高速小直径深孔钻削过程中的切屑形态分析*

马 龙 沈兴全 任晓敏

(①山西省深孔加工工程技术研究中心，山西 太原 030051;②中北大学，山西 太原 030051)

在机械加工产品的发展方向不断向精密化、小型化转变的过程中，对小直径深孔(直径小于20 mm)的加工精度提出了越来越高的要求，其加工难度也在不断提升。目前，在多种小直径深孔加工的方法中，高速钻削的经济适用性较高，但由于所加工孔的尺寸较小，而且小直径深孔高速钻削的加工过程一般都是一次钻成，这就给高速小直径深孔加工钻床的钻孔过程提出了极高的要求［1］。在高速小直径深孔加工过程中，断屑和排屑十分困难，尤其是排屑过程受切屑形态影响很大。因此，在对目前的加工工艺及设备不断进行完善的同时，研究高速小深孔加工过程中的切屑形态，以实现提高产品的质量以及材料性能参数的目的，已成为深孔加工领域里的一个有重大意义的课题。

相对于普通直径的深孔加工而言，高速小直径深孔加工对断屑排屑的要求极高，其普遍采用能保证大切屑量钻削顺利进行的SIED(单管内排屑喷吸钻)深孔钻削系统。该系统采用了与DF 系统相类似的排屑方式［2］，同时结合了枪钻焊接刀杆、整体烧结钻头的特点［3］，适用于小直径深孔加工，在加工过程中能够对切屑和切削液混合物施加推、吸双重作用，促使其迅速向外排出［4］。SIED 深孔钻削系统结构如图1 所示，将流量为Q0的切削液(46#机械油与煤油以1∶3 比例混合物)通过可调节流阀分为两部分，使Q1流量的切削液通过授油器对钻削区和刀具进行冷却和润滑，并通过钻杆内部进行排屑作用，同时使Q2流量的切削液进入联接器间隙为δ 的射流喷嘴环形通道进行负压抽屑，加快排屑速度。

图1 SIED 深孔钻削系统结构

1 实验条件

实验采用经过适应性改装的ZK2112B 深孔钻床，采用工件转动、刀具进给的加工方式加工直径为12 mm，长度为400 mm 的深孔。供油系统如图2 所示，通过齿轮泵向授油器和联接器部分供切削液，由溢流阀将切削液最大压力控制在7.8 MPa，最大流量控制在4 980 L/h，通过单独的压力计和流量计分别读取供往授油器及联接器的切削液流量和压力大小，并通过可调节流阀分别对其进行控制。实验所加工的材料为经过特殊热处理的45 退火钢，硬度为245HB，所选用SIED 钻头的刀片分别为刃部材料为YN05 的硬质合金刀片、TiN 涂层刀片以及陶瓷刀片。由于钻头的直径较小、强度低，所以每次提高的进给量幅度不大［5］。

图2 供油系统

2 实验过程及数据记录

(1)使用φ=12 mm 的YN05 硬质合金刀片SIED深孔钻，主轴转速保持V=4 900 r/min，令Q1=2 100 L/h，Q2=1 800 L/h，δ=0.13 mm［6］，改变进给量f 得到的实验结果如表1 所示。

表1 φ=12 mm 的YN05 硬质合金刀片SIED 深孔钻改变进给量所得实验结果

(2)使用φ=12 mm 的YN05 硬质合金刀片SIED深孔钻，刀具进给量保持f=0.050 mm/r，令Q1=2 100 L/h，Q2=1 800 L/h，δ=0.13 mm，改变主轴转速V 得到的实验结果如表2 所示。

表2 φ=12 mm 的YN05 硬质合金刀片SIED 深孔钻改变主轴转速所得实验结果

(3)使用φ=12 mm 的TiN 涂层刀片SIED 深孔钻，主轴转速保持V=5 100 r/min，令Q1=2 400 L/h，Q2=2 100 L/h，δ=0.13 mm，改变进给量f 得到的实验结果如表3 所示。

(4)使用φ=12 mm 的TiN 涂层刀片SIED 深孔钻，刀具进给量保持f=0.070 mm/r，令Q1=2 400 L/h，Q2=2 100 L/h，δ=0.13 mm，改变主轴转速V 得到的实验结果如表4 所示。

表3 φ=12 mm 的TiN 涂层刀片SIED 深孔钻改变进给量所得实验结果

表4 φ=12 mm 的TiN 涂层刀片SIED 深孔钻改变主轴转速所得实验结果

表5 φ=12 mm 的陶瓷刀片SIED 深孔钻改变进给量所得实验结果

表6 φ=12 mm 的陶瓷刀片SIED 深孔钻改变主轴转速所得实验结果

(5)使用φ=12 mm 的陶瓷刀片SIED 深孔钻，主轴转速保持V=5 200 r/min，令Q1=2 580 L/h，Q2=2 280 L/h，δ=0.13 mm，改变进给量f 得到的实验结果如表5 所示。

(6)使用φ=12 mm 的陶瓷刀片SIED 深孔钻，刀具进给量保持f=0.080 mm/r，令Q1=2 580 L/h，Q2=2 280 L/h，δ=0.13 mm，改变主轴转速V 得到的实验结果如表6 所示。

3 结果分析

实验所得的切屑形态及以20 倍率放大后效果图如图3。通过实验过程及数据记录可得出以下结论:

图3 实验所得切屑形态及以20 倍率放大后效果图

(1)以上3 种刀具在固定的主轴转速下，通过改变刀具进给量，切屑形态会发生以下变化:当进给量较小时产生软皱带状切屑，此种切屑的容屑系数处于中等水平，可以较顺利地排出;随着进给量增大，切屑的厚度逐渐变大，硬度也逐渐变大，切屑容易折断，形成C 形切屑，此种切屑的容屑系数小，容易排出;当进给量继续增大时，切屑逐渐形成短螺卷状直至长硬带状，容屑系数迅速增大，切屑非常难排出，容易发生堵塞现象。

(2)以上3 种刀具在进给量固定的情况下，通过改变主轴转速，切屑形态会发生以下变化:当主轴转速相对较低时，形成长硬带状切屑，其容屑系数大，排屑过程困难;随着主轴转速的升高，逐渐形成短软带状、C 形以及锥状等容屑系数较小的切屑，排屑过程顺利;随着主轴转速的进一步升高，切屑发生断裂，出现崩碎状的单元切屑，该形态切屑容屑系数很小，可以很顺利的排出。

从上述表格还可以看出，当主轴转速相对较低或进给量较大时，容易产生长硬带状切屑，该切屑容易发生相互缠绕的现象，极易在排屑通道中发生堵塞现象。当主轴转速较高时，产生了崩碎状的单元切屑，虽然此种切屑容屑系数小，可以很顺利地排出，但由于其在断屑过程中对刀具的冲击频率很高，从而使切削刃产生严重磨损，缩短了刀具寿命;另外崩碎状切屑的排屑过程易划伤工件的加工表面，严重影响最终孔的加工质量［7］。

因此，在进行高速小深孔钻削时，以产生容屑系数小的C 形屑和锥状切屑为最佳状态，应避免出现长硬带状切屑以及崩碎状切屑。所以在使用不同材质的刀具时，应该使刀具的进给速度以及主轴转速保持在与刀具相对应的合理范围之内，保证切屑的顺利排出，同时提高工件的加工质量。

4 结语

在高速小深孔钻削过程中，产生容屑系数较小的切屑时排屑过程顺利，其中切屑形态为C 形和锥状时工件加工质量最高。加工过程中可以通过观察切屑形态来调整进给量和工件转速，以达到最佳钻削效果。

加工同一种材质的工件时，不同材料所制成的刀具都分别有与之相匹配的最佳进给速度和主轴转速范围，在此范围内钻削能得到C 形屑、锥状屑等容屑系数较小的切屑，使加工过程中排屑顺利，工件加工质量高［8］。

［1］杨立合.小直径深孔超声振动钻削技术的研究及应用［D］.西安:西安石油大学，2007.

［2］叶伟昌.钻深孔的新型刀具—DF 系统深孔钻［J］.机械科学与技术，1985(2):59 -60.

［3］刘钢，孙首群，凌卫青，等.由小直径深孔刀具的革新谈创新设计［J］.中国机械工程，2001，12(11):1291 -1293.

［4］艾小凯，米志德.内排屑小深孔加工技术的研究现状［J］.新技术新工艺，1999(1):15 -16.

［5］赵德军，曲贵龙，贾忠辉.小直径钻头的设计和使用［J］.工具技术，2003，37(9):38 -39.

［6］王天琦.小直径深孔钻削技术的研究［D］.西安:西安石油大学，2006.

［7］王竣.现代深孔加工技术［M］.哈尔滨:哈尔滨工业出版社，2005.

［8］赵如意，关世玺.深孔钻削切屑形态的研究［J］.新技术新工艺，2010(2):42 -43.