基于形成机理及材质不均匀性的深孔缺陷分析与对策

2013-12-23 05:46杨顺田黄晓燕
组合机床与自动化加工技术 2013年4期
关键词:轴线钻头刀具

杨顺田,黄晓燕

(1.四川工程职业技术学院,四川 德阳 618000;2.四川建筑职业技术学院,四川 德阳 618000)

0 引言

深孔加工存在许多困难与加工缺陷,如深孔钻的断排屑、走偏与折断钻头等,除此之外,还有孔径的扩大和缩小、不圆度误差、孔轴线偏差、刀具加速磨损等难以消除的缺陷,由于这些缺陷的存在,不能满足高精度、高质量、高效率、低消耗的现代化机器制造业的要求。因此,针对各类深孔缺陷进行研究就很有必要。

1 内孔挤压与孔径误差形成机理分析

在深孔加工理论研究中,国内外一些学者进行了大量的工作[1-3]。在借鉴前人的基础上,对内孔挤压与孔径误差形成机理进行了长期的深入研究,发现“导向块”具有挤压作用,这个作用导致内孔表面粗糙度高于钻削表面并引起孔径扩大。

1.1 深孔内表面挤压形成机理

在孔加工中,采用了“导向与快速落刀”两种新技术,导向技术是为了防止深孔钻偏,通过设置导向装置,改善钻具的受力情况,以减小作用在钻具上的力偏离钻具轴线的程度,从而减小径向力达到减小钻具的弯曲变形的目的;快速落刀技术是为了观察到切削区域附近表层金属的性状。研究表明,孔壁上和导向块接触过的表面比只经过切削刃切削的表面硬度高得多,这说明导向块不只是对孔壁有摩擦作用,还具有挤压作用,其结果一是提高了挤压表面的硬度,二是降低了表现粗糙度。其挤压形的机理如图1 所示,图中的λ 为导向块的倒棱角,ε 为倒锥角。导向块的前倒棱以一定的滞后量跟在切削刃之后,对已切削的表面进行挤压加工,当钻杆以每转S的进给量推进时,图中的阴影线部分就是挤压面积。被挤压的材料在接触区的前后产生弹性——塑性变形,后部变形量很小,在前导棱的前面变形量大得多,堆起很高的壁瘤,壁瘤的大部分被切削刃的圆周刃带切除。孔壁便扩大了δ 深度(单边),导向块挤压后所获得的内孔表面,其表面粗糙度Ra 值可达3.2μm,明显低于钻削表面的12.5 ~6.3μm。

图1 导向块的挤压过程

1.2 孔径误差形成机理

钻削有外排屑钻与内排屑钻之分。外排屑钻有枪钻、深孔扁钻和深孔麻花钻等;内排屑钻有BTA、DF 深孔钻、喷射钻等。枪钻和BTA 钻头由于切削刃所受到的径向力始终指向中心,且由导向块支持,因此不会对孔壁过度切削,它加工出来的孔比麻花钻之类的双刃刀具加工的孔直径精度高得多,偏差在5~1μm 之间,相比之下,枪钻比BTA 钻孔的精度要差些,若采用麻花钻要想得到偏差在50μm 以下的孔是非常困难的[4]。

产生误差的原因很多,如刀瘤的伸出使钻头实际直径增大,加工出扩大孔,加工时切削热引起工件膨胀,冷却后便成为缩小孔,以及前面提到过的导向块的挤压作用所引起的孔的扩大等。

2 主要缺陷引起的误差分析

2.1 材质不均对孔轴线误差的影响

材质的不均匀往往造成零件各部的强度、硬度的不一致[5],在钻削过程中,因材质的不均匀性,钻头会向软的一侧偏移。采用单刃BTA 钻头,钻削两边有硬度差的材料如图2a 所示。倾斜与弯曲过程分析如下:第一步刀刃处在软质材料CDA 一侧,在切削力FCD的作用下,刀具向第一导块方向移动,如图2b 所示。当刀具转到第二步位置时,刀刃开始进入硬质材料ABC 一侧,在切削力FCB的作用下,刀具向第二导向块方向移动,由于切削软材料的FCD小于切削硬材料的FCB,造成刀具向软材料一侧偏移,这就使刀刃在硬材料一侧少切去一些余量,当刀具进入第三步位置时,进一步造成孔的倾斜及扩大,转完一圈之后,刀具又回到了第一步的起点位置,继续重复这一过程。

2.2 孔壁不均导致径向力对孔轴线误差的影响

孔壁不均匀的工件十分常见[6],如图3a 所示,孔的一侧壁厚为e,钻孔时,孔轴线偏差会随孔的深度增加而增加,造成孔的轴线有向薄壁侧弯曲的趋向如图3b 所示。这是因为当第二个导向块经过薄壁侧时会产生径向力,使薄壁发生弹性变形el即产生所谓的“让刀”现象,如图4 所示,因此要留出让刀余量。当切削刀刃转到薄壁侧时,该余量使切削刃挤向薄壁侧,因圆周刃带给薄壁侧的压力小,这是单刃和多刃结构对各种致偏因素的反应。只产生e2的弹性变形量,差值e=e1e2便是过度切去的部分,每转重复此过程,钻头便向薄壁侧倾斜。

图2 材质不均匀对孔轴线误差的影响

图3 孔壁不均引起的孔深与偏差

图4 径向力使薄壁发生弹性变形

2.3 刀刃形式对孔轴线误差的影响

刀刃形式对轴线偏斜的影响有两个方面[7]。一研究发现,在加工具有硬度差的材料和壁厚不等的材料时,多刃刀具比单刃刀的偏斜量要小得多,这是因为多刃刀具的切削力大部分相互抵消了,因而通过导向块加在孔壁上的力比单刃刀具小得多了,在切削过程中所引起的扩孔量(软材料)或弹性变形量(薄壁侧)也比单刃刀具小得多,所以偏斜量也小。

由于加在导向块上的力较小,切削不稳定,孔有扩大的趋向,这是设计多刃深孔钻头时要注意的;另一方面是切削刃角的影响,通过不同内外刃角的枪钻进行钻孔试验,结果表明:当外刃角比内刃角大时,孔的轴线偏差增大。若内外刃角相等,则轴线偏差变小,但孔的尺寸偏差大。

2.4 不同旋转方式对孔轴线误差的影响

采用工件单独旋转或刀具单独旋转或工件与钻头同时旋转的三种方式进行实验。结果表明,延迟工件停止转动的时间,对轴线偏差的改善并没什么效果。在钻孔过程中,钻头是沿着其轴线方向前进的,切入阶段能否保证初钻孔的正确方向至关重要。对于材料不均匀(如存在预钻孔偏心、硬度不等、壁厚不均等)所引起的轴线偏差,则不论是钻头转动还是工件转动,都不能消除,当工件与钻头同时旋转时,并让二者的相对转速保持不变,则轴线的偏差会显著减小。

2.5 多边孔现象对不圆度误差的影响

深孔加工的不圆度误差主要表现为三角或五角形的多边孔[8]。如图5 所示,当用麻花钻、铰刀之类的多刃等分齿刀具加工孔时,往往产生S=n* Z±1 的多角形孔,式中n 为整数,Z 为刀齿数。枪钻或BTA 钻头的切削刃与导向块互成90°配置[9]相当于Z=4。

图5 产生多边孔的机理

出现多角形的原因是因为钻头偏心、切削力变动等引起轴线作圆周摆动,孔面上便出现凹凸面,当后续刀齿或导向块便沿着先行的刀刃切出的凹凸面运动并重复其轨迹,最终表现为多角形。

当n=1 时,S=6 或3 多刃等分齿工具钻孔时,设ωt为钻头的自转角速度,ωa为公转角速度,则ωt/ωa=n* Z,其轨迹是为具有棱数S=n* Z±1 的凸棱多角形,钻头的刀齿或导向块沿此多边形运动,更加剧了轴线摆动的幅度,形成自激振动。

3 深孔缺陷预防与切削条件的优化

3.1 轴线偏差的预防

(1)提高引钻孔与端面的垂直精度;

(2)轴向力与轴线尽量平行防止产生径向分力;

(3)增强钻孔工艺系统的整体刚性;

(4)提高导向装置的精度。

3.2 多边孔的预防

(1)在车床上,增加定位止口,按止口圆找正,误差控制在0.03mm 以内;

(2)在外圈磨床上,重磨导向键外圆、止口圆与顶尖孔,提高三者的同轴度;

(3)在镗床上,先在长镗杆上安装导向键,然后将镗头装到长镗杆上进行推镗[8]。

3.3 优化导向块几何形状,减小孔径误差

如图6 所示,导向块的挤压作用所引起的孔的扩大,其扩大量ΔD 为:

式中:D 为刀具直径,为钻杆转速,KS、HS、ω 为相关系数,C.S 互为倒数,λ 为导向块的倒棱角,ε 为倒锥角。要使ΔD 最小,导向块的几何形状必须优化设计,即导向块的倒棱角与倒锥角趋向一致。

图6 导向块的扩孔作用

3.4 依据导向块,优化刀具重磨时间与重磨次数

一般金属切削加工经济性的数学模型也适用于深孔加工,无论是BTA 套料还是扩孔都存在着满足最低成本或最高生产率的最佳切削参数[10]。深孔加工中刀具重磨的时间与次数与导向块的磨损情况息息相关,后刀面的磨损值决定了刀具的重磨时间,导向块的磨损程度决定了刀具的重磨次数。为了获得高质量的孔,刀具重磨时不仅要磨刀刃,也要重磨导向块,直到它们都重新获得原来的几何形状为止。此外,还预留导向块的滞后量,在刀具的寿命期内保持不变,设刀具的可重磨次数为n,导向块的原长为L,最小长度为Lmin,每次重磨的磨损长度为WP,则重磨次数:

对要求不高的孔,将后刀面的磨损程度作为确定刀具重磨的时间标准,而重磨量则由刃带上的轴向磨损量W1来确定,以消除刃带上的磨损为原则。由于必须保持滞后量不变,所以导向块上仍留下一段原磨损区域,这时,刀具的可重磨次数n 就等于:

由于W1<Wp,重磨次数增加了,磨损速度就减缓了,降低了成本,但导向块上的一段末被消除的原磨损区域,也会降低孔的加工质量。

以导向块的磨损为依据,刀具的耐用度tL与切削速度V 和进给量F 存在如下关系:

式中:系数Kr=0.016,指数a=-1.88,b=-1.21。

根据对导向块的磨损研究可以得出,第二导向块上的磨损程度总比第一导向块严重,其重磨量为:

式中:系数Kr=0.0253,x=-0.659,y=0.2923。

重磨时间t 由装卸刀具等固定时间trc和磨去Lr所需的时间组成,设磨去1mm 所需时间为tr1则重磨时间为:

由此可以求出钻孔生产率P 与生产成本C 的优化数学模型:

式中:tTST为调整时间,N 为工件批量,TNF为辅助时间,tC为换刀时间,d 为钻头直径,LW为孔深,Lf为进给行程,C1为刀具成本,CF为钻头价格,Xm为大于1的成本系数。

利用上面的数学模型可按最大生产率或最低成本选择切削用量,达到优化切削条件的目标值。

4 应用效果

4.1 深径比在100 以上的深孔加工

如图7 所示的铰直辊,工件总长6500mm,内孔φ55 mm,深径比L/D=5700/55 =13.6≥100。

图7 铰直辊φ40 的内孔的加工

根据零件特点选择数控深孔钻床,该机床钻杆箱主轴转速范围在500 ~2000r/min,用BTA 深喷射钻进行加工。先用中心钻引钻一段孔以钻头导入,同时采用导向块导向技术可有效防止钻偏及折断钻头,并让工件与钻头同时旋转且二者的相对转速保持不变,轴线偏差显著减小。钻孔循环深度、进给量、断排屑时间及冷却液的开停等均由程序控制。为了防止导向块的挤压造成孔径扩大,采用了程序补偿技术。由于导向块挤压作用,内孔表面比单纯钻削更加光滑,具有较高的表面质量,加工效率及精度也明显提高。

4.2 大直径特殊孔的加工

如图8 所示,是5000mm 中厚板大型轧钢机机架,其大直径孔为φ950mm,孔深1960mm,选择数控龙门铣床加工。采用直角铣头与NC600 电子径向铣镗头,如图9 所示,其组合总长可达2100mm,可加工2050mm 以内的水平深孔。

图8 φ950mm 大直径孔

图9 No8 角度铣头+电子径向铣镗头

为了预防多边孔,先在径向镗头的滑座上安装导向装置,然后将镗头装到直角铣头上进行推镗。因导向块的挤压作用会引起孔径扩大,设计导向块时,其倒棱角与倒锥角相接近,以减小孔径误差;为了观察到大孔切削区域金属的性状,采用了快速落刀技术;由于该孔的深径比(1960/950≈2.06)较小,尽管镗孔系统采用的是一端固定(角度铣头),一端悬臂的梁(镗刀),其轴线也不会出现明显弯曲,不必考虑孔轴线误差;因刀具加工的总面积大,且是单刃镗削,又是连续工作且时间很长,中途不宜换刀,其耐用度就成了关注的重点,通过采用大功率风冷方式,来提高刀具的耐用度。

采取上述各种措施后,φ950mm 大直径的压下孔一次获得成功。

5 结束语

近十年来,作者在孔加工方面做了一些专业性研究,继“可变切深、断屑式深孔加工[6]”、“深孔钻断排屑机理与变切深加工数控宏程序研究[8]”、“燃汽轮机缸体倾斜孔数控铣削加工参数化编程[10]”“轧钢机压下孔根部数控加工程序设计[11]”、等系列研究之后,再着眼于深孔内表面形成机理研究,进一步分析常见缺陷、刀具加速磨损等产生的原因。经过长期的、系列的深孔研究,部分掌握了深孔加工中的某些规律,成功地解决了深径比在100 以上的深孔与φ900mm 以上的大直径特殊孔的加工,取得了满意的效果。

深孔加工历来都是机械加工中的难点之一,孔加工缺陷严重影响产品质量,各种误差形成机理还有许多不明,仍在不断的探索之中。

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