浅析机加工专机线的钻套

juebuyanqi

钻套在零件的孔类加工中可起到重要的辅助作用。深入了解钻套的使用可使技术人员更好地利用其进行加工操作，同时在钻套失效时进行正确处理，避免一些不正当的使用及处理方法，有效提高生产效率。
汽车发动机、变速箱的机加工零件大约有70％左右的加工内容需要选择钻孔、扩孔、铰孔及镗孔等不同的加工形式，采用单独或组合加工来完成。零件的孔类加工因设备的差异性（CNC加工中心与专机加工生产线）决定了有些刀具在专机线加工孔类时离不开钻套的辅助支持作用。实际生产中，钻套的合理使用是机加工生产线操作工及技术支持人员必须引起关注的重点。熟悉了解及正确使用钻套可以保证加工零件上各孔的技术满足要求，反之，则会出现钻头折断、刀具直径加快磨损、钻孔引偏、影响后道加工及增加替换钻套时间等情况，最终直接影响到生产线的开动率。故技术人员必须了解和熟悉钻套的相关常识及控制手段。
( @$ F4 Y* t5 @" {/ a8 k钻套的作用
* w# ?' K3 \% D2 f( @/ o钻套的主要作用是控制刀具的位置尺寸和导引刀具的送入方向，满足其加工孔有较高形位公差及斜面、曲面上钻孔的技术要求（见图1）。当设备上加工零件的夹具定位精度不理想时，有时还可以通过钻套刻意改变主轴的偏移量来达到加工孔位置度的技术要求，这是一种在调整设备比较耗时的前提下的应急方法。另外，专机线的个别工位上的钻套还能起到直径刀具的防错验证，即生产线操作工在替换钻头或铰刀刀具前，将新刀具往钻套孔里边插入，验证其是否能够通过，使刀具直径超差的风险得到控制。

图1  挺柱孔上加工斜油孔的钻套装置
8 ]1 z4 g) x% g2 _钻套的材料
$ w' E4 J$ R* w根据加工对象的差异性及刀具的材质，一般钻套会选用硬质合金或合金钢材料；高速钢钻头或铰刀刀具的钻套一般会选择合金钢材料或硬质合金材料；而硬质合金钻头或铰刀刀具的钻套则会选择硬质合金材料。从钻套的材料来看，虽然最终已达到较高的硬度（一般合金钢钻套经过热处理以后的硬度达HRC58～65左右，而硬质合金钻套的硬度更高，可达到89～93HRA），但是钻套在使用久了或使用不合理的状况下，还是会出现失效现象。
9 r3 s5 c0 p3 \8 n钻套与加工对象的相对位置
钻套与加工面的间隙距离是根据加工孔、加工方式及加工刀具的形式而定。有些钻套在定位后与加工面有一定的间隙，而有些钻套定位后与加工面是接触式的无间隙纵向定位。
1. 非接触式的纵向定位
这种定位方式是当加工孔的位置度要求相对不高、加工对象的纵向轮廓度尺寸较大、钻头刀具刚性较高及钻套的纵向位置定位是固定式的定位装置时，钻套与加工面往往选择有一定的间隙距离。这是绝大部分钻套的定位方式。
  S2 v9 E! T- y1 ]6 M2. 接触式的纵向定位
这种机构其钻套的定位往往采用弹簧装置或液/气压装置来保证钻套与加工对象的实际接触。这种装置不但能够保证内冷却的压力处于比较理想的状态，而且特别是斜面上或者曲面上的定位更能减少刀具在初始加工中的让刀偏移量，保证加工孔的最终位置度要求。下面的形式就需要选择纵向接触式的定位方式：
6 n$ e4 N  D' Q5 l+ M1 A( ?（1）加工对象表面的特殊性
$ R8 Q: @/ C6 }0 P, Z2 D位置度要求高的加工孔、加工对象是斜面或者曲面上的孔（如缸盖挺柱孔上的斜油孔），有些是双向偏移的加工对象孔（如曲轴轴颈上的斜油孔），这时候往往会选择钻套与加工表面接触式的定位或较小间隙的钻套定位方式，这样可保证刀具加工中孔的位置度控制在工艺要求范围内。
（2）内冷加工形式
. y2 p, z+ {4 M* \$ q) {根据刀具的使用情况，决定钻套与加工对象的纵向定位。没有内冷却液的刀具加工，一般选择钻套与加工面有一定间隙；而有高压内冷的钻头刀具，往往会选择钻套与加工面纵向接触或密封状态。其选择接触和密封状态时，虽然钻套的纵向定位需要固定架，增加了复杂的伸缩装置，但是却能够保证刀具内高压冷却的压力，从而达到让切屑顺利排出钻套外，避免钻套与加工面有间隙时，由于高压内冷却液直接在间隙处卸压，冷却液减少推动钻套内的切屑朝后面排出的力，造成切屑堵塞在钻头容屑槽内，严重时造成钻头扭拒上升而折断刀具。
钻套的失效
8 |0 v* o8 M! {. e9 i0 z" _1 T钻套的失效就是钻套使用一定时间以后已满足不了其应该承担的辅助支持作用。因此，生产线操作工在实际生产中应该注意钻套的失效现象。其常见的失效有以下3个方面：
+ X! }. N$ @) Z, F5 a- ]& E9 Y1. 钻套的孔壁磨损
  ]( g) |9 [5 d' o钻套的孔壁磨损就是由于钻头或铰刀的副切削刃与钻套孔壁长期相对摩擦或短期单边急剧摩损，形成整个孔壁磨损（见图2）或一定范围的孔壁磨损。钻套使用时间偏长，直接导致钻套的内径尺寸变大，一旦孔径变大，会直接造成钻头加工对象孔的位置度尺寸和加工孔径超差。钻套的单边磨损，一种原因在于零件的前道工序加工孔位置与后道工序加工刀具位置的同轴度值较大而引起；另一种是因为主轴与钻套的同轴度不好造成的。在实际生产中，由于专机线动力头上的主轴与夹具体上面的钻套出现微小位移，这种差异往往由于设备调整比较困难，而只能靠替换钻套来保证加工零件的位置度，最后造成钻套呈单边磨损。

图2  钻套的孔壁磨损
# p; Q7 F( ]3 X8 x4 N5 N2. 钻套的孔壁局部磨损
: g  h: Z& S# c) t+ K（1）钻套的局部单边磨损
4 b+ E7 n$ U- R3 \在加工凸轮轴和曲轴的斜油孔时使用的辅助钻套，由于加工钻头刀具与加工面不是垂直切线方向进给，故钻头在加工中有一定倾斜的角度。虽然有些钻套也做到了与加工孔表面位置的纵向定位程度，但是由于钻削加工中受力不均匀的原因，其钻套孔壁的一个侧面受力较大，直接导致钻套孔壁的一边加快磨损，这样当磨损越来越严重时就会存在钻头易断的潜在风险。当钻套出口端面与加工表面设定的间隙值不合理时，钻套的单边磨损更严重，并且小直径钻头刀具更易折断。如一些单缸盖生产线的加工挺柱孔斜油孔的钻套，其钻套出口端面与挺柱孔孔壁的间隙距离比较大，达到6mm之多，这样4mm的钻头在加工斜油孔当中，频频出现断钻现象，还加快了钻套局部孔壁的单边磨损（见图3）。
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图3  钻套局部孔壁的单边磨损
（2）钻套的交叉位置磨损
  N' v9 S7 N- s+ k' m当钻套位置与主轴位置的同轴度较差时，钻头刀具加工一段时间以后会导致钻套进、出口处的相对位置的局部磨损。如图4所示，由于钻头刀具与钻套不同轴，所以钻头在进入钻套时就碰到了左边的孔壁，这样导致钻头的直线度变化。而钻头在继续进给时，由于钻头与钻套的配合间隙，又造成钻头在钻套的出口处碰到钻套的右边，这样加工中不仅仅是加工孔的垂直度不好，使用时间一长还导致钻套的进出口孔壁出现相对的孔壁位置磨损。这种现象开始的时候加工孔还在工艺允许要求范围之内，但是时间一久，加工孔的位置度就会出现超差现象，因此，只能采用更换钻套的方法来满足加工孔的位置度要求。
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图4  钻套的交叉位置磨损
3. 钻套的密封圈磨损
有些钻套还采用密封圈组合在上面，这种组合钻套的密封圈磨损会直接影响到刀具加工过程中系统供给冷却液压力的下降，影响切削过程中切屑的排出。因此，钻套密封圈的检查与及时更换也是需要关注的工作点，图5所示钻套总成中的密封圈也是钻套使用中的一个失效关注点。
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图5  钻套的密封圈
. D5 z* q/ @7 C; `1 y" w钻套的替换原则
钻套在实际使用过程中，钻套孔壁与直径刀具相互摩擦，当已满足不了加工技术要求时，则需要替换新钻套。钻套的替换原则根据钻套的失效情况而定，其常见的类型如下：
1. 钻套孔径超差报废　　
& f. q+ A5 |# {0 Q0 K! T$ a钻套的孔径在制造过程中需遵循一定标准的制造要求，即钻孔时、扩孔时、粗铰孔时和精铰孔时都采用不同的选择标准。当有些钻套由于使用时间较长，内径变大而造成加工对象的孔位置尺寸超差或加工孔直径变大时，此类钻套应作报废处理而重新更换。
2. 钻套孔壁局部磨损严重　
: j0 l) L; [% C+ H有些特殊钻套虽然孔径没有全部出现磨损，但是由于局部的孔壁磨损已经造成钻头的折断现象上升，故也应及时更换新钻套。
3. 钻套使用寿命到期
有些钻套根据实际生产中的使用寿命，虽然还没有出现加工零件孔的位置度超差，但是已经到了设定使用寿命，该类钻套也应该作正常替换。
4. 钻套的破损及断钻的卡死
钻头的折断会直接影响到钻套的破损、碎裂及断钻卡死在钻套内，这样不得不重新替换钻套。
6 @$ c" w" Z( e0 J; r. n钻套的使用寿命设定
设定钻套的使用寿命，是为了更好地控制使用过程中常见的失效现象。一般钻套使用寿命的设定与其他刀辅具和易耗件刀具一样，也可以采用一定的方法。
. c9 _+ A9 ~5 i- k6 p3 w首先，可采用设备供应商的推荐值来控制；其次，根据实际生产中的经验值来设定。但是，设定的使用寿命与刀具的使用寿命方法也有其差异性，刀具往往可以直接从加工对象的状况及自身磨损程度来判定寿命设定是否合理，而钻套的失效由于一般使用时间较长，故往往不被引起注意。另外，实际生产中比较难观察到钻套对刀具的影响及加工零件要求的满足程度，因此，人们往往需要根据加工对象的形状位置尺寸的测量结果和定期检查及判断钻套来决定其是否可以继续使用，通过多次循环的数据采集，才能得出正常情况下的使用寿命。
' h3 Q9 w3 t% u钻套的正常孔壁磨损量可以通过正常的使用寿命设定来保证，通过加工孔的形状位置精度与满足下道工序的加工同轴度要求来设定。而有些钻套局部孔壁磨损，是不容易发现的潜在风险。因此，实际生产中必须实施相关的加工结果来判断钻套的磨损，减少应急替换钻套的现象。如通过加工零件的前后加工孔的位置度来预测钻套的磨损加剧程度；目测加工孔的钻头加工与铰刀加工的同轴度情况来判断钻套的磨损及定期检查钻套的实际磨损程度等。目前在实际生产中，钻套往往是根据孔加工的位置度及断钻的频繁出现来替换。因此，人们应该选择预防性的PM时间，利用计划性的PM时间替换非计划性的替换钻套时间，以这种合理设定的PM验证频次来达到控制钻套正常使用寿命的目的。
5 M. |6 o* M  B& [) i4 T/ Q结语
钻套是机加工专机生产线的孔径刀具加工孔的主要专用辅助件，钻套的合理使用是有一定规律可以总结摸索的。钻套不是在钻头或者铰刀折断时才需要替换，也不是一直可以长期使用。只有在一定的规范使用流程前提下，才能保证使用的钻头或者铰刀刀具趋于合理状态中，从而保证加工零件的孔的形状位置精度要求，同时使钻套正常合理地使用。【MechNet】
% S, h; D" G; R& M- x2 P. X文章关键词： 机加工