组合机床深孔钻削及工艺参数选择

1、组合机床深孔钻削及工艺参数选择赵凤 王 平 孙敬阳 庄 敏 生 海大连组合机床研究所自动化装备分所,辽宁大连 116033钻孔是在一个半封闭的环境下进行的,大量钻屑从刀具排屑槽向后排出,当钻削到一定深度时,特别是加工不易断屑材料,螺旋状切屑很难从孔中及时排出,切屑阻塞,冷却液很难进到切削区域,切削热集中在切削区,加速刀具钝化,钻削扭矩增加,甚至钻头折断。为此,在整个钻削过程中不得不多次退出钻头,以排除切屑和冷却钻头。孔愈深,愈需频繁地退出钻头,所以生产率很低,而且钻孔质量很差。如何顺利地排出切屑并能及时冷却钻头,这是各种深孔钻削加工方法的基本出发点。目前,组合机床深孔钻削主要采用下面几种方法。

2、1 采用麻花钻钻孔由于其使用费用低廉,所以在钻削小直径而又无精度要求的工件时仍被广泛地采用,用麻花钻钻深孔,有两种方法:分段钻削法和分级进给钻削法。1分段钻削法。是将一个长孔分成几段,在几个工位上来完成孔的加工,后一工位的钻头比前工位钻头一般要小0 10 2mm,以便引进钻头,同时减少钻杆与孔璧的摩擦。各段的长度可按表1选取,同时应考虑满足自动线生产节拍的要求。在组合机床自动线上常用此法来加工缸体的长油孔。表1 分段钻削刀具长度推荐表分段数分段顺序!#20 60 4-30 450 30 25-40 360 240 210 19-50 30 20 180 170 152分级进给钻削法。孔的加工是

3、在一个工位上多次退出钻头排屑来完成的,钻孔的第一段可钻5倍直径的孔,以后各段按表2选用,使用时应根据工件材料,钻孔时的工作条件及所使用的钻头等因素作适当调整。特别是深孔用麻花钻的推广使用,由于其具有抛物线槽形,提高了钻头的刚性并改善了排屑条件,每段的钻深都可加长,减少循环数,提高机床生产率。分级进给的行程控制有两种方法,即扭矩控制法和行程控制法。表2 分级进给各段加工长度推荐表工件材料孔 深L20d L>20d 铸铁件L=(46d L=(34d钢 件L=(12d L=(0.51d扭矩控制法,即钻孔中扭矩达到某个预调值时,钻头立即退出工件,以排屑和冷却,然后快速进给至前一段钻孔深前几个毫米

4、,然后转入工作进给钻孔,如钻削扭矩又达到预设值,钻头又退出,这样钻孔%退出%钻孔&&直至将孔钻完。这种钻法能充分发挥钻头的切削性能,获得较高的生产率,但是,系统较复杂。行程控制法,即按预先设定的行程长度,由进给装置的行程控制机构来实现钻头的进与退循环。组合机床的通用进给滑台都配有这种分级进给行程控制机构。采用这种方法,机床比较简单、可靠,所以目前使用比较多,如果主轴增加扭矩保护装置,就更为理想,可以防止由于工件杂质、硬点使钻刃损坏或扭矩急剧增加使钻头折断的现象。在采用麻花钻钻深孔时,其切削用量应比一般推荐值减小,减小值如表3所列。表3 麻花钻钻深孔切削用量推荐表孔深3d(34d

5、(45d(56d(68d切削速度V V(0.80 9v(0.70.8v(0.60.7v(0.60.65v 进给量f0.9f0.9f0.8f0.8f2 采用扁钻钻孔原来作为加工浅孔用的扁钻,由于它的断屑坎比较好磨,而且刀杆刚性较好,可从中孔将冷却液直接送到切削区域,所以在加工较大直径,孔深度不是很深的钢件时,采用扁钻是一种简单易行的方法,它不需要往复进给直接将孔钻出,这时所必须具备的条件是,刀杆必须有中通油孔,机床需有较大的冷却系统,系统压力为10个压力左右,流量按孔径决定,如表4所示,机床为卧式。表4 扁钻加工机床压力流量推荐表直径192425363665668890140压力6681010流

6、量L/min20304050608080150 3 采用枪钻钻孔这是一种较老的深孔加工方法,有一百多年的历史,虽然切削刀具材料发展迅速,但它仍是加工小直径( 20以下深孔最常用的刀具。能加工IT9以上精度、Ra3.2以下粗糙度的孔。由于它是一种自导性加工,所以孔的直线度和位置度都很好,因此,在组合机床上就用这种深孔加工刀具来加工精密浅孔,如连杆螺栓定位孔,箱体零件的定位孔,油泵油嘴偶件中孔等。枪钻由切削头部、钻杆和柄部组成,切削部分现在都是由硬质合金压制而成,杆部为一个压成V(字形的无缝钢管,经淬火后,外圆径精磨,柄部与头部以斜切槽相接采用银焊焊接,以提高其焊透性,增加连接强度,柄部为结构钢制

7、作,与钻杆铜焊相接。柄部形式多样,根据用户需要选用。切削头部几何角度根据工件材料有所区别,其主要的角度就是切削刃内外角,标准的外角30,内角20,内外刃交点处于D/4外。为避开O点,所以其前面略低于中心(0 050.1,而 (形交点则通过中心。为增大冷却液流量,小直径的枪钻头采用月牙形的出油口,大直径的采用双出油孔。两个导向块支承径向切削力,同时也起着熨光已加工表面的作用。刀具生产公司对枪钻头有多种磨法,以适应不同的加工条件。如SANDVIK公司就提供了六种形式,供用户选用。使用枪钻的机床应是专用机床,它应具有:1高精度、高刚度、高转速的主轴头,通常采用皮带传动,即使是多轴加工时,主轴设过扭保

8、护装置。以防钻头遇到特殊情况,钻削扭矩急剧增加,而使钻头断裂。2稳定的进给系统,通常采用机械进给,避免采用液压进给装置。如进给机构还能作无级调速,就更理想。3精密导向装置,枪钻的切削刃处于中心线一侧,所以在切入工件时,要靠导向套导向切入工件,只有切削刃全进入工件后,导向块进入已钻削孔时,钻头才以已加工孔作导向进行钻孔,所以导向套的精度对加工精度影响极大,钻套端面贴着工件,其孔径应比钻头名义直径略大。如 10的钻头,钻头一般按h5公差的精度制造,导套则取为 10 003+0.0050mm。当导向套磨损超过0 02mm时,就应更换。导向套一般采用淬硬工具钢制造,更好的是用硬质合金导向套。导向套固定

9、在导向装置支架上,其后应有足够的空间排除带有切屑的脏切削液,导向架后端则有一个防切削液向后冲的防护套。调整机床时,主轴与导向套同轴度应小于0 02mm。对于特长的钻杆,还应在主轴与导向装置之间增设中心支承装置,以防钻杆弯曲。4深孔加工必备的冷却系统。冷却液的功能为:冷却刀具,将切削热迅速地从切削区域带出,保持正常的系统温度。+排除切屑,用高压切削液及时将切屑带出。一般认为,切削液的流速为815m/s是必须的,小直径取大值,大直径取小值。,润滑切削刃和导向块,所以切削液多为油类,如极压切削油,还需加一些增加润滑性能的添加剂,如氯化石腊。因此,切削液必须有一定的压力、足够的流量和清洁度。图为SAN

10、DV IK公司提供的切削液的压力和流量。根据钻头直径选取,切削液循环过程中经过多级过滤和沉淀,使过滤精度在1020 ,以下。油箱应有足够大,其容积一般为供油量的10倍,使油液能最后得到充分的沉淀、消泡,这对保证刀具寿命和加工质量是十分重要的。清洁油对油泵及控制阀的使用寿命同样也是十分重要的。图1 钻头切深与冷切液压力流量关系5为了工件夹紧可靠,机床夹具一般不采用气动夹紧机构。6机床在操作者易观察的地方,设置机床功率,切削液的压力、流量、油箱油面指示等仪表,使操作者及时了解到整个加工过程各关键部位的状况,如出现问题能及时处理。7枪钻的切削用量的选取,因枪钻本身刚性很差,它只能以高速小进给的条件下

11、工作。常用各种工件材料的切削用量如表5所列,为SANDVIK公司推荐的,可根据工件材料、热处理状态及工作条件优劣来选用。目前国内尚无很可靠的枪钻供选用,所以大多是买国外的,所以在决定机床切削用量时,特别是对于加工一些特殊的材料时,应咨询枪钻生产厂商。在加工缸体的油道孔时,为提高生产率而采用双刃枪钻。其切削用量如表6所示,为日本三菱 !公司提供的。表5 SA NDV IK推荐的枪钻切削用量工件材料硬度HB V(m/mi nf(mm/r0.98 3.00 3.00 6.3 6.3 12.5 12.5 35非合金钢90200601200 0030 010 0050 030 0150 0550 020

12、 11低合金钢150260401200 0030 010 0040 030 010 0550 020 11高合金钢250350501000 0030 010 0050 0250 0150 050 030 1不锈0030 0080 0040 0250 010 040 020 1铸钢90225501200 0030 010 0050 030 0150 0550 020 18韧性铸铁11014570900 0050 010 0050 030 020 070 050 19球墨铸铁12023070900 0040 010 0050 030 010 070 030 19灰口铸铁2

13、0033015900 0030 010 0030 030 0050 070 010 19铝合金40100653000 0050 0150 0050 040 020 070 030 15铜和铜合金50160653000 0050 0150 0050 040 020 070 030 15表6 三菱 !推荐的双刃枪钻的切削用量工件材料抗拉强度N/mm26 8 8 10 10 12 12 15 15以上v f v f v f v f v f普通铸铁35070(60800 06(0 020 175(65850 08(0 050 1280(70900 1(0 050 1585(75950 12(0 050

14、 1790(801000 14(0 10 2球墨铸铁45050(40600 06(0 020 155(45650 07(0 050 1260(50700 08(0 050 1265(55750 1(0 090 1570(60800 12(0 050 17 50080040(30500 05(0 020 145(35550 06(0 020 150(40600 07(0 050 1255(45650 08(0 050 1260(50700 1(0 050 15铝合金-120(1001300 06(0 020 1130(1101400 07(0 050 12140(1201500 08(0 050

15、 12150(1301600 1(0 050 15160(1401700 12(0 050 17注:1 表中数据按钻头全长L/D=50,如超过50,则切削速度和进给量减少10%使用。2 钻头直径从 6 30。8枪钻的刃磨。一般当枪钻后面磨损达到0 2 0 4mm时就需重新刃磨,每次重磨可加工1620m,一般钻头可重磨20次。为保证正确的刃形,在磨刀机床上采用一个专用的刃磨夹具进行刃磨,而且应有一个刃磨样板。4 单管内排屑深孔钻(BTA深孔钻钻削这种技术是二战时期在德国军事工业中首先发展起来的。由于采用一根圆管作钻杆,极大地提高了钻杆的刚性,并以大流量的高压切削液冷却刀具及排除切屑,所以可以采用

16、较高的进给量,大大地提高了生产率。后来又在实心钻削的基础上发展了镗孔和套料技术,使这种深孔加工技术,在军工和民用工业中的中等直径( 20mm以上深孔加工中得到很大的发展。BTA深孔钻削法,是用具有一定压力和流量的切削度,从供油器沿导向套和已加工孔壁与刀杆之间环形间隙进入切削区域,冷却并润滑刀具,然后带着切屑,从刀杆中孔向后排出。这样切屑不与已加工表面接触。不会发生切屑缠绕刀杆、挤伤刀杆表面和已加工表面等现象,而高压油流对刀杆起着托(的作用,有防止振动的功能。BTA技术分为实心钻孔、镗孔和套料三种方法。 图2 钻头直径与冷却液压力流量关系它可加工IT6IT 9精度,Ra3 2以上的粗糙度,孔深为

17、孔径100倍及断屑较困难材料的孔。整个加工系统由机床、钻头、钻杆、专用的供油器及冷却系统组成。机床的形式取决于工件的形状,即是工件回转还是刀具回转,还是两者都作相对方向回转。工件回转,钻头不转只作进给运动。这种加工形式比较普遍的是深孔钻床,用于加工大型轧辊多轴类零件。组合机床所遇到是箱体类非对称工件,工件不能回转,钻头回转并作进给运动,还有一类机床是钻头作高速转动,而工件作相反方向的较慢的回转。这种方法加工的孔的直线性,偏斜度都最好。工件不转的情况下,这两项精度较差。对于BTA 钻削用机床的要求主要有如下几条:1机床具备高的刚性和动力,主轴有较高的转速和回转精度,并与电机及传动系统隔离开来,所

18、以易用皮带传动。2有一个稳定的进给机构,这是稳定的断屑所必须的,所以这类机床都采用机械进给机构,而且最好能作无级调速,以便获得最好的断屑。BTA 是内排屑型的,所以切屑必须断成较理想的形状,以便从刀杆内孔中排除,也是这种深孔加工技术成败的关键所在。3特殊的供油器,这是BTA 加工方法所特有的装置。它主要有两个功能,一是为钻头开始钻入工件时提供导向,BTA 钻头切削刃是非对称布置的,径向切削力将钻头推向两个导向块一侧,所以在钻头未完全钻入工件前,必须由导向套支承导向。基于这个作用,导向套都由淬硬的工具钢制造,亦有用硬质合金(作拉丝模用的硬质合金制造。调整机床时,它与主轴同轴度应小于0 02mm

19、。钻头的名义尺寸通常取为孔的最小尺寸加2/3的公差带,按ISO h6公差制造,导向套以相同的名义尺寸按G5公差制造,当导向套磨损达到0 02m m 时,则应更换。供油器的第二个作用是为钻头提供高压切削液。切削液从供油器进入,经过钻杆与导向套之间的环形空间进入切削区,因此供油器前端面与工件端面密封,后端与钻杆密时,以防切削油外溅,同时高压油流进入供油器时应避免直接冲击钻杆,以防振动。从上可知,供油器对钻削能否顺利进行及钻孔精度有很大的影响。根据是钻头还是工件回转,供油器分为两种。目前BTA 钻头生产厂家都有提供,任用户选用。供油器支架处于机床操作者最便于观察的位置,所以在支架上通常设置机床功率、

20、切削液的状况的指示仪表及开关。4设有主轴切削扭矩监控装置,以防在钻削过程中,遇到材料不均匀、刀具钝化使切削扭矩急剧增加时损坏钻头或机床部件。5冷却液系统,向切削区域提供具有一定压力和流量的清洁油流,是保证钻头切削、切屑的排除及加工质量的重要因素。孔的表面质量在很大程度上取决于切削液的质量,切削液主要是纯净矿物油、极压切削油。增加氯化石腊以提高润滑性能。冷却液的压力和流量,如图2所示为SANDV IK 公司提供的资料。油箱大小应为所需流量的10倍来考虑。所以BTA 用的冷却系统是很庞大的,占地面积很大,通常都埋入地下甚至将处理装置置于车间外。经过几十年的发展,BTA 技术已是很成熟了,其钻头几何

21、形状,特别是断屑坎的设计及刀刃的布置,都已有成熟的产品。由于钻头体是铸造的,其形状复杂,所以目前均从工具厂购得。目前BTA 实心钻削用钻头最小可达 16 5mm,单一刀片,焊接式的。 65mm 以上都已采用可转位刀片,并带有小刀座,以防刀头体损坏,刀片材料按工件材料选取。钻头与钻杆以多头方牙螺纹连接,钻杆用合金结构钢的无缝钢管经热处理制成,外圆径精磨。根据钻头直径及机床需要的长度,从工具厂购得。如钻孔深度很大,钻杆很长,则在主轴和供油器之间增设开合式的中心支架,以防止刀杆振动。BTA 深孔钻切削用量,应根据工件材料、刀具材料及机床工作条件选取,SANDVIK 公司提供了切削用量推荐值可供选用。

22、在实际使用中,根据切屑成形情况,应作适当调整,以保证顺利地排屑。深孔钻的机床功率可按下式计算:P c=V cf na pk c6.104(1.17-a pD c式中V c%切削速度m/minf n%进给量mm/rD c%钻头直径mm%机床效率,可取为0 8k c%比切削力N/mm2a p%切深,对于实心钻,即为D c/2m m比切削力可按SANDV IK公司的公式及其切削用量,表中所注的各种材料的K c0.4计算:K c=K c0.4(0.4f zsin K r0.29.(1+6-(/sn100N/mm2式中K c0.4%为f2=0.4时比切削力N/mm2 K r%导角sn%实际前角考虑到刀具

23、钝化,计算功率还应增加1030%,并根据钻头直径来确定。5 用喷射钻钻孔这是60年代由SANDVIK公司发展起来的一种双管式的内排屑深孔钻。钻头以方牙螺纹拧紧在外管上,切削油由末端夹持器进入,其中2/3的切削液经内外管之间空间,从钻头上几个小孔进入切削区,冷却钻头,然后带着切屑从内管往后排除,另外1/3切削液经内管末端的小月牙槽进入内管。由于此时流速加快而压力骤然降低,形成前后压力差而产生强烈的抽吸作用,加快由切削区进入内管的脏切削液的流动速度,更快地从内管中排除。比起单管内排深孔钻,切削液压力可小一半左右,也不需要结构复杂的供油器,其导向装置可以与工件端面保持小于1mm的间隙。但是,由于排屑内管的截面积相对于BTA单管更小。所以对断屑需求更高一些,使切屑能顺利地从内管中排出,所以不能采用在低碳钢工件上加工小直径的深孔,而推荐采用BTA钻头。而相对于BTA,其加工精度也更差一些,能加工IT9精度 20 65,孔深为孔径100倍以内的孔。在组合机床上采用喷射钻,多为加工箱体件或非对称零件,刀具旋转,内外管装夹在主轴前端的专用夹持器内,切削油由此进入,脏油由内管径主轴中孔向后排除,前端导向套只是在钻头未完全切入工件前对钻头起导向作用,导向套与工件端面可有小于1mm的间隙。导套的名义尺寸,即钻头名义尺寸为工