深孔钻削稳定性研究及应用

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1、深孔钻削稳定性研究及应用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

2、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。　　1钻削稳定性的影响因素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。钻削过程中切削力变化的影响通过试验测得，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。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

3、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。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。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。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。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

4、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。导向套与钻头间隙的影响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

5、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

6、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X(u)=3(tgu-u)/uu=0.5L(Fx/EI)½式中：L——钻杆长度Fx——轴向力E——弹性模量I——惯性矩式中E、I为常量，X(u)只与钻杆

7、长度L和轴向力Fx有关，L，Fx增大，X(u)相应增大。在入钻时，轴向力Fx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。图2导向套与钻头间隙的影响钻尖高度的影响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

8、，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