內排屑深孔鉆削-滾壓復合加工實驗裝置研制

賀慶強， 尹德聰， 劉建國， 王鳳序， 許智彬， 李 晨

（中國石油大學（華東）機電工程學院，山東 青島 266580）

0 引 言

空心長軸件其孔深和直徑比（長徑比）遠大于10，主要采用內排屑深孔鉆削（BTA）和深孔珩磨兩道工序來完成深孔加工［1-4］，工序切換需重新定位和裝夾工件，降低了加工效率。目前，在大尺寸深孔加工中，研究人員［5-6］提出了深孔刮削滾光技術（簡稱刮滾），將粗鏜、半精鏜、精鏜和滾壓四道工序合并，在保證內孔尺寸精度和表面質量前提下，大幅提升了加工效率，已經廣泛應用于工程油缸內孔表面光整加工。

現有BTA加工技術，其內孔表面粗糙度可達Ra 3.2，已經滿足內孔滾壓所需表面粗糙度條件。因此，將BTA鉆頭和內孔滾壓頭進行組合設計，通過滾壓促使內孔表層發生塑性變形，在降低表面粗糙度［7］的同時，細化微觀組織并提高內孔表面硬度［8］；另外，滾壓后內孔表面承受壓應力［9］，利于提高工件抗疲勞性能［10-12］。

因BTA加工在封閉空間內進行，無法直接觀察加工時切屑的形成過程，學生對各齒切屑形態特征沒有直觀認識，很難建立加工工藝參數與切屑形態之間的聯系。鑒于專業深孔加工設備的高昂成本，考慮實踐教學實際需要［13-15］，為此，本文以小型教學用車床為基礎，設計并加工了旋轉授油器、鉆削-滾壓復合刀具、鉆桿夾持器和切削液專用供給系統等關鍵部件，研制了內排屑深孔鉆削-滾壓復合加工教學實驗裝置，用于學生的內排屑深孔加工工藝學習。

1 內排屑深孔鉆削-滾壓復合加工實驗裝置總體構成

在CNQ6230車床基礎上，設計了內排屑深孔鉆削-滾壓復合加工實驗裝置，主軸電動機功率2 kW、機床轉速75～1 400 r/min（8檔調速），圖1為裝置總體構成示意圖。主要包括深孔鉆削-滾壓加工系統和切削液供給系統2部分，其中，鉆削-滾壓加工系統由鉆削-滾壓復合刀具、旋轉式授油器和鉆桿夾持器等組成；切削液供給系統由齒輪泵、壓力控制系統、切削液儲液箱及過濾系統等組成。

2 深孔鉆削-滾壓加工系統

2.1 鉆削-滾壓復合刀具結構

圖2為鉆削-滾壓復合刀具結構示意圖。BTA鉆頭通過連接件與滾壓頭主體前端相連接，滾壓頭主體后端通過配車方牙螺紋與標準鉆桿相連接。滾壓頭套有滾柱保持器，保持器前端有內寬外窄，前寬后窄的方槽，方槽內安裝滾柱，同時保持器后端與滾壓頭主體配車螺紋，通過旋擰螺紋來調節滾柱擴漲和收縮，達到調節不同滾壓量的功能。

2.2 旋轉式授油器結構

本文采用工件旋轉＋刀具直線進給的方式進行深孔加工。圖3為旋轉式授油器結構示意圖，主要包括旋轉部、鉆套部、鉆桿密封部和機床連接部。為減少實驗過程中漏油的問題，設計時保證授油器頭部可旋轉，同時采用靜止導向套，保證導向精度。導向套采用壓圈固定式結構，有利于拆卸和更換導向套。

2.3 鉆桿夾持器結構

鉆桿夾持器是深孔鉆削和滾壓復合加工試驗裝置重要組成部分，主要功能就是夾持鉆削-滾壓復合刀具，實現對進給系統的穩定控制。其主要由ER40-NUT、ER40筒夾、鉆桿軸套、螺釘與進給塊組成，如圖4所示。在進給塊底部設計螺栓孔，通過螺栓聯結與機床溜板箱相連。同時，為保證內孔軸線直線度，鉆桿夾持器與機床聯結時，必須保證其與旋轉式授油器和機床主軸嚴格同軸，避免鉆削-滾壓加工時鉆桿偏擺，降低加工精度。

3 切削液供給系統

切削液供給系統是深孔鉆削的核心部件之一，一定壓力和流量的切削液是保證順利排出切屑的媒介，同時，還具有冷卻、潤滑刀具和輔助斷屑的作用。為此，本文研制了專用切削液供給系統，圖5為該系統原理圖，表1為其對應的主要組成部件列表。

表1 切削液供給系統零部件列表

4 內排屑深孔鉆削-滾壓復合實驗裝置調試

安裝過程要求：旋轉授油器固定于車床導軌，通過移動授油器芯軸，使旋轉授油器前端蓋錐面與工件錐面緊密接觸；測試切削液供給系統是否正常；整體裝置油路是否通暢，是否存在漏油現象。調試過程要求：啟動車床；采用高壓低速低進給（油壓5 MPa、轉速200 r/min、進給量92.2 μm/r）；對裝置進行初步加工測試，加工過程順暢。圖6為內排屑深孔鉆削-滾壓復合工具各部件、系統全部裝配完成后進行的設備調試。

5 深孔鉆削加工實驗及結果分析

調試后的內排屑深孔鉆削-滾壓復合實驗裝置進行了深孔鉆削加工試驗，內容為進給量和主軸轉速對深孔鉆削切屑厚度和切屑形態影響，采用單因素變量法設計深孔鉆削（所用鉆頭?30.2 mm）加工方案：①工件材料45＃，切削液壓力4.5 MPa，主軸轉速200 r/min，進給量分別為0.092 2、0.115 3、0.129 1、0.143 4、0.161 4、0.184 4 mm/r；②工件材料45＃，切削液壓力4.5 MPa，進給量為0.184 4 mm/r，主軸轉速分別為200、220、270、380 r/min。

5.1 進給量對切屑厚度和形態的影響

（1）切屑厚度影響。采用管厚規（誤差±5 μm）測量切屑厚度，圖7為200 r/min轉速下各進給量對應的切屑厚度。由圖7可知，同一進給量下，中心齒切屑厚度最大。這是因為從中心齒到邊齒，切削速度不斷增大，切屑與刀齒前刀面相對滑動速度增加，金屬軟化作用明顯，切屑流動順暢，厚度降低。

（2）切屑形態影響。在方案①給定的條件下，詳細觀測各齒切屑形態變化。由圖8從左到右分別為中間齒、邊齒和中心齒的切屑形態可知，進給量直接影響切屑形態。在方案①中進給量范圍內，隨進給量增大，切屑從多圈的發條狀或者長螺卷狀，逐步過渡到近C型屑，實現順利排屑。

5.2 轉速對切屑形態的影響

（1）切屑厚度。在方案②確定的進給量為184.4 μm/r條件下，由圖9在不同轉速的切屑厚度曲線圖可知：切屑厚度與轉速成負相關，切屑壓縮率也有所降低；轉速對切屑厚度的影響從大到小依次為邊齒、中間齒、中心齒。這是因為從中心齒到邊齒，切削速度不斷增大，切屑與刀齒前刀面的相對滑動速度增加，產生熱量更多，金屬材料的軟化作用越明顯，排屑越順暢，不會造成切屑的堆積形變，切屑厚度也是從中心齒到邊齒逐漸減少。與進給量相比，轉速對切屑的影響很小。

（2）切屑形態。圖10為進給量為184.4 μm/r，轉速200和380 r/min時，切屑尚未掉落的實拍圖及局部放大圖，可直觀觀察3個刀齒切屑形態及其變化。

分析其成因為轉速從200～380 r/min，中心齒切屑外側的切屑半徑變小，曲率半徑增大。中間齒切屑在200 r/min時，切屑半徑較大，曲率半徑較小，切屑的卷曲度變小，切屑與工件相接觸，切屑發生反向卷曲變形，當切屑達到彎曲斷裂應變時斷裂；當轉速升到380 r/min時，切屑半徑較小，曲率半徑較大，切屑的卷曲度變大，切屑與工件相接觸，切屑發生正向卷曲變形，成卷曲狀，達到彎曲斷裂應變時斷裂。邊齒切屑在轉速200 r/min時切屑形態為小扇形屑，切屑形態呈“C”形，當轉速380 r/min時切屑形態更趨向圓柱狀，相比較而言，200 r/min時的斷屑效果更好。

6 結 語

本文研制的內排屑深孔鉆削-滾壓復合加工實驗裝置，充分考慮了實驗教學的需要，通過設計加工、組裝后進行了各項指標試驗，試驗結果表明：研制的內排屑深孔鉆削-滾壓復合加工實驗裝置實現對碳素鋼的深孔加工，調整工藝參數形成C形或近C形切屑，可實現順利鉆削，加工過程平穩，內孔尺寸精度及表面加工質量良好。同時，該實驗裝置可幫助學生熟悉內排屑深孔加工工藝流程，加深了學生對進給量和轉速影響切屑形態作用機制的理解，教學效果良好。