復(fù)合鉆風(fēng)電大齒圈螺紋連接深孔加工工藝研究

趙明月

(太原重工股份有限公司 齒輪傳動分公司，山西 太原 030024)

0 引言

深孔是指長徑比(即孔深L與孔徑d之比)大于5～10的孔。深孔加工是機械加工中的一道難題，尤其是大深徑比的深孔加工，加工難點在于無法直接觀察刀具的工作情況，只能通過鐵屑的形狀、鉆削時的聲音及機床的振動來判斷加工是否正常，刀具剛性差、強度低，易引起刀具偏斜；散熱困難，排屑不易，經(jīng)常產(chǎn)生直徑變大、出現(xiàn)錐形或孔偏斜等現(xiàn)象，從而達不到質(zhì)量要求。

1 風(fēng)電大齒圈螺紋連接深孔加工現(xiàn)狀

太原重工股份有限公司生產(chǎn)的風(fēng)電大齒圈是海上風(fēng)力發(fā)電機組關(guān)鍵部件增速器的核心零件，齒圈材質(zhì)為18CrNiMo7-6，在直徑Φ2 645 mm圓上分布有36-Φ39 mm深610 mm的螺紋連接通孔(如圖1所示)，長徑比達15，粗糙度要求為Ra12.5，位置度要求為Φ0.5，零件最終熱處理后的硬度高達HRC35～HRC42。

圖1 風(fēng)電大齒圈

實際生產(chǎn)過程中，選用高速鋼麻花鉆加工螺紋連接通孔，由于零件硬度較高，為了增加麻花鉆的強度和耐用度，在使用前對鉆頭進行修磨，將鉆頭外緣處的前刀面磨去一部分，使主切削刃外緣處的前角減小，如圖2所示。圖2中，γ1為修磨前的前角，γ2為修磨后的前角。鉆削時，切削轉(zhuǎn)速為50 r/min，進給為0.1 mm/r，鉆頭磨損較嚴重，每鉆一孔必須進行刃磨。刃磨時，需機床停機等待，且孔的加工質(zhì)量差，粗糙度只能達到Ra25，孔內(nèi)部有鐵屑劃傷痕跡，深度可達1 mm，在使用過程中容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。并且在鉆孔時由于刀尖崩刃造成側(cè)刃擠傷，鉆頭報廢率很高。鉆頭刃磨后的切削參數(shù)取決于上次的刃磨質(zhì)量，給加工編程和工人操作造成困難，由于擔心加工過程中鉆頭發(fā)生斷裂，整個加工過程中工人精力高度集中，精神緊張，一天僅能加工10個孔，加工效率極低；甚至經(jīng)直角尺檢查后發(fā)現(xiàn)孔有偏斜現(xiàn)象，零件翻身加工時兩側(cè)孔無法完全重合接通。

圖2 麻花鉆修磨示意圖

2 原因分析及加工工藝研究

2.1 原因分析

通過使用因果分析法進行分析，造成生產(chǎn)效率低、零件加工質(zhì)量差的原因主要有以下幾點：

(1) 齒圈在最終熱處理后芯部硬度高達HRC35～HRC42，普通的麻花鉆材質(zhì)為高速鋼，切削性能不能滿足加工要求，刀具易磨損，造成多次刃磨，刀具刃磨質(zhì)量進一步造成切削加工的不穩(wěn)定性，孔加工過程中易發(fā)生偏斜，導(dǎo)致雙面對接困難。

(2) 所加工孔的深度達到孔徑的15倍，屬于深孔加工范疇，孔加工過程中雙面加工均屬于盲孔加工，在孔內(nèi)鉆頭鉆桿要占據(jù)很大一部分空間，排屑空間受到限制，而且切屑難以自動排出，切屑在孔內(nèi)擠壓，從而劃傷已加工孔表面。

(3) 由于機床采用外冷方式，故冷卻能力有限，無法帶走最惡劣部位的熱量，冷卻效果差，產(chǎn)生大量的熱量并加劇刀具的磨損。

2.2 加工工藝

根據(jù)分析，為解決問題可從以下幾個方面進行：

(1) 結(jié)合目前刀具技術(shù)的發(fā)展，在考慮經(jīng)濟性的情況下，選擇高速鋼中心鉆和硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位涂層刀片組成的復(fù)合鉆(如圖3所示)，中心鉆在復(fù)合鉆工作時起定心、導(dǎo)向作用，涂層刀片承擔主要的切削功能。鉆孔時，切削刃上各點的切削速度不同，鉆心處切削速度為零，隨著切削刃外緣直徑的增大，切削速度不斷增大，切削力不斷增大，切削熱越來越大，因此，在鉆心處選擇有較高彎曲強度的高速鋼中心鉆，鉆刃選擇有較高硬度、熱硬性和耐磨性的可轉(zhuǎn)位涂層刀片，如圖4所示。

圖3 復(fù)合鉆整體 圖4 復(fù)合鉆局部

(2) 為實現(xiàn)切削過程中的冷卻效果和及時沖出鐵屑的目的，選擇帶內(nèi)冷的復(fù)合鉆，使冷卻液可直接噴射在主切削區(qū)。復(fù)合鉆工作時，冷卻液進入鉆桿，從鉆桿冷卻孔通過，由鉆頭的冷卻孔噴出，將孔內(nèi)鐵屑沖出，達到刀刃冷卻、排屑順利的目的。

(3) 設(shè)計轉(zhuǎn)接接頭，改變機床的冷卻系統(tǒng)，將機床的外部冷卻系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)接接頭(如圖5所示)的方式接入復(fù)合鉆冷卻接頭，滿足刀具內(nèi)冷的需要。

圖5 機床冷卻轉(zhuǎn)接接頭示意圖

3 采用復(fù)合鉆加工工藝后的效果

根據(jù)復(fù)合鉆的加工特性，鉆孔切削轉(zhuǎn)速可達到800 r/min、進給可達0.2 mm/r，加工效率明顯提升，加工過程如圖6所示。加工后孔內(nèi)粗糙度達Ra2.2(如圖7所示)，兩側(cè)孔對接后未發(fā)現(xiàn)接刀痕跡(如圖8所示)，滿足圖紙要求，更改為內(nèi)部冷卻后再未出現(xiàn)復(fù)合鉆刀片崩刃及孔表面劃傷的現(xiàn)象。

圖6 加工過程 圖7 加工后孔內(nèi)粗糙度 圖8 兩側(cè)孔對接質(zhì)量

4 結(jié)語

經(jīng)過對兩種加工方案的加工時間及加工效率、加工質(zhì)量的對比，采用復(fù)合鉆加工風(fēng)電大齒圈螺紋連接深孔屬于優(yōu)選方案，可以進行推廣應(yīng)用。