深孔钻削稳定性研究及应用

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0 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。
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图1 深孔钻削过程中的扭矩变化

1 钻削稳定性的影响因素

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影响钻削稳定性的因素很多，追根究底是由切削力变化而产生的。因此，这里主要分析切削力变化对切削稳定性的影响，并从导向套与钻头间隙、钻尖高度和导向块布置方面加以论证。

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1. 钻削过程中切削力变化的影响 % T* C% M- M" ^. c: n* P
   通过试验测得，用?58.4钻头钻削40CrNiMo5材料，切削扭矩变化如图1所示，可分为五个阶段。 & ^' B" d" J' N6 [& [

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   1. 在导向套引导下，各切削刃依次切入工件，切削扭矩迅速增大。这时，切削合力使钻头上导向块紧贴导向套孔壁，起导向作用，见图1中的OA段。 & X8 o9 h. ^* ` W; z Z
   2. 钻头所有刀齿切入工件后，切削扭矩达到最大。由于导向块端部与钻头外刃刀尖之间的轴向位置之差，导向块仍然停留在导向套内，这时扭矩不会发生明显变化，见图1中的AB段，这段距离亦称为导向块滞后量。
   3. 导向块进入工件后，与孔壁发生摩擦、挤压。这时扭矩会突然增大，随着导向块全部进入，钻头定心作用加强，钻削趋于平稳，扭矩逐渐地减小，见图1中的BC段。 , z9 F6 E. n7 D; b0 N0 r$ m
   4. 钻头在已加工表面上稳定导向，切削扭矩没有明显的波动，进入稳定钻削阶段，见图1中的CD段。 2 p1 w. W' p% u/ z( d$ V6 t' H8 t: {
   5. 工件快被钻透时，中心处发生塑性变形，钻头中心齿及部分中间齿不起切削作用，只有外齿和部分中间齿在切除残余部分，因而形成“切削帽”。此时能量瞬时释放，切削扭矩一下降低趋于零，见图1中的DE段。
   由此可知，钻头的入钻使切削扭矩骤然产生，钻头的出钻使切削扭矩骤然消失，其变化幅度之大，足以影响工件加工质量和钻头耐用度，是钻削稳定性的主要影响因素。
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2. 导向套与钻头间隙的影响 % l) p8 X+ ]3 ]+ b1 g$ |5 _- `4 H% n
   为了正确引导钻头入钻，通常采用在工件上加工出引导孔或采用导向套的方法，前者用于单件加工，后者用于批量生产。入钻误差由钻头与导向套(引导孔)之间的间隙造成，并随轴向力的增大而加大。导向套与钻头间隙对入钻误差的影响如图2所示。在钻削开始时，径向力将钻头导向块压向导向套孔壁，由于两者之间有间隙，钻头中心相对工件回转中心发生偏移(见图2a)，这时钻出的孔径小于钻头直径。当导向块开始进入已加工孔时，在直径略小的孔壁作用下，将外刃向外挤，使钻头中心相对工件回转中心向相反方向偏移(见图2b)，使孔径扩大，并且与导向孔壁挤压摩擦，使钻削扭矩迅速增大，这一过程与图1中的BC段相对应。往往此时钻头突然发生抖动，钻头容易发生破损。随着导向块逐渐进入，定心作用加强，加工孔径也趋于稳定(见图2c)。这样在工件入口处产生一个喇叭口，大端尺寸约等于导向套的内径，长度约等于导向块长度。间隙越大，喇叭口也越大，入钻容易钻偏，出钻偏斜更大，钻削过程振动剧烈；间隙过小，容易发生夹钻，造成刀具破损。由此可见，导向套与钻头的间隙也是钻削稳定性的主要影响因素之一。
   轴向力将会加大入钻时的误差，影响钻削稳定性。根据材料力学理论，以纵横弯曲简支梁的力学模型对深孔钻削入钻过程进行研究。在建立力学方程后，可推导出轴向力对钻头作用时钻杆挠度转角的放大系数X(u)，该系数越大，挠度转角也越大，即 s9 Q: _/ ]/ w8 \# HX(u)=3(tgu-u)/u      u=0.5L(F<sub>x</sub>/EI)<sup>½</sup>式中：L——钻杆长度 $ r- S! U! z5 {1 J8 P0 d* h& H
   F<sub>x</sub>——轴向力 : M8 F. A3 p3 d1 Y. s' {2 I4 [$ ~
   E——弹性模量
   I——惯性矩 ; ^ ]; L. v M* x# `
   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从零增加到最大，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，转角达到最大。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(见图2d)，入钻发生偏斜，钻头与钻杆绕着工件回转中心转动，产生周期振动，容易使钻头破损，使工件表面产生螺旋沟槽，并随着钻孔深度的增加而加大。
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   图2 导向套与钻头间隙的影响

3. 钻尖高度的影响 ; i* u( h% K) v5 q8 T
   钻尖高度是指钻头的钻尖点到导向块前端的轴向距离，见图3中的h。钻尖高度越大，入钻和出钻的时间就越长，不稳定钻削时间也越长。由于位于钻尖的中心齿切削速度较低，切削力大，挤压摩擦严重，卷屑、断屑困难，定心、导向较差。入钻时“单枪匹马”，摇摇晃晃，容易断齿或崩刃。出钻时不易形成“切削帽”，钻尖首先钻穿工件，失去孔底的反锥尖定心(见图4)，钻削力突然失去平衡，钻头晃动突然加剧，非常容易崩刃(特别是外齿)。因此钻尖的高低直接影响钻削稳定性、钻头耐用度和钻孔精度。
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   1.中心齿(YG8) 2.中间平齿(YT798) 3.外齿(YT798) 4.导向块(YT798) 5.中间尖齿(YT798) 6.减振块(YT798) 图3 尖齿内折线刃深孔钻

   1.定心反锥 2.定心环形凸筋 图4 孔底的形状

4. 导向块位置的影响
   深孔钻利用外齿副刃和两个导向块三点定圆自行导向进行切削。导向块必须始终保持与已加工孔壁接触，并有一定的压力存在，才能保证加工过程的稳定性。目前，常采用静力学中“稳定度”的概念作为合理布置导向块位置的理论依据。稳定度在这里是指以所要考察的那个导向块作为支点，使非考察的那个导向块压向孔壁的力矩与使非考察的那个导向块脱离孔壁的力矩的比值。这样一个钻头就有两个稳定度，对于整个钻头的稳定度，应该把两者中最小的作为该钻头的稳定度S，S值越大，钻削稳定性越好，即 6 v% @4 p& B$ o, @: ^
   S＞1时，钻头处于稳定状态； ; D- u* ~% H; Q
   S=1时，钻头处于临界状态；
   S＜1时，钻头处于不稳定状态。

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2 提高钻削稳定性的途径

消除或减小前述各因素的影响即可提高钻削稳定性。本文仅从深孔钻结构改进方面进行了研究，设计了一种尖齿内折线刃深孔钻头，详见图3。与普通深孔钻相比主要进行了以下改进。

1. 降低钻尖高度
   降低钻尖高度，可通过加大偏心量、将中心齿的内刃磨成两条折线刃来实现。其特点是：可以有效地降低钻尖高度(见图3中的钻尖由h′降低到h)，缩短入钻和出钻的时间。入钻时，中心齿和中间齿几乎同时切入工件(见图3中的Δh)，入钻后很快就可以进入正常切削状态；出钻时，切削帽减薄，各刀齿上刀削力几乎同时消失，有效地提高了入钻和出钻过程的钻削稳定性。另外，内折线刃还增大了中心齿的散热体积和钻尖强度。
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2. 改中间齿为尖齿
   为了提高钻削稳定性，我们将中间齿设计为尖齿(见图3)。切削时，中间齿在孔底形成环形凸筋，与内折线刃在孔底形成的反锥(见图4)同时起到定心、稳定钻削的作用。
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3. 增加减振块 / @: Q8 N8 W( { H: q: ]
   普通深孔钻大都采用两个导向块，与钻头外齿副刃基本上在180°内布置，稳定度S＞1，当切削力波动不大时，可以保证钻削过程稳定性。但是，由于作导向的已加工孔表面有圆度误差，以及工件材质不均，特别是入钻和出钻，难免在钻削过程中引起振动，尤其是扭振，使钻头以某一个导向块为支点转动。这种情况，普通深孔钻无法抑制。因此，我们在钻头体后端增设一减振块，布置在外齿刀刃上方与之成90°的位置，如图3所示。在正常切削时，切削合力指向两导向块之间，使导向块紧贴已加工孔壁，起导向作用，而减振块位于后端，刃磨有倒锥使与已加工孔壁有一定的间隙，不起作用；当钻削力失去平衡发生振动，产生偏离导向块方向的位移时，减振块才起作用，可以减振、消振，保护刀刃和提高加工孔的形状精度。

3 试验验证

1. 试验条件
   • 试验设备：C630改装深孔钻床。 6 J+ `; H& Q; `. T+ u( U2 v
   • 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。 , ]9 d1 s7 ?( a, m
   • 工件材料：40CrNiMo5 250HB～300HB。 9 ?+ t6 t4 J' Y* C) V
   • 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。
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2. 试验方法
   1. 测量两种钻头切削力值，见表1。 # w$ q1 n: n9 j* i/ a+ I& p- |1 r" F. V$ M0 v* e3 P5 G# N# k' O2 }. p* v7 o- W3 o; Q8 L0 N F: Y8 p/ t) ~4 b% u$ {) e6 Y/ W& W$ Z' J% I9 X; C# o8 Q1 r) _ e7 Y% C W; y J6 H9 Q% {3 I* c$ Z* h# U- D" G% o2 w7 U' b" w, ]. E3 X8 |, j4 k; w: c2 X( C% S+ ^/ ^, _ t5 P& _6 Q& }( |: {- l6 B3 T3 o5 B w: n5 G& g7 w2 L w1 d/ k2 T* i3 S X4 @8 P5 o# d/ y7 B4 ], r" L

      表1 切削力对比试验数据

      转速n r/min	进给量vf 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

      
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      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

   2. 测量瞬间轴向力变化情况。
   3. 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。 # S i: Y, x& ^) t! y* f, I) J
   4. 测量两种钻头的钻削长度。 8 c9 A3 |. A7 k3 H! S
   5. 测量两种钻头的钻孔精度。
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3. 试验结果分析 2 J6 D8 p8 _+ a9 y9 Z
   1. 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。
   2. 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。 : E# C7 q8 W; R2 S
   3. 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。 7 k; k3 u% x; p5 e+ j
   4. 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。 ; a+ ~2 B5 o3 D/ n' P5 v; C; P
   5. 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

* n! o3 M' G/ F5 c. j- g

( g4 m3 ~7 M' V6 i( i' C5 I
1. 深孔钻削稳定性直接影响深孔钻头的耐用度和钻孔质量。 ( s6 ^# j& D/ j& s9 `
2. 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。 9 Y) M5 b# G+ s6 x* i
3. 钻尖高度直接影响深孔钻削入钻和出钻的稳定性。
4. 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。