高強度鋼多角度大長徑比細小孔系鉆削精度控制分析

趙志勇 李愛平 張寶榮 胡守琦 劉莉敏

摘要：高壓供油泵體自身的各種油道交叉孔及各孔系自身都有著高精度的尺寸要求和位置要求，因此加工流程較復雜，在深孔鉆削中，槍鉆是比較常見的一種孔加工方法，深孔槍鉆加工過程中，被加工孔直徑小、孔深長、切削形貌是影響其加工質量的一個重要因素，并且切削的成形機理分析與實際加工工藝參數之間的配合關系也一直是深孔加工的難點。隨著科技的發展，通過各類仿真軟件，分析不同的切削速度、進給速度等不同的工藝參數來模擬實際狀態，本研究方向是通過優化工藝參數實現高壓供油泵40倍徑下？準4孔系的實際加工，并且分析槍鉆的鉆削影響分析。

Abstract： The cross holes， intersecting holes and hole series of the high-pressure oil supply pump body have strict shape and position requirements， so the processing technology is relatively complex. In deep hole drilling， gun drill is a common hole processing method. In the process of deep hole gun drilling， the small diameter， long hole depth and cutting morphology of the processed hole are important factors affecting the processing quality， And the matching relationship between the analysis of cutting forming mechanism and the actual processing parameters has always been the difficulty of deep hole machining. With the development of science and technology， through various kinds of simulation software， different cutting speed， feed speed and other different process parameters are analyzed to simulate the actual state. The research direction is to realize the actual processing of ？準4 hole system under 40 times diameter of high-pressure oil supply pump by optimizing the process parameters， and analyze the impact of gun drill drilling.

關鍵詞：大長徑比鉆削;高壓供油泵;細小孔

Key words： large aspect ratio drilling;high pressure oil supply pump;small hole

中圖分類號：TU753.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0130-03

0? 引言

由于目前的企業生產需求，高壓供油泵的壓力值要求一直持續上升，行業中小直徑、大長徑比的深孔需求越來越多，而且對孔的尺寸精度及表面質量要求也越來越高，為了滿足市場需求，優化生產流程和發展科技就變得非常重要，槍鉆加工技術是一種一次鉆削就能獲得可觀的表面粗糙度和尺寸精度的刀具，利用槍鉆加工具有加工效率高、加工質量高、幾何精度高、刀具耐用高以及適用范圍廣等優點[1]。

1? 大長徑比細小孔加工的難點

深孔加工工藝是一種刀具在半封閉加工或者全封閉加工工作狀態下進行加工的一種經常發生的現象，機床操作人員不能直觀的觀察到刀具的切削動態，而在加工過程中，切屑產生在深孔中，由于普通鉆頭的結構缺陷，極其容易出現堵屑現象發生，同時，深孔加工選用的鉆頭，在加工過程中，鉆頭很容易出現振動、偏斜，導致零件精度無法滿足技術指標，另外，鉆頭在深孔加工狀態下，由于鉆刃與工件之間摩擦產生的熱量無法散出，而冷卻液也無法及時的起到冷卻作用，鉆頭溫度逐漸升高，受熱效應影響，鉆頭磨損加劇，極其容易出現卡死、折斷等現象。通常的深孔加工難點有：

1.1 切削過程散熱難

普通的鉆削加工過程中85%的切削熱都是切屑通過冷卻液帶出零件加工區域，但在封閉或者半封閉的深孔加工過程中，潤滑、冷卻都很難起到其作用，導致熱量擴散緩慢，零件及加工刀具成了主要的散熱對象，熱量積聚效應非常明顯，導致刀具刃口溫度可達620℃，極大地影響了刀具的使用壽命。同時，已加工完畢的零件孔系也會發生熱脹冷縮的現象，嚴重的情況最終影響孔加工精度。

1.2 刀具剛性差

由于細小孔的大長徑比加工，槍鉆鉆桿必然是細長結構，導致剛性嚴重不足。加工過程中，容易產生振動、扭曲、卡死、折斷等問題發生。同時，由于上面所述的影響所導致，尺寸精度、位置精度及表面粗糙度都難以保證。

1.3 排屑難

切削行程長，排屑空間狹窄，切屑排出困難，容易與孔壁摩擦，孔加工表面出現螺旋溝。也易發生切屑阻塞，刀具容易磨損、崩刃，報廢零件。

2? 槍鉆的加工機理分析

機械加工中，零件深孔加工是比較常見的一種加工需求，槍鉆加工方法主要針對為直徑？準2～？準25mm的深孔系加工，直徑與孔系之比可超過110，加工出孔的精度可達到IT7～IT9，被加工表面粗糙度為Ra0.6～3.2μm，被加工孔的直線度高，專業的槍鉆系統由：加工設備、槍鉆、導套、高壓冷卻等系統組成。槍鉆夾持部位被加工設備旋轉主軸夾持，鉆頭通過引導孔或者導套進入工作表面，進入后，切削刃的獨特結構起到自動導向的作用，保證了零件的直線精度指標，在切削過程中，高壓冷卻液經高壓通過槍鉆的內噴通道進入到鉆頭的切削部位，將切屑從排屑槽帶出工作表面，同時對鉆刃進行冷卻從而獲得良好的加工表面和加工質量。槍鉆具有幾大特點：

①排屑順暢。槍鉆在加工深孔過程中，高壓冷卻液通過高壓內噴通道可以在加工孔內良好地分屑、卷屑及斷屑，同時將切屑通過排屑槽強行排出。

②潤滑充分。在切屑時，由于加工時間周期長，鉆頭的切削刃溫度會逐漸的升高，如果不及時冷卻會加劇刀具磨損，使零件精度降低、縮短刀具使用壽命，而槍鉆自身結構有冷卻通道，冷卻液通過冷卻通道能夠及時地帶走高速切削時產生的熱量，并且還能起到一定的潤滑作用。

③加工效率高。因槍鉆的加工優勢突出，切削速度與進給速度都比普通鉆削加工速度要快，切屑也能夠及時的排出孔內，不存在加工過程中暫停機床清理切屑現象，所以加工效率會提高很多。

④孔徑尺寸穩定（鉆孔和鉸孔一次完成），孔徑變化范圍較小。

3? 試驗方案

3.1 試驗材料

測試材料是42CrMo，一種超高輕度鋼材，具有高強度和韌性，抗沖擊能力強，由于其具有的優點常被用作于發動機的轉子、主軸、傳動軸等工作負荷較大的零件原材料。

3.2 試驗設計

3.2.1 槍鉆結構的選擇

槍鉆組成部分由：切削部分、刀桿和刀柄組成，切削部分普遍采用硬質合金材質制造。鉆刃面上有一個或者兩個高壓冷卻液孔，槍鉆外表面有一個V型排屑槽，刀桿一般加工方法是利用無縫鋼管軋出V型排屑槽，刀柄是與主軸連接的部位，切削部位與刀桿、刀桿與刀柄通常采用焊接結構，高壓冷卻液從刀柄尾部的孔內經高壓冷卻孔進入切削加工部位把切屑經切削部位和鉆桿上的V型槽沖刷出來。

3.2.2 切削刃頭設計

槍鉆切削刃的設計與自身幾何參數的選擇，會直接影響到零件的最終加工質量，槍鉆通常是由兩個切削刃組成，兩個切削刃的相交點稱為鉆尖，兩個切削刃分別稱為內刃和外刃，分別具有內角和外角。內、外刃的前角γ0一般取為0°，這種平面型前角，方便制造，可簡化刃磨，重復多次修刃。內刃后角α01和外刃后角α02一般為13～23°Fre與Fri，鉆尖后角α03一般也為13～23°。它能防止切屑堆積，使切削液流暢，鉆尖鋒利。后角選取不能太大也不能太小。太大，切削刃強度降低，刀具耐用度下降;太小，后刀面摩擦嚴重，切削溫度升高[2]。

3.3 試驗分析

3.3.1 切削力分析

槍鉆是利用導向塊進行深孔鉆削的一種刀具，所承受的作用力分別包括：作用在與零件接觸的切削部位的切削力，導向塊上的正面壓力、摩擦力及冷卻液作用在切削刃上的壓力，受三種力綜合作用影響。冷卻液壓力和切削力軸向力只影響刀桿彎曲變形，由于機床本身進給系統可控和刀桿剛度的控制，對孔的加工質量可以忽略不計。通過對鉆削力的計算得出：鉆削抗拉強度Ob=700～1000Mpa的鋼料槍鉆試驗表明：軸向力均約為切削力一半，即Fa=0.5F1，而Fa=Fro。當切削速度V=2m/s時，D=4mm，f=0.055 mm/r，測定Ft=1180N：D=20 mm，f=0.07 mm/r，Ft=2850N。

3.3.2 機床主軸旋轉中心與導向套同軸度分析

在槍鉆加工過程中，導向套起到的作用舉足輕重，自身的中心與主軸旋轉中心同軸度精度要求非常高，因為它的導向精度制約著工件的加工精度，導向套設計的不合理直接會造成主油道孔內偏移。根據試驗要求測量在150mm時同軸度不得>0.01mm。另外受槍鉆本身特殊的結構影響，刀具細并且剛性較差，在高速旋轉中，需要保證刀具剛接觸零件工作表面時具有良好的導向，如果主軸旋轉中心與導套中心同軸度差，會導致刀具定心不穩定，加工出的孔系位置精度出現偏移，嚴重的話，刀頭與導向套摩擦力加大，摩擦扭矩Mf快速升高，發生刀具卡死或者折斷現象發生。

3.3.3 鉆削深度對孔系直線度的影響分析

槍鉆在切削刃剛接觸到待加工表面時，鉆頭與導向套直接接觸，導向套為其起到支撐的作用，保證零件的被加工孔精度，槍鉆的與孔的中心軸線偏移量可以忽略不計，但是隨著鉆削深度的不斷增加，槍鉆呈離心作用力也會逐漸增加，當鉆削深度達400mm以后，孔軸線偏移開加劇，偏移量不斷增大，但仍然可預測和控制，當鉆削深度超過1000mm時，孔軸線偏移急劇增加，偏移量變得很難進行預測和控制[4]。

3.3.4 槍鉆自身重量對深孔加工的影響分析

深孔加工中，加工刀桿細長，剛性差是槍鉆顯著的缺點，刀桿在自重的影響下容易產生橫向彎曲，使零件孔中心線產生偏移，這將使被加工孔直線度不可避免地受到影響，另外隨著加工深度的逐步增加，孔軸線偏移會加劇，因此槍鉆自身的重量對深孔加工軸線的偏移是有影響的。

3.3.5 加工切削參數優化

在深孔加工過程中，為了達到零件的被加工表面質量要求及零件的效率要求，最重要的是合理地選擇切削參數，需要綜合考慮零件的材料性能、加工孔徑、孔的深度、切削速度、切削進給速度等因素影響。通常來說，深孔加工的進給量控制在0.01～0.1mm/r，切削速度控制在4000～10000r/min，在此基礎上根據實際加工逐步地優化工藝參數[3]。槍鉆的切削速度主要根據刀具的材料及刀具直徑的選擇來決定加工參數，進給速度的合理選擇會直接影響著供油泵孔系的加工表面粗糙度、直線度及刀具的使用壽命，下面通過對進給速度及切削速度方面分析槍鉆加工參數對孔系的影響：

①進給速度對深孔加工的影響：在槍鉆加工過程中，進給速度參數的選擇要從刀具材質、機床精度、工件剛度、強度這幾方面進行研究，本次加工試驗選擇切削速度為6000r/min，分別以50mm/min、55mm/min、60mm/min、65mm/min、70mm/min的進給速度進行加工試驗，實驗數據如表1所示。

由表1可以看出，隨著進給速度的增大各精度指標也隨著增大，另外隨著隨著進給速度逐漸的增大，刀具的受力也會增大，機床的功率也隨著增大，最終導致刀具振幅增大，致使零件精度降低。

②切削速度對深孔加工的影響：不同的切削速度直接影響被加工零件孔的表面質量。在其它參數確定的條件下，低速切削會導致孔內表面粗糙度低，達不到技術要求;中速切削會產生一定的積屑瘤;高速切削加工后的孔表面質量高，但是高速切削意味著機床的主軸負荷變大，導致機床的穩定性降低，因此在加工過程切削速度不是越高越好，必須選擇合適的切削速度范圍值，才能保證零件的質量，本次試驗選用的進給速度為60mm/min，分別在4500r/min、5000r/min、5500r/min、6000r/min、6500r/min、7000r/min的切削速度情況下對孔的質量分析試驗，數據如表2所示。

由表2可以看出，各項精度指標顯示：當轉速小時，各項精度指標變差，隨著切削速度上升到一定范圍值內，精度會提高，然而如果轉速繼續增大時，精度指標會變的越來越差。

4? 試驗結果

①本次經過對優化槍鉆的切削參數后進行實際加工試驗，通過改變切削速度、進給速度對孔徑加工中的直線度、圓度及孔徑偏差的變化趨勢進行了驗證。②隨著進給速度的增加，進給速度在50mm/min時，孔徑的直線度、圓度、孔徑偏差均在本次試驗技術要求范圍內。③隨著切削速度的增加，各項精度指標由差變優在變差的加工過程，切削速度在6000～6500r/min范圍內精度誤差較小，刀具振動幅度相比其它范圍較小。

5? 結論

針對目前槍鉆深孔加工工藝參數的設置無理論依據，本次試驗結合實際加工，得到了高強度彈簧鋼優越的機械性能。該次試驗基本滿足高壓供油泵體燃油輸出孔孔表面粗糙度Ra≤0.8μm，高壓供油泵體大長徑比？準4深孔直線度0.05/300mm的技術要求。從供油泵加工精度和表面質量的分析入手對槍鉆的工藝參數進行了設計與研究，主要的研究結論包括：①從質量方面分析找出高壓油道孔質量因素，其中表面粗糙度低是由于槍鉆外角偏小，槍鉆的剛性差，切削速度、切削進給等參數選擇不合理，對槍鉆加工過程進行了受力分析，分析結果說明：槍鉆的內角、外角及切削刃偏移量這三個因素決定著零件孔系的直線度和表面質量，外角如果小的話會導致孔的表面粗糙度差，內角小的話會導致直線度差。②通過對導向套與主軸回轉中心同軸度的分析，主軸回轉中心與導向套中心應在一條直線，應避免導向套加工誤差與調試誤差，刀具與導向應配磨到合理的間隙范圍，保證主軸、導向套、槍鉆工作時的最理想同軸度。③槍鉆加工屬于一種綜合性技術，在設計工藝規范時，必須充分考慮深孔加工的缺點，如：刀具細長且剛性不足，加工時孔越深越容易偏移和振幅，切削速度越高刀具的使用壽命會越低。

參考文獻：

[1]王世清.孔加工技術[M]，北京：石油工業出版社，1993.

[2]劉婷婷.柴油機主油道孔槍鉆工藝的研究[D].2019，17.

[3]毛明清.機械加工的深孔加工技術[M].設備管理月維修，2019，10：110.

[4]曹利平，吳善明，王紅新，等.槍鉆加工船用柴油機深孔時孔軸線偏移的機理與工藝[J].2016，54（624）：49-50.