錯齒BTA深孔鉆削切屑變形斷裂影響因素研究

李旭波 鄭建明 孔令飛 肖世英 劉 馳 郭 便

西安理工大學機械與精密儀器工程學院，西安，710048

0 引言

BTA（boring and trepanning association）鉆作為一種典型的自導向內排屑深孔鉆，在兵器、航空、汽車、核能等制造行業得到廣泛應用［1?3］。斷排屑問題一直是內排屑深孔鉆削的難點，尤其是在對像核電管板類高強度低碳合金鋼進行深孔加工時，由于材料的強度高、韌塑性好，故切屑斷裂困難，堵屑、打刀現象時常發生，直接影響深孔鉆削效率［4?5］。錯齒BTA鉆頭各刀齒所處位置不同、鉆削條件不同，切屑變形斷裂規律不同。此外，各刀齒前刀面設計了斷屑臺來增大切屑的彎曲變形量，輔助切屑斷裂。然而，斷屑臺尺寸設計與鉆削工藝參數的匹配，目前尚無完整的理論可予指導，只能依靠經驗值［6］。國內外學者對此也展開了不少研究。BIERMANN等［7］采用槍鉆對難加工材料鎳基718進行深孔鉆削試驗，研究了切屑變形斷裂隨刀齒刃偏角和鉆削工藝參數的變化規律。GAO等［8］通過試驗研究BTA鉆頭在鉆削過程中各刀齒切屑變形及鉆削力隨鉆削參數的變化規律，建立了切屑變形量與鉆削力之間的關系模型，其模型表明：切屑變形量越大，鉆削的軸向力越大。SAHU等［9］建立了設計有斷屑臺的麻花鉆的鉆削力模型，獲得了隨鉆削半徑分布的刀屑接觸長度，研究了斷屑臺尺寸參數對鉆削力的影響。吳明陽等［10］利用切屑底層與頂層在流出時的速度差，建立切屑卷曲半徑預測模型，通過試驗研究了在切削鎳基高溫合金時高壓冷卻液的壓力對切屑卷曲半徑的影響，切削液壓力增大，切屑彎曲半徑減小，斷屑條件改善。TNAY等［11］建立了槍鉆加工過程中切屑液流體動力學數值計算模型，研究了刀具角度對切屑排出效率的影響，并對刀具角度參數進行了優化設計。楊翔等［12］建立了錯齒BTA深孔鉆削有限元仿真模型，利用拓撲結構優化對排屑通道進行了優化設計。

上述研究關于錯齒BTA深孔鉆削切屑變形斷裂機理和鉆頭斷屑臺設計的理論尚不完善。本文在分析錯齒BTA深孔鉆削切屑變形斷裂的影響因素的基礎上，通過試驗研究錯齒BTA鉆頭深孔鉆削過程中切屑變形斷裂隨刀齒鉆削半徑、鉆削工藝參數及斷屑臺尺寸的變化分布規律，為錯齒BTA鉆頭結構參數及鉆削工藝參數的優化匹配提供理論依據。

1 切屑變形斷裂影響因素分析

BTA深孔鉆削是典型的內排屑深孔鉆削方式，其工作原理如圖1所示。鉆削過程中高壓切削油從授油器進入鉆桿外表面與授油器之間的空腔，經過鉆桿外圓柱面與工件孔壁間的空隙將高壓切削油注入到BTA鉆頭頂部，冷卻、潤滑切削區并將形成的切屑反方向推入鉆頭的大排屑口和小排屑口，經刀桿流入積屑箱，切屑分離后，切削液通過油泵加壓循環使用，從而實現深孔的高效連續加工。由工作原理可知，能否形成規則的切屑并順利排出，是內排屑深孔鉆削的關鍵。

圖1 錯齒BTA深孔鉆削原理圖Fig.1 Schem atic diagram of BTA deep hole d rilling

錯齒BTA鉆頭的3個刀齒橫向錯位分布具有很好的分屑作用，各刀齒前刀面設有斷屑臺以增大切屑彎曲變形、輔助切屑斷裂，通過分屑、斷屑保證切屑具有合適的輪廓尺寸以順利排出。本文研究切屑的變形斷裂主要是針對塑性材料生成長屑的情況而言，切屑形成及變形過程如圖2所示。刀齒切削刃與工件材料發生剪切滑移作用后形成切屑，切屑與前刀面發生擠壓摩擦，前刀面對切屑的擠壓作用如同一分布力作用在短的懸臂梁一側，產生彎矩，導致切屑受擠壓面（光面）與自由面（褶皺面）在流出速度上存在差異，促使切屑發生彎曲變形。切屑從前刀面流出后，流經斷屑臺受到再次擠壓，彎曲變形進一步增大，經刀屑接觸終止點與斷屑臺頂點形成一個半徑為rc的圓弧。

圖2 切屑流經斷屑臺彎曲變形的幾何關系模型Fig.2 Deform ation model of chip across the chip-b reaker

切屑從斷屑臺流出后處于自由狀態，受強迫變形的切屑將產生彈性恢復，切屑的曲率半徑會增大，切屑自由面的應變亦增大，當切屑的應變大于材料的斷裂應變時，切屑發生斷裂。在切屑的曲率半徑增大過程中，切屑自由面的應變增量

式中，tc為切屑厚度；rf為切屑斷裂時切屑曲率半徑；K為切屑半徑變化比，K=rf/rc。

文獻［13］研究表明，在1.2≤K≤4時，塑性材料的切屑將發生斷裂。

根據圖2模型，切屑流經斷屑臺時的曲率半徑

式中，lc為刀屑接觸長度；wb為斷屑臺寬度；hb為斷屑臺高度；θ為卷屑角。

根據金屬切削的滑移線模型［14］，得到刀屑接觸長度

lc=2tc（4）

將式（2）代入式（1），可得

由式（5）可知，切屑厚度與斷屑臺的尺寸會直接影響切屑的應變。而切屑厚度除了與刀齒切削角度、工件材料有關，還與刀齒切削半徑和鉆削工藝參數有關［15］。只有明晰切屑厚度的分布變化規律，才能為各刀齒選取與鉆削工藝參數相匹配的斷屑臺尺寸，從而保證良好的斷屑效果。

2 試驗條件及方法

鉆削試驗采用刀具回轉式數控內排屑BTA深孔鉆試驗平臺(圖4)，鉆桿長度1 500 mm，最大鉆削深度1 000 mm，鉆削轉速范圍0～2 000 r/m in，切削油動力黏度1.33×10?2Pa·s，最大供油壓力6 M Pa，流量90 L/m in。為研究斷屑臺尺寸參數對切屑變形的影響，將9個直徑為17.75mm的錯齒BTA鉆頭的3個刀齒斷屑臺寬度與高度磨制成表1所示的尺寸。鉆削試件材料選擇核電管板常用的高強度低碳合金鋼SA 508?3，其物理機械特性參數如表2所示［5］，工件尺寸為800 mm×500 mm×200 mm。在進給量范圍為0.04～0.12 mm/r、轉速范圍為800～1600 r/m in情況下采用單因素試驗法進行鉆削試驗，對收集到的切屑用無水酒精清洗后，在OLYMPUS?BX 51M電

圖3 BTA深孔鉆削試驗平臺Fig.3 BTA deep hole drilling test p latform

表2 SA 508-3物理機械特性參數Tab.2 Physicaland mechanical characteristic param eters of SA 508-3

3 試驗結果分析

3.1 切屑厚度隨刀齒鉆削半徑的分布規律

采用5號鉆頭在轉速n=1 200 r/m in、進給量f=0.1 mm/r條件下進行鉆削試驗，顯微鏡下3個刀齒切屑的橫截面如圖4所示，由于3個刀齒所處位置不同，鉆削半徑不同，形成切屑的形態相差較大。在電子顯微鏡下對沿刀齒鉆削半徑分布切屑的厚度進行等分測量，結果如圖5所示。各刀齒上子顯微鏡下對各刀齒切屑進行分類觀察測量，研究各刀齒切屑厚度隨刀齒鉆削半徑及鉆削工藝參數的變化規律。隨刀齒鉆削半徑r的增大，切屑厚度tc增大，tc?r曲線近似為直線，其斜率按中心齒、中間齒、外齒的順序依次減小；刀齒切屑厚度的最大值點均位于各刀齒切屑大徑邊緣且中心齒、中間齒、外齒的最大切屑厚度依次減小，外齒切屑的最大厚度為0.215mm，中心齒、中間齒、外齒的最大切屑厚度比為1.53∶1.17∶1。

圖4 各個刀齒切屑橫截面Fig.4 Chip cross section w ith d rill radius

圖5 切屑厚度隨鉆頭刀齒鉆削半徑分布規律Fig.5 Distributionsof chip thicknessw ith drill radius

鉆削過程中隨鉆削半徑增大，材料的去除率增大，切屑流出速度增大，產生切屑的曲率半徑增大，而切屑在流動過程中卷曲螺距相同［15?16］，如圖6所示。高溫切屑流出后刀齒鉆削半徑小的一側切屑會受到拉伸作用，導致切屑厚度減小，因此，各刀齒上隨鉆削半徑增大，切屑厚度增大。

圖6 錯齒BTA深孔鉆切屑形態Fig.6 Chip m orphology of BTA deep hole d rilling

假設鉆削變形前后，切屑與工件材料的體積不變，則刀齒半徑r上流出切屑的厚度

式中，ω為鉆頭旋轉的角速度；V(r)為刀齒半徑r上單位時間切削工件材料的體積;v(r)為刀齒半徑r上流出切屑的速度;tc0為切削層厚度。

根據鉆削過程同一個刀齒上形成切屑流出時的螺距相同，可得刀齒半徑r上流出切屑的速度

式中，R為刀齒大徑；ph為切屑卷曲的螺距；vR為刀齒大徑邊緣流出切屑的速度，vR=ωRtc0/tcR；tcR為刀齒大徑邊緣切屑厚度。

將式（7）、式（8）代入式（6）可得各刀齒上隨鉆削半徑分布的切屑厚度

通過式（9）可知，在中心齒上由于鉆削半徑變化較大，故中心齒的切屑厚度變化率最大，而隨鉆削半徑的增大，中間齒、外齒半徑的變化率減小，切屑厚度的變化率減小。因此，中心齒、中間齒、外齒各刀齒隨半徑變化切屑厚度的增大率依次減小。

3個刀齒切屑大徑邊緣的形貌如圖7所示，金屬切削過程是在剪切區的不連續剪切滑移過程，并且形成的切屑會在第二變形區經過滑動—停留堆積—再滑動3個階段［17］。中心齒切削半徑小，切削線速度小，在切削過程中的擠壓作用大于剪切作用，剪切區寬度增大，導致切屑與前刀面在第二變形區的正壓力增大，需要克服切屑與前刀面之間的靜摩擦力增大，停留堆積時間增大，切屑厚度增大。中間齒、外齒隨鉆削半徑增大，切削速度增大，切削條件改善，剪切區的應變速率高，產生的切削熱多，切削區溫度高，材料的塑性流動增強，切削時與前刀面的擠壓、摩擦小，易形成切屑流出，切屑堆積效應減弱，切屑厚度減小。所以中心齒、中間齒、外齒大徑邊緣切屑的厚度依次減小。

圖7 各刀齒切屑大徑邊緣的切屑形貌Fig.7 Chip morphology of the teeth large d iam eter periphery

3.2 切屑厚度隨鉆削工藝參數的變化規律

由于各刀齒大徑邊緣的切屑厚度大、刀屑接觸長度大，切屑卷曲半徑大，因此，切屑從前刀面流出后，其大徑邊緣首先與斷屑臺發生接觸，產生擠壓變形。以各刀齒大徑邊緣切屑的厚度、斷裂系數為研究對象，通過單因素試驗法，采用5號鉆頭在轉速n=1 200 r/m in時不同進給量和進給量f=0.1 mm/r時不同轉速情況下進行深孔鉆削試驗，研究鉆削工藝參數對各刀齒切屑厚度、斷裂系數的影響變化規律。

圖8是在不同鉆削工藝參數下獲得的各刀齒切屑厚度曲線，3個刀齒切屑厚度的變化規律相同，且都是中心齒切屑厚度＞中間齒切屑厚度＞外齒切屑厚度；隨進給量的增大，切屑厚度增大，隨鉆削轉速的增大，切屑厚度減小，但與進給量相比，鉆削轉速影響較小。因為進給量增大時各刀齒切削層厚度增大，切屑厚度變形系數也增大，所以切屑厚度增幅較大。此外，鉆削轉速增大時，各刀齒鉆削的線速度增大，切削主變形區與第二變形區摩擦產生的熱量增大，切削區溫度升高，切屑塑性提高，切屑與前刀面潤滑條件改善，切屑在前刀面的堆積效應減弱，切屑厚度減小。

圖8 鉆削工藝參數對切屑厚度的影響Fig.8 In fluence of drilling p rocess param eters on chip thickness

3.3 鉆削工藝參數對切屑應變的影響

將采用5號鉆頭在不同鉆削工藝參數下鉆削得到的切屑厚度代入式（5），由于SA 508?3材料的韌塑性強，切屑半徑變化比取K=3.8，獲得不同鉆削工藝參數下各刀齒切屑應變增量，如圖9所示。中心齒、外齒、中間齒各刀齒的切屑應變增量依次減小，隨鉆削進給量的增大，切屑應變增量增大，且變化率增大。中心齒在進給量f=0.06 mm/r時切屑發生斷裂，中間齒與外齒在進給量f=0.08mm/r時切屑發生斷裂，3個刀齒相比，中心齒的斷屑條件較差。轉速對切屑應變增量影響較小，隨轉速增大，中心齒切屑應變增量基本不變，外齒與中間齒切屑應變增量減小。因為進給量增大時，切屑厚度增大，刀屑接觸長度增大，前刀面和斷屑臺對切屑產生的彎曲變形能增大，切屑的應變增大，切屑更易斷裂；而轉速增大時，切削層厚度不變，切屑厚度減小，而切屑溫度升高，切屑材料伸長率增大，斷裂應變增大，不利于切屑斷裂。

圖9 鉆削工藝參數對切屑應變的影響Fig.9 In fluence of d rilling p rocess param eters on chip strain

3.4 斷屑臺參數對切屑應變的影響

9個不同斷屑臺尺寸的錯齒BTA鉆頭在進給量f=0.1 mm/r、轉速n=1200 r/m in條件下工作，3個刀齒的切屑應變增量及對應的切屑如圖10所示，斷屑臺尺寸會直接影響切屑卷屑角和卷曲半徑，從而對切屑應變產生影響。由于中心齒的切屑厚度大，并且厚度變化梯度大，因此，3個刀齒中中心齒切屑應變增量受斷屑臺尺寸的影響較大。隨斷屑臺寬度增大、高度減小，切屑應變增量減小，斷屑條件惡化；隨斷屑臺寬度減小、高度增大，切屑應變增量增大，斷屑條件改善。但是如果斷屑臺寬度過小、高度過大，切屑受到過度擠壓變形，就會致使切屑流出的阻力增大，產生厚度嚴重不均均勻的節狀切屑，進而導致鉆削力波動大，鉆削穩定性差，刀齒易崩刃。

圖10 斷屑臺尺寸參數對切屑應變的影響Fig.10 The influence of chip-b reaker param eters on chip strain

4 結論

（1）通過試驗研究了切屑厚度、切屑應變隨刀齒鉆削半徑、鉆削工藝參數以及斷屑臺尺寸的分布變化規律。研究結果表明，刀齒鉆削半徑對切屑厚度影響較大，各刀齒隨鉆削半徑的增大，切屑厚度增大，中心齒、中間齒、外齒的切屑厚度增大率依次減小，刀齒上切屑厚度最大點均位于刀齒大徑邊緣，中心齒、中間齒、外齒的切屑最大厚度比為1.53∶1.17∶1。

（2）不同鉆削參數下，3個刀齒大徑邊緣的切屑厚度變化規律相同，中心齒、中間齒、外齒各刀齒大徑邊緣的切屑厚度依次減小。隨進給量的增大，切屑厚度增大，隨鉆削轉速的增大，切屑厚度減小，但與進給量相比，鉆削速度影響較小。

（3）中心齒、外齒、中間齒各刀齒的切屑應變增量依次減小，隨鉆削進給量的增大，切屑應變增量增大；隨斷屑臺寬度減小、高度增大，切屑應變增量增大，斷屑條件改善。