細長孔的鉆削參數優化

劉 成，馬鑫濤，李 雪，李曉陽

1洛陽礦山機械工程設計研究院有限責任公司 河南洛陽 471039

2礦山重型裝備國家重點實驗室 河南洛陽 471039

3中信重工機械股份有限公司 河南洛陽 471039

中 信重工生產的用于邊緣傳動的軸齒輪，每年產量約為 120 件，材質為 17CrNiMo6，經滲碳淬火處理，齒面硬度為 57～ 61HRC，芯部硬度 ≥35 HRC，其中兩端軸向共有 4 個φ11 mm 細長孔，最大孔深為 1 200 mm (長徑比＞100∶1)，其作用是在檢修時方便拆卸軸承。細長孔一般是在數控鏜銑床上配備槍鉆實施加工，加工時常出現細長孔軸心傾斜、鉆頭折斷等問題，且加工效率較低，影響生產進度。

1 鉆削影響因素分析

1.1 機床精度的影響

槍鉆不同于普通接桿或整體加長麻花鉆，并不是所有的鉆床、鏜床和車床都能與槍鉆配合進行加工。槍鉆是內冷外排屑，屬高轉速、小進給切削，要求具有高轉速、高精度且具有冷卻系統的機床配合加工。普通機床轉速低、進給穩定性差、沒有冷卻系統，退刀排屑、鉆削過程受力不均，鉆削細長深孔時軸線易傾斜或折斷鉆桿，鉆孔質量差、效率低。故此由高精度數控鏜銑床配合槍鉆實施細長孔加工效果較好。

1.2 材料硬度的影響

材料硬度不均衡造成鉆刃切削時受力不穩，鉆頭偏擺，造成加工孔軸線傾斜、鉆頭崩刃或折斷。

1.3 鉆削方式

鉆桿相當于懸臂梁，懸出越長則剛性越差。如果工件靜止，鉆桿旋轉進給時，隨著鉆桿進給量的增加，其剛性越來越差，會造成深孔軸線傾斜。如果鉆桿旋轉而工件進給，則減少了由于鉆桿剛性因素對加工的影響。

鉆削參數和鉆頭幾何角度的選擇。槍鉆的轉速和進給倍率選擇的不合理，會造成鉆頭磨損過快、受力不均；槍鉆切削刃角度不合適，在鉆深孔時，同樣會造成槍鉆受力不均，造成偏擺大、直線度差、甚至槍鉆崩斷的問題。

1.4 加工條件改進

鉆導向孔時未找正工件，或加工軸齒輪端面與其軸線不垂直，就會造成鉆桿軸線與孔口端面不垂直。開始鉆孔時由于垂直度誤差造成鉆頭受力不均，影響開始鉆孔時孔的軸線傾斜度，最終影響細長深孔軸線傾斜或鉆桿折斷。為提高加工質量和效率，鉆導向孔時嚴格找正，且端面先銑平再鉆導向孔，保證孔口端面與工件軸線和鉆桿中心軸線垂直。

由傳統人工澆注冷卻、退刀排屑，增加深孔鉆(冷卻) 系統，選定匹配壓力和流量，采用剛性及鉆削性能高的進口槍鉆，來改善排屑和冷卻工況。

通過對上述影響細長深孔加工的因素進行不斷優化，加工質量和效率有所提高，但未達到理想效果。槍鉆適用于加工小直徑細長深孔，其內冷外排屑方式，具有深孔加工質量高、效率高的優點。但鉆削角選擇不當，且鉆削參數 (轉速、進給量) 選擇不匹配，致使鉆削時產生的力不合理，阻礙鉆削，從而影響深孔加工質量及生產效率，影響生產進度、增加工藝成本。槍鉆鉆削角、鉆削參數是否最佳是影響細長深孔加工質量、加工效率主要關鍵因素，也是最難選定的因素。筆者以軸齒輪細長孔加工為例，通過試驗優化槍鉆鉆削角、鉆削參數，并達到提高加工質量和加工效率、降低工藝成本的目的。

2 細長孔鉆削

TK6916B 數控鏜銑床的數控系統為 SIEMENS 系統，配備槍鉆型號為 STOCK，規格為φ11 mm 3 根 (L=500 mm、L=940 mm、L=1 380 mm) 進口槍鉆。TK6916B 數控鏜銑床深孔加工如圖 1 所示。

圖1 TK6916B 數控鏜銑床深孔加工Fig.1 Machining of deep hole with TK6916B numerical control boring and milling machine tool

2.1 工件找正

將軸齒輪固定在 TK6916B 機床旋轉移動工作平臺上，在軸齒輪兩端的等直徑圓上架上 V 形鐵。找正兩端軸徑外圓母線，允差為 0.02 mm/m。找正后選擇合適的壓板將工件壓緊，重新打表復檢工件是否移動，若移動，則重新找正至要求。工作臺旋轉 90°，使軸齒輪一端面正對鏜軸，保證鉆桿軸線與軸齒輪軸線平行，軸齒輪端面垂直。

2.2 鉆導向孔

以軸齒輪的軸線為原點，銑平端面，在中心位置鉆φ11 定位孔，再鉆鉸φ11H7 導向孔，孔深 30 mm。導向孔加工完成后，將 75 mm 長的圓棒φ11h6 插入導向孔內，保證導向孔軸線與軸齒輪軸線平行。

2.3 槍鉆最佳鉆削參數

被加工零件的材質不同，熱處理后所體現出的硬度也不同，槍鉆最佳鉆削角也不同。槍鉆鉆削角如圖 2 所示。工件硬度高，槍鉆外刃和內刃的夾角 (鉆削角γ) 小，反之則大。鉆削角過小時，鉆削徑向力增大，鉆桿易卡死折斷；鉆削角過大時，鉆削軸向力增大，鉆削阻力大，鉆桿偏擺幅度大，不易進給[1]。鉆削角一般為鈍角，不同材料的最佳鉆削角不同。

圖2 槍鉆鉆削角Fig.2 Drilling angle of gun drill

根據設定的鉆削角，計算外偏角α、內偏角β[2]，一般情況下α比β大 10°)。每次加工軸齒輪上細長孔時，必須對槍鉆鉆削角γ進行校正。刃磨校正槍鉆時，鉆尖距鉆桿軸線距離也是影響鉆削效率的一個因素。

為選取最佳鉆削角提高加工質量和效率，通過選取不同鉆削角和不同鉆削參數 (轉速n、進給量f) 進行試驗。鉆削轉速n與進給量f的合理匹配是高效、高質量完成細長深孔加工的重要因素。鉆削參數的選擇與被加工軸齒輪的材料性能、孔的深徑之比有關。進給量不能太小，太小鐵屑呈帶狀，不易斷屑，排屑不暢，易堵塞，造成鉆頭受力不均，軸線傾斜或折斷鉆桿；進給量也不能太大，否則單位時間內產生的鐵屑體積大，由于槍鉆與工件間排屑間隙小，造成排屑不暢，易堵塞，同時槍鉆負荷增大，產生熱量增加，槍鉆磨損增快，造成鉆頭受力不均，軸線傾斜或折斷鉆桿。鉆削轉速過低，則加工效率低，孔的表面質量差；鉆削轉速太高則會產生大量的切削熱，降低槍鉆耐用度，同時振動也會增大。進給量大，產生的鐵屑如果不能及時排出，同樣影響鉆孔的質量和效率[3-5]。鉆削參數匹配試驗如表 1 所列。

表1 鉆削參數匹配試驗Tab.1 Matching test for drilling parameters

由表 1 可知，使用 TK6916B 數控鏜銑床鉆削軸齒輪細長孔時，槍鉆鉆削角為 110°，鉆桿轉速為 880 r/min，進給量為 0.015 mm/r，鉆削效率最高、質量最佳。選擇此鉆削參數加工軸齒輪細長孔時效率最高、且質量最好。

4 結語

經過實踐檢驗，TK6916B 數控鏜銑床鉆削軸齒輪細長孔時，最佳槍鉆鉆削角為 110°，鉆桿最佳轉速為 880 r/min，最佳進給量為 0.015 mm/r。經過優化鉆削參數后，簡化了加工工序，減少了進刀、退刀及磨刀次數，減少了斷刀、取刀次數及時間，加工時間由原來的 20～24 h 縮短到 8 h，提高了加工效率；減少了槍鉆的使用量，節約了采購槍鉆的費用，同時提高了細長孔的加工質量。