显改善。

2.2 深孔加工孔轴线偏斜的因素及控制

深孔加工时发生轴线偏斜是难以完全避免的，深孔的长径比大于50，孔轴线偏斜一般无法预测和控制，孔偏斜至一定程度后，就开始急剧变化引起直线度超差。技术上要求热压板表面在使用中温差不超过±3℃，温差增大将直接影响人造板产品的质量，造成热压板表面温差过大的原因之一是热压板加热孔道中心线倾斜。因此，热压板中每条加热孔道中心线都应在同一水平面上，并且每条加热孔道要互相平行。因此控制热压板深孔直线度是提高人造板设备出板质量的必要条件之一。

2.2.1 影响深孔轴线偏差的因素

(1)机床：主轴回转中心与钻杆夹头、导向套中心、授油器中心、中心架孔中心之间的同轴度误差以及主轴磨损、钻套与钻杆的间隙、机床导轨的直线度误差等都会直接影响钻头的导入，造成钻杆进给时产生弯曲变形而导致被加工孔偏斜或弯曲。因此保证机床的上述精度指标是十分必要的。

(2)工件：工件材质不均匀、 工件端面与钻头不垂直。在深孔钻削中，倾斜的工件端面对孔轴线偏斜的影响较大，其原因是在入钻时倾斜的工件端面使钻头两侧的切削力不平衡而使径向力增加，导致轴线偏斜。

(3)刀具：刀具第一导向条棱角处相对于外齿拐角点的滞后量为（3～5）f，第二导向条如与第一导向条保持齐平或稍有滞后。滞后量过大会加大孔的偏斜，并使孔径扩大。钻头旋转进给时，如果钻杆刚度差，或由于某些原因使钻头切入时偏离预定路线，它就会继续偏斜下去以至无法纠正。

2.2.2 为控制孔轴线偏移量，可采取如下措施：

(1)提高导向精度：导向精度取决于授油器中心与机床回转中心的同轴度以及导向套内外定位面的同轴度和导向孔与钻头的配合精度。导向套材料一般选用高强度合金钢，淬火硬度在55HRC以上。钻套内径与钻头之间的间隙对深孔钻切入阶段的正常工作有重大影响，间隙过大会加大钻头走偏。根据经验，对于直径50 mm以下的钻头，新钻头与新导向套之间的间隙应不大于0.01 mm，已磨损的导向套，其直径的最大磨损量应控制在0.005 mm范围内，超过时应及时更换。

(2)合理布置导向块位置角：在选择导向块位置角时，要考虑钻头的稳定度，导向块的分布原则是要求合力作用在两导向块之间，并且尽量使两导向块的压力相等。如图5，一般取δ1=5±5°，δ2=0±5°。

图5 导向块位置角的布置

(3)提高钻杆刚度：提高钻杆刚度是改善深孔钻削过程中孔线偏斜量的一个重要因素。为提高深孔钻削的刚度，除在头部设有导向套外，可在钻杆中部安装可沿导轨移动的中心架。

(4)提高工件质量：在深孔加工前，对工件进行热处理以使组织均匀，根据先面后孔原则，两平面与两侧面要铣削加工，保证侧面和上下平面垂直。这样可以保证入钻时钻头与工件端面垂直，减小工件因硬度不匀对钻孔轴线偏斜的影响。

(5)根据钻孔轴线偏斜趋势及时调整工艺：不同材料和不同直径孔中心线偏斜的情况不同，如图6所示是在深孔试验中加工10-φ40测出其中4个偏斜量较大孔的偏斜图，其加工状态及数据见表3，由图6可知孔深在小于1 600 mm时轴线斜处于正常偏斜阶段，偏斜量可以预测和控制，孔深超过1 600 mm则处于急剧偏斜阶段，是无法预测和控制的。因此，应该避免钻削进入此阶段。因此在加工材料为Q345B，孔径φ40的热压板要据直线度要求采用以下方法纠偏：如孔深不超过1 600mm, 并且试验中此处的最大偏斜量未超差，则采用一次钻通；如孔深超过1 600mm，在钻削至1/2长度时，将工件卸下调头，从另一侧重新开始钻孔与原孔接通。

图6 测试孔轴线偏斜

表3 试板上表面至深孔顶端母线厚度的数据

(6)调整刀具几何参数纠偏：采用对接工艺后孔轴线偏斜量仍超差时，可以通过调整刀具的几何参数进行纠偏，即适当地修磨钻头，增大钻头峰角2φ和减小钻尖偏心量e，以改变刀具的受力状况。

(7)选择合理的切削用量：在初始阶段，为防止因钻杆悬伸较长、自重、切削力及离心力所产生的弯曲而采用低转速和较小的进给量。钻孔深度达到一定深度后，由于孔壁的导向作用使得钻杆弯曲所造成的影响已较小，则可选用较高的转速及适当大的进给量。一般入钻时的进给量为正常切削时进给量的1/3。

堵屑与深孔加工轴线偏斜是相互影响、互相制约的。排屑为主要因素，而轴线偏斜往往是由堵屑而附生的。因此在钻削中首先选取切屑液的压力与流量，再取深孔钻头的合理参数，特别是断屑台的尺寸，以及机床的精度和操作员的技能。

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