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难加工材料超长深孔钻削试验研究.pdf.doc 分类号 学号 TG506.9 2009002002 密级 硕士学位 难加工材料超长深孔钻削试验研究 题 目 申 人 请 李瑞亮 指导教师姓名 刘战锋教授 申请学位专业 机械制造及其自动化 提交论文日期 2012年 5月 20日 I 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果;也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名:____________ 日期:____________ 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即:研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到《中国学位论文数据库》并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名:__________ 日期:__________ 导师签名:__________ 日期:__________ ?注:如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出(含解密年限等)。 I 中文摘要 论文题目:难加工材料超长深孔钻削试验研究 专 业:机械制造及其自动化 硕士生:李瑞亮(签名) 指导教师:刘战锋(签名) 摘 要 随着社会的快速发展难加工材料越来越受到重视，现已用于飞机、汽车、石油化工、 航天、航海、医疗、冶金等领域，有着很大的发展潜力。随着难加工材料制备技术不断 地提高，应用领域不断地扩大，对切削加工的要求将会越来越高。由于难加工材料的特 殊机械性能，给切削加工带来许多困难，尤其是超长深孔钻削技术目前已成为国内外的 技术难题。 本课题以典型难加工材料为研究对象，在难加工材料切削性和超长深孔钻削技术理 论研究的基础上，对 4145H钻铤钢、钛合金和高温镍基合金进行了深入分析，从钻削系 统，刀具材料，刀具结构，切削用量等因素了Φ71×7500mm4145H钻铤钢、Φ70× 6500mmTC11钛合金和Φ41×5440mm高温镍基合金的超长深孔钻削试验。试验结果证明试 验用钻削系统钻削效果良好，工艺可靠，并且还对产生良好工艺效果的原因、钻削过程 中遇到的问题和预防措施进行了分析。 研究结果对于难加工材料超长深孔钻削刀具及工艺的设计有重要的参考价值;并对 难加工材料在实际生产应用中有一定的促进和指导作用。 关键词:难加工材料;深孔钻削;钻削机理 论文类型:应用基础研究 II 英文摘要 Subject:Experimental Research on Difficult-to-cut Material Overlong Deep-hole Drilling Speciality:Mechanical Manufacturing and Automation Name: Li Ruiliang(signature) Instructor:Liu Zhanfeng(signature) ABSTRACT With the rapid development of society, the difficult-to-cut material more and more was concerned. Now they have been used for aircraft, automobile, petrochemical, aerospace, marine, medical, metallurgy and other fields, has a great development potential. As the preparation of difficult materials technology continues to improve, applications continue to expand; the requirements of the difficult-to-cut material cutting will be higher. Because the difficult-to-cut material has specific mechanical properties, bring to cutting many difficulties, especially overlong deep-hole drilling technology has become the technical problems at home and abroad. This topic is typical difficult-to-cut material as the research object. On the basis of the difficult-to-cut material study the overlong deep-hole drilling technique theoretical. Conducted in-depth analysis the 4145H drill collar steel, titanium and high temperature nickel-based alloys. From the drilling system, tool material, tool structure, cutting parameters and other factors to design test. The Φ71 × 7500mm 4145H drill collar steel, Φ70 × 6500mm TC11 titanium and Φ41 × 5440mm high temperature nickel-based alloys conduct overlong deep-hole drilling test. The test results show that the test drilling systems effect well and technology reliable. And the reasons of the problems encountered in the drilling process and preventive measures were analyzed, also produce good process effect. The test results have important reference value for difficult-to-cut material overlong deep-hole drilling tool and process design; for the difficult-to-cut material have a promotion and guidance role in the actual production. Keywords: difficult-to-cut material; deep hole drilling; drilling mechanism; Thesis: Application Study III 目录 目录 第一章绪论??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1.1本课题研究的目的和意义???????????????????????????????????????????????????????????????????????1 1.2难加工材料超长深孔加工的国内外发展及研究现状?????????????????????????????????????? 1 1.2.1深孔加工的发展历史???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 1 1.2.2深孔加工国外现状??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 2 1.2.3深孔加工国内现状??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 3 1.2.4深孔加工的发展动向???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 5 1.3课题来源及主要研究内容???????????????????????????????????????????????????????????????????????6 1.3.1课题的来源???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 1.3.2主要研究内容????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6 1.4创新点???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????6 第二章难加工材料切削加工性分析????????????????????????????????????????????????????????????????? 7 2.1材料切削加工性的定义??????????????????????????????????????????????????????????????????????????7 2.2典型难加工材料切削加工性能分析??????????????????????????????????????????????????????????? 7 2.2.1不锈钢材料切削加工性能分析???????????????????????????????????????????????????????????? 8 2.2.2钛合金材料切削加工性能分析???????????????????????????????????????????????????????????? 9 2.2.3镍基高温合金材料切削加工性能分析????????????????????????????????????????????????? 12 2.3小结???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13 第三章难加工材料超长深孔钻削机理探讨???????????????????????????????????????????????????????14 3.1孔轴线偏斜理论分析??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 14 3.1.1深孔钻削加工方式对孔轴线偏斜的影响?????????????????????????????????????????????? 14 3.1.2刀杆对孔轴线偏斜的影响???????????????????????????????????????????????????????????????? 16 3.1.3导向套偏移对孔轴线偏斜的影响??????????????????????????????????????????????????????? 17 3.1.4其他因素引起的孔轴线偏斜????????????????????????????????????????????????????????????? 18 3.2深孔钻削切屑形态分析???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 19 3.2.1分屑??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 20 3.2.2卷屑??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 22 3.2.3断屑??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 23 3.3超长深孔排屑机理研究???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 25 3.4小结???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 30 第四章难加工材料超长深孔钻削试验研究???????????????????????????????????????????????????????31 4.1 4145H钻铤钢超长深孔加工试验研究??????????????????????????????????????????????????????? 31 4.1.1试验条件????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 31 IV 目录 4.1.2试验参数????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 32 4.1.3试验工艺路线??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 32 4.1.4试验数据????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 33 4.1.5试验结果????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 33 4.2钛合金超长深孔加工工艺试验研究????????????????????????????????????????????????????????? 34 4.2.1试验条件????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 34 4.2.2试验参数????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 35 4.2.3试验数据????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 35 4.2.4试验结果????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 36 4.3镍基高温合金超长深孔钻削试验???????????????????????????????????????????????????????????? 37 4.3.1试验条件????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 37 4.3.2试验参数????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 38 4.3.3试验数据????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 38 4.3.4试验结果????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 39 4.4典型难加工材料超长深孔加工试验分析??????????????????????????????????????????????????? 40 4.4.1切屑处理????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 40 4.4.2孔轴线偏移和喇叭口现象???????????????????????????????????????????????????????????????? 40 4.4.3钻头的失效形式和耐用度???????????????????????????????????????????????????????????????? 41 4.5小结???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 41 第五章钻削过程中遇到的问题及预防措施???????????????????????????????????????????????????????42 5.1控制孔轴线偏移的措施???????????????????????????????????????????????????????????????????????? 42 5.1.1钻削前预防偏斜的措施??????????????????????????????????????????????????????????????????? 42 5.1.2深孔钻削中孔轴线偏斜的控制?????????????????????????????????????????????????????????? 43 5.1.3其它纠偏的方法???????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 46 5.2预防堵屑现象的措施??????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 46 5.2.1切屑变形的影响因素?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 46 5.2.2预防措施????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 47 5.3小结???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 49 第六章结论与展望?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????50 6.1结论???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 50 6.2展望???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 50 致谢???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 52 参考文献?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 53 攻读硕士学位期间发表的论文??????????????????????????????????????????????????????????????????????? 55 V 主要符号表 主要符号表 ——钻头直径，mm; d l ——孔深，mm; KV ——相对切削加工性，; αb ——抗拉强度，MPa; δ伸 ——伸长率; ψ ——收缩率; α k ——冲击韧性，J?cm -2 T ——实验温度，?; ; ——瞬时强度，MPa; α s α100 ——持久强度，MPa; θ A ——刀杆转角，?; Lg ——刀杆的长度，mm; Lx ——刀头的长度，mm; δ ——孔轴线偏斜量，mm; Fx ——刀杆受到的进给作用力，N; ——为刀杆的弯曲变形量，mm; Y θ ——倾斜角，?; ——容屑系数; R γ οτ ——内刃前角，?; αοτ ——内刃后角，?; ψ r ——余偏角，?; e ——钻尖偏心量，mm; γ ——切削液的比重; ——泵距离钻削系统的垂直高度，mm; h ——泵入口处压强，MPa; P hw ——损失水头，MPa; ——截面处液体的流速，m/s; V VI 第一章绪论 第一章绪论 1.1本课题研究的目的和意义 在机械制造业中，一般将长径比L/d>50(L为孔深，d为孔径)的孔称为超长深孔。 深孔加工是机械加工的一个重要分支，同时深孔加工工艺理论也是机械加工研究的重要 课题。随着技术的进步和工业的发展，深孔加工的应用范围越来越广泛，几乎在所有 [1] 机器制造部门如石油机械、航空工业、造船、冶金、发电设备、模具制造都有应用，从 而成为普遍采用的一种加工方法，且占有越来越重要的地位。同时随着新材料的出现， 对深孔的加工要求也越来越高，难加工材料的超长深孔加工逐步出现在机械制造业中， 尤其在工业技术快速发展的今天，它占据着越来越重要的地位。难加工材料超长深孔钻 削与一般切削加工相比有以下特点: [2] ?深孔钻削处于一种全封闭或者半封闭的加工状态下，操作人员不能直接观察深孔 刀具的切削状态、走刀情况和磨损程度。 ?由于孔比较深，切屑在深孔内经过的路径比较长，不便于切屑排出，容易发生堵 屑现象，造成钻头崩刃。 ?由于被加工孔的长径比比较大，钻杆细长，其刚性较差，工作时容易偏斜及产生 振动，而且会随着钻削深度的增加而增加，使被加工孔的精度和表面粗糙度难以保证。 ?切削热量在切削区内不便于散出，钻头在近似封闭的状态下工作，热量容易积累， 使钻头磨损严重。 ?在加工超长管件时，对于深孔钻床的稳定性要求很高，特别是刀杆的稳定性，为 了满足加工质量要求，无形中增加了成本的投入。 难加工材料具有强度高、耐磨性好、淬透性好、抗蚀性好和高低温性好等优良特性, 因而在航天航空、石油化工和海洋开发等行业的应用越来越广泛，大量被用作精密仪器 制作材料。但这类材料，成品棒料韧性大、导热系数低、切削时塑性变形大、加工硬 [3] 化严重和切削热大;而且散热困难，切屑对刃口粘附严重，容易产生积屑瘤，切屑不易 排出等切削特性，对其进行超长深孔钻削非常困难。 目前，国内对难加工材料的超长深孔加工还没有系统的研究。本课题的目的在于寻 找一套合理的加工机理和加工工艺，以此来提高难加工材料超长深孔加工质量和生产效 率满足市场的需求。 1.2难加工材料超长深孔加工的国内外发展及研究现状 1.2.1深孔加工的发展历史 深孔加工技术经过长期的发展，其发展经历了以下几个阶段: [4] (1)20世纪初期，西方工业发达国家军事部门发明了单刃钻，因用于加工枪孔而取 1 西安石油大学硕士学位论文 名枪钻。二战期间，由于枪炮在战争中的需求量非常大，使这项孔加工技术得到了快速 的发展; (2)1943年德国的Beisher研制出了毕斯涅耳系统(即内排屑深孔钻削系统)，后 经深孔加工国际孔加工协会(BoringandTrepanningAssociation，简称BTA协会)加 以完善并命名为BTA方式。这种方法在枪钻的基础上进行了改进使刀具刚性增强，更加 有利于排屑，使孔的表面质量提高; (3)1963年瑞典山特维克公司发明了喷吸钻，这是一种巧妙应用喷吸效应的方法， 可以采用较低的切削液压力，使切屑在推、吸效应下排出，降低了系统的密封性，改善 了排屑过程; (4)20世纪70年代中期由日本冶金股份有限公司研制出DF(DoubleFeeder)单管双 进油装置，增加了一个具有喷吸效应的油压头，把BTA法与喷吸钻两者的优点结合在一 起的一种孔加工方法; (5)20世纪80年代，王峻等人在总结归纳传统深孔加工的基础上，发明了单管内 排屑喷吸钻技术(即SIED技术)，这种技术完善了DF钻的抽屑设计，使抽屑能力有所提 高，而且对内排屑钻头进行了优化。 这五种深孔钻削系统在钻杆结构、供油方式、刀具制造成本等方面都具有各自的特 点，所适用的孔径范围、深度范围、加工精度和表面质量各不相同，在选用时，可根据 实际中具体的情况而定。随着科学技术的快速发展，新型刀具材料在不断的出现，这又 在切削性能上使深孔加工有了大幅度的提高，使得这些技术不断发展和壮大。从目前看， 深孔钻削加工的方法已比较完善，基本可以满足现代化的生产。今后的主要任务是以现 有的深孔加工系统为基础，不断完善和改进各种加工系统，寻找适合各种加工系统的加 工工艺，提高它们的加工能力和切削效率。 [4] 1.2.2深孔加工国外现状 近几年来，在深孔加工方面的国际市场上，还是瑞典的SANDVIK--CONTOMANT公司占 有大部分的份额，其主要产品是BTA钻，其他的加工方法如日本的喷吸钻在国际市场上 鲜有人提及 。 [5]、[6] 目前，德国Dortmund大学在深孔钻削测量技术方面处于国际领先地位。他们研究的 钻头带有测力元件，在钻削过程中能直接的测量切削力和扭矩。但是这种钻头制造需要 的时间较长，价格也比较昂贵，不利于在中小企业中推广，所以发展很缓慢。 [7] 美国ATIStellram刀具公司借助了美国冶联科技国际集团ATI集团的内部优势，专 业致力于难加工材料刀具的研制，研究出的刀具材料在国际难加工材料领域处于最前沿， 为难加工材料高效加工技术的不断发展做出了很大的贡献。 [8] UntiedIntimationTechnologies公司设计出了一种可钻削直径ø0.05,ø4mm，最 大行程为150mm的MachidaMiero一Hole型自动钻床，其获得专利的扭矩监测器能立即 2 第一章绪论 反应钻孔过程中的任何超限阻力，使钻头迅速从孔中退出，用润滑油冷却后重新工进， [9]、[10] 深度不大于直径130倍的孔可一次加工完成 。 美国的Issam.Abu-Mahfouz等通过获取加工过程中振动信号，利用后向算法训练的 多层前馈神经网络，成功识别钻头的5种不同磨损状态。结果表明振动信号对刀具状态 [11] 监控与制造过程的故障诊断是有效的 。 2006年，瑞典Sandvik集团属下的Coromant公司研发出了Corodrill800深孔加工 钻头，它不仅具有较宽的孔加工直径范围、高的孔表面加工质量等优势，而且在刀具导 向条上螺旋凹槽的独特设计也保证了深孔加工中切削液流体对刀具的冷却、润滑、排屑 [12] 及动态加工稳定性的要求 。 随着国际工业科技的快速发展，近几年在传统深孔加工领域国际上并没有出现更先 [13] 进的加工设备，但是由于特种加工的出现，为深孔加工注入了新的活力 。国外好多科 研企业在大力发展电火花加工深孔、高速钻削技术、激光加工深孔、线切割加工深孔， 尤其是在日本快速发展起来的超声振动加工深孔。20世纪50年代，限部淳一郎提出了 振动切削理论，现在在不同的加工领域都进行了应用。在深孔加工领域，使用超声振动 切削理论之后，成功的解决了深孔的断屑和切屑处理两大难题，同时通过试验取得了合 [14] 理的工艺参数，使加工精度、加工效率和表面质量均有明显提高 。这些特种加工技术 陆续应用于深孔加工，起到了对传统深孔加工技术空白部分的补充作用，但并不能替代 传统机械加工方法，因为以上几种特种加工方法设备投入非常大，经济收益慢，对工人 技术要求高，推广难度大，因此传统机械加工方法加工深孔仍会在长时间内居于主导地 位，特别是在实体钻削技术上。 1.2.3深孔加工国内现状 深孔技术在我国得到了广泛的应用，一些院校及科研机构也对深孔加工作出了一些 研究，成都工具研究所、中北大学、西安理工大学、西安石油大学、广西工学院、北京 科技大学、大连理工大学等单位在深孔加工技术研究方面处于领先水平。 为了解决内排屑深孔钻削方式不能钻小直径深孔的问题，中北大学在20世纪末期研 制出了SIED技术。这一技术可以在一台深孔钻床上完成多道深孔加工工艺，使钻削效率 提高了很多。他们研发的SIED深孔钻头没有设置断屑台，便于重磨。这种钻头的实用性 比较好，结构也比较简单，在一般企业就可以加工生产，有利于推广。 [15] 西安石油大学深孔加工技术研究所研究出了多齿折线刃深孔钻头，它是在普通内排 屑深孔钻头的基础上对钻头的结构和刃型做了有效的改进，钻头包含中心齿、外齿、中 间平齿和两个中间尖齿，各齿不在同一个圆锥面上，中间尖齿的锥面在轴向方向上高出 中心齿和外齿锥面，使切屑不在同一平面内切削，可实现有效分屑。这种深孔钻的切削 力比较小，定心效果好，切削平衡，在深孔钻削中取得了较好的效果，使深孔加工的孔 [16]、[17] 径与深度范围大大扩展 。 3 西安石油大学硕士学位论文 西安石油大学深孔研究所研制的四棱带深孔麻花钻，这种麻花钻具有螺旋角大、钻 心厚、需修磨横刃、刃背为曲线形和锋角大等特点在实际深孔加工中也有一定的应用。 这种麻花钻排屑阻力小，钻头刚性、强度均较好。 广西工学院研究出了一种在数控机床上加工小直径深孔的高效数控深孔钻床，这种 数控深孔钻头它的前角一般为0?,2?，后角为12?，顶角为120?，设置的排屑槽是 120?V型排屑槽，通过试验证实了这种数控深孔钻床在钻削合金结构钢的小直径深孔时 效果较好。 [18] 北京科技大学和哈尔滨工业大学利用多尺度和多个特征参数，通过试验监测钻削过 程，观察刀刃在破损、折断等异常情况下各特征参数的变化规律，并设定极限值，最后 利用小波变换的方法对深孔钻削振动加速度信号进行了功率谱分析，有一定的成果。 王宁侠把强力珩磨技术应用于深孔加工过程中，通过试验，在加工钛合金和沉淀型 不锈钢深孔时使用强力珩磨技术，提高了孔的精度和表面质量。这种技术可以很好的进 行深孔的精密和高效加工，尤其是在加工难加工材料精密深孔加工时。这种方法目前在 [20] 深孔加工领域大面积使用，得到了很大的认同 。 刘安明,刘沈在没有深孔钻的情况下选择用车床主轴孔安装专用刀杆和珩磨装置进 行加工，这套加工使刀具固定在主轴上旋转，工件固定滑板向前行走，解决了加工 长度的问题，试验结果比较理想。 [21] 华红芳分析了带有XD技术的大长径比整体硬质合金深孔钻的特点,研究了这种技术 可适用于不同的切削材料,且对切削液的品种和供给不挑剔。该钻头工作时依靠螺旋槽将 切屑从孔中排出,即使在钻削长屑材料时形成的长条切屑也能顺利排出。通过性能分析及 相关比较解析了深孔钻头高效加工的优点及合理的钻削步骤。该钻头在深孔加工中表现 [22] 出的优异性能,可大大降低深孔加工成本 。 何铮,胡凤兰等利用磁化切削的加工方法对深孔进行了研究,经过研究表明使用磁化 切削的加工方法可以使钻削过程中的切削力下降、切削热减少、并使零件加工质量得到 改进。实验证明，高速钢钻头采用磁化钻削比普通钻削效果好,零件加工质量得以提高, 刀具耐用度可提高1.4倍以上,且不需要增加昂贵的专用设备,方法简单易行。 [23] [24] 彭海，张敏，王水航出于对环境保护的需求研究了干式深孔加工技术 ，干式加工 采用无切削液或切削液雾化加工的方式,既避免了污染,又降低了切削成本,是一种绿色 制造技术。该种加工方式要求刀具材料耐热、耐高温、耐磨,常选用YD15等特殊材料作 刀片,并进行试验优化参数。提出了将干式切削技术应用于深孔加工的方案,介绍了低温 风冷及雾化冷却排屑式的亚干式深孔加工,并对其中的技术难题和关键技术进行了分析 探讨。 西安石油大学朱林、刘战锋教授及其研究生都在大直径深孔套料钻上进行了研究， 进行了难加工材料的大直径深孔套料加工试验,并设计了套料钻和加工工艺。利用CAXA 软件的实体建模功能和FLUENT的流场分析功能，对深孔套料切削液流动进行了三维数值 4 第一章绪论 模拟，得到了深孔套料切削液流动的相关信息，为深孔套料排屑空间的研究提供了理论 [25]、[26]、[27] 依据 。 姜鹏飞,张建中等利用超声振动对难加工材料上进行孔的钻削加工,研制一种超声 轴向振动系统,并对合金铜进行试验。试验结果表明,超声振动钻削能很好解决小深孔加 工的难题,分析了小深孔的定位精度、直线度和加工效率，这种方法有着广阔的应用前 [28]、[29] 景 。 1.2.4深孔加工的发展动向 ?深孔刀具磨损与破损研究 由于数控机床、加工中心、自动线生产的需要，不仅要求深孔加工刀具高效耐用， 而且特别需要稳定可靠;随着科学技术的发展，新型难加工材料的日益增多，并对深孔 加工的精度、生产效率提出了更高的要求;有的深孔很长，长径比大于500，甚至1000 以上，刀具的行程路线相当长，因此，对刀具的耐用度提出了更高的要求。世界各国投 入了大量的人力，物力进行刀具磨损与破损的研究，以研究金属切削过程中的摩擦与磨 损为基础的“金属切削摩擦学”和“摩擦物理学”等新兴学科已初步形成。 ?切削加工方法的研究 为适应种类越来越多、加工难度越来越高的新材料的深孔加工已由传统的切削 加工方法发展到了非传统切削加工方法，前者是以机械力学为基础的单刃或者多刃刀具 的切削加工方法，后者是以附加能量(如热切削、低温切削、磁化切削和振动切削)、附 加介质切削(如添加气体切削或涂复固体润滑剂切削)、高速切削及电解切削等。 非传统切削法，可以改善切屑形态的形成、切削力、刀具耐用度及已加工表面质量 等例如低温切削时，刀具的热磨损对它的耐用度和已加工表面质量影响最大，当工件材 料的温度降到-20?时，可以基本上抑制积屑瘤的产生，同时改变切削区的摩擦状态，避 免已加工表面出现鳞刺、犁沟、减小表面微裂纹、提高表面质量。再例如深孔电加工和 深孔超声振动加工，它们运动简单、无变形、毛刺少、刀具费用少。主要用于高硬度、 高强度的难加工材料加工，特别适用于大批量生产。 ?深孔刀具材料的研究 由于航天、航空、海上石油钻探及高温、高压技术的飞速发展，出现了超高强度、 高硬度、耐高温、抗蠕变的特殊合金，使切削这类材料变得十分困难。某些工程材料， 尽管他们有着优良的物理机械性能，但是，因为很难切削或无法切削，不能在工业中正 常应用。因此，研究开发新型刀具材料是件十分紧迫的任务。其趋势有以下方面:研究 和开发新型的陶瓷刀具材料例如S-8氮化硅陶瓷刀片，硬度为HRA89,91，切削速度可 高达1828m/min。耐磨性和化学稳定性都很好的新型陶瓷刀具材料;研究和开发聚晶块 和复合式刀片，这类刀片切削速度高、表面粗糙度小、精度好;大力发展刀具多层耐磨 涂覆技术，多涂层工艺是在硬质合金基体上依次涂上结合层、过渡层和耐磨层，各层极 5 西安石油大学硕士学位论文 薄并经反复涂覆。例如WidalonTK15刀片，涂有13层，这种刀片几乎可以在各种切削 条件下使用。 深孔加工从产生以来经过了数代科研人员的改良，已经获得了长足的进步。但是深 孔加工自身固有的加工缺陷(切屑排出困难，切削液难于输送，不便于观察等)却始终 存在。如何进一步减小这些缺陷对工件加工及加工质量的影响始终是我们今后研究的重 中之重。如何借鉴前人的经验来找到合理难加工材料超长深孔钻削的方法成为本次课题 研究的重点。 1.3课题来源及主要研究内容 1.3.1课题的来源 西安石油大学深孔加工技术研究所多年来一直从事深孔加工技术方面的研究和开 发，试验设备比较齐备，研究者具有一定的深孔工作经验，在加工刀具和加工工艺方面的 研究已经达到国内先进水平，但是在难加工材料的超长、高精度、高效率深孔加工的研究 还处于起步阶段。在生产中这类孔的加工愈来愈多，加工的方法也多种多样，但都不能取 得较理想的效果。为了解决难加工材料超长深孔加工中的这类难题，并使该技术能尽快应 用于生产。2010年我校深孔加工技术研究所根据生产中遇到的难加工深孔加工技术需要， 将“难加工材料超长深孔钻削试验研究”作为本课题的题目。 1.3.2主要研究内容 本课题主要对难加工材料超长深孔钻削技术进行研究，研究的具体内容包括: ?难加工材料超长深孔钻削机理研究。 ?建立超长深孔钻削力学模型，并通过试验的办法对模型进行修正。 ?选择典型的难加工材料(不锈钢、钛合金、高温合金)对其进行超长深孔钻削， 选择合理的加工方式、刀具材料及刀具几何角度。 ?针对不同的材料选择合理的切削用量和切削液流量进行试验。 ?分析试验结果，改进实验过程，找到最佳的刀具角度、切削用量和切削液流量。 1.4创新点 ?确立典型难加工材料超长深孔钻削刀具几何角度。 ?采用理论建模和试验相结合的方法，研究难加工材料的加工性能，探索合理的切 削用量参数，为典型难加工材料超长深孔加工提供一定的理论依据。 6 第二章难加工材料切削加工性分析 第二章难加工材料切削加工性分析 [30] 2.1材料切削加工性的定义 材料的切削加工性是指某种材料进行切削加工的难易程度。切削加工性的概念具有 相对性。正因为切削加工性是相对的，才使材料切削加工性在不同的条件和不同的要求 下，有不同的衡量指标。在不同的情况下，可以用几种不同的指标来衡量材料的加工性。 在生产中常用材料的相对切削加工性( KV)来表示材料加工的难易程度: v60 KV = (2-1) (v60) j 式中:v60——当刀具耐用度t =60min时，切削被加工材料所用的切削速度; (v60) j——当刀具耐用度t =60min时，切削σ b =0.75GPa的 45#钢时所用的切削 速度。 KV越小，材料加工的难度越大。目前常用的工件材料，按它们的相对加工性可分为 8级，如表 2-1 所示。 表2-1相对切削加工性等级 相对切削加工性 加工等级 名称及种类 代表性材料 KV 很容易切 铝镁合金 1 >3.0 一般有色金属 铝铜合金 削材料 2 易切削钢 2.5,3.0 退火 容易切削 15Cr 材料 1.6,2.5 3 正火 30#较易切削钢 钢 45#钢 一般钢和铸铁 4 1.0,1.6 灰铸铁 普通材料 85#钢扎制 5 0.65,1.0 稍难切削材料 2Cr13调制 45Cr调质 较难切削材料 6 0.5,0.65 65Mn调质 1Cr18Ni9Ti未淬火 难切削材 难切削材料 7 0.15,0.5 料 α相钛合金 β相钛合金 8 <0.15 很难切削材料 镍基高温合金 表中等级代号 5级( KV =0.65,1)以上的材料均属于难加工材料。 2.2典型难加工材料切削加工性能分析 本节所研究的典型难加工材料为不锈钢、钛合金和镍基高温合金。这些材料都具有 7 西安石油大学硕士学位论文 良好的物理机械性能、抗腐蚀性能、抗磁化性能、抗高温性能而被广泛应用于航空航天、 石油仪器领域，并且越来越多地被用来进行超长深孔钻削加工。它们的切削加工性能虽 然各不相同，但都属于难加工材料。 2.2.1不锈钢材料切削加工性能分析 不锈钢通常是含 Cr量大于 13%或含 Ni量大于 8%的合金钢，这种 钢在大气中或在 腐蚀性介质中具有一定的耐蚀能力，在高温(>450?)下具有较高的强度;由于不锈钢 中含有 Ni、Mo、Mn、Nb、Ti、Si、Co等元素，不仅提高了钢的抗腐蚀能力，同时也改 变了钢的内部组织以及物理力学性能，所以，不锈钢在现代工业中的应用越来越广泛。 不锈钢按其金相组织不同可以分为奥氏体型、奥氏体铁素体型、铁素体型、马氏体 型及沉淀硬化型(见表 2-2)。马氏体不锈钢 2Cr13的切削加工性为 0.55，铁素体不锈钢 1Cr28为 0.48，奥氏体不锈钢 1Crl8Ni9Ti仅为 0.4，奥氏体铁素体不锈钢的切削加 表2-2常见不锈钢化学成分和力学性能 工性最 差。 主要化学成分 力学性能 类 牌号 别 σ0.2 σb δs Cr/% ,/% 其他/% HBS /MPa /Mpa /100 ,Cr13 ?0.15 11.50~13.5 ?343 ?539 ?25 ?159 马 氏 2Cr13 0.6~0.25 12.00~14 ?441 ?637 ?20 ?192 体 型 3Cr13 0.26~0.4 12.00~14 ?539 ?735 ?12 ?217 铁 1Cr17 ?0.12 16.00~18 ?206 ?451 ?22 ?183 素 体 1Cr17Mo ?0.12 16.00~18 Mo0.75~1.25 ?206 ?451 ?22 ?183 型 0Cr19Ni9 ?0.08 18.00~20 Ni8.00~10.5 ?206 ?520 ?40 ?187 奥 Ti0.8~5.00 氏 1Cr18Ni9Ti ?0.15 17.00~19 ?206 ?520 ?40 ?187 体 Ni8.00~10.0 Ti?,×, 型 0Cr18Ni11Ti ?0.08 17.00~19 ?206 ?520 ?40 ?187 Ni9.00~13.00 奥氏体不锈钢含铬量 12%,25,，还含有 8,左右的镍及少量钼、钛、氮等元素， 综合性能较好，可耐多种介质腐蚀，加工时容易产生加工硬化，导热性只有 45#钢的 1/3， 它的相对加工性等级 KV为 0.15~0.5，属于不锈钢中最难切削的一种材料，典型代表是 1Cr18Ni9Ti。 铁素体不锈钢含铬 12,,30,，其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高， 8 第二章难加工材料切削加工性分析 耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类不锈钢(如 1Cr28等)，它的切削加工性与合金钢相 似; 奥氏体铁素体型不锈钢，兼有奥氏体和铁素体不锈钢的优点并具有超塑性( 如 1Cr18Ni11Si4ALTi等);马氏体不锈钢含铬量 12%,19,，含碳量为 0.1%,0.5%，随着 含碳量的增加，其硬度、强度和耐磨性提高，但碳元素容易和铬元素化合导致含铬量降 低，使得耐腐蚀性降低(如 1Cr13等)。 马氏体不锈钢淬火后的硬度和强度都比较高，切削比较困难，而未经调质处理的不 锈钢精加工时很难获得较小的表面粗糙度，防锈性能差，具有磁性。一般多要经过热处 理再进行切削。 沉淀硬化型不锈钢含有较高的铬、镍和很低的碳，具有更好的耐腐蚀性能。它含有 Ti、A1、Mo等起沉淀硬化作用的等元素，在回火时(500?)能时效析出产生沉淀硬化， 它具有很高硬度和强度。典型牌号有 0 Crl7Ni4Cu4Nb。 奥氏体不锈钢是不锈钢材料中最难加工的一种，它的强度一般为σb=539Mpa，但在 室温冷加工时，由于加工硬化和形变会诱发马氏体转变，使强度σ b 提高至 1470~1960Mpa，并且随着σ b的提高，屈服极限σ s也升高;退火状态的奥氏体不锈钢 σs不超过σb的 30%,45%，而加工硬化后达 85%,95%。加工硬化层的深度可达切削 深度的 1/3或更大，硬化层的硬度比原来的提高 1.4,2.2倍。在切削时存在的主要问?选择合适的刀具材料:一般选 YW1、YW2或 YG8A的硬质合金材 料，不宜选 题 YT类的硬质合金，因为工件和刀具中的 Ti元素之间有亲和力，会产生严重的粘刀现象， 是:加工硬化严重、切削力大、切削温度高、不易断屑和刀具易磨损。针对以上问题一 刀具磨损严重。 般采取以下的工艺措施: ?选择合适的切削用量:一般选用V ?20 m/min, f为 0.01~0.07 mm/r。 ?选择合适的刀具角度:选较大前角，使切削轻快省力。 ?选择合适的排屑方式:由于奥氏体不锈钢很不容易断屑，如果采取低转速，较深 断屑台的方式都不能很好断屑的话，最好采取不断屑的相反措施，即减小进给量，适当 提高转速，切出薄薄的切屑，使铁屑绵长不断并顺利排出，切削过程就比较平稳了。 2.2.2钛合金材料切削加工性能分析 从 20世纪 70年代开始，钛合金应用领域不断扩大，使钛工业得到迅速发展，新工 艺和新技术推动钛合金机械加工的发展。钛合金以其比强度高、热强度高、抗蚀性好和 低温性能好等优良特性而在航空航天、原子能、电力、化工和石油测井等行业取得了不 可替代的位置，同时钛合金的应用随着这些行业的发展逐渐变得多起来。同时，由于钛 合金的机械物理特性决定了其切削加工性差，加上深孔加工的特殊性，使钛合金深孔加 工技术成为一个重要的难题。 9 西安石油大学硕士学位论文 钛合金根据加入的合金元素不同，可以分为α钛合金、β钛合金、α+β钛合金。(最 新研究出现了γ钛合金，这种材料属于高温合金)。(见表 2-3) 表2-3常见钛合金化学成分和力学性能 室温性能(不小于) 高温性能(不小于) 类 牌号 化学成分 σb/ δ伸/ ψ/ αk/ T/ σs/ σ100/ 型 MPa MPa 100 100 J?cm-2 MPa ? 450 25 50 80 - - - TA4 Ti-3Al TA5 700 15 40 60 350 400 380 Ti-4Al-0.005B TA6 Ti-5Al 700 10 27 30 350 430 400 α TA7 800 10 27 30 350 500 450 Ti-5Al-2.5Sn Ti-5Al-2.5Sn- TA8 1000 10 25 20~30 500 700 500 3Cu-1.5Zr Ti-3Al-8Mo-11Cr β 1300 5 10 15 - - - TB1 Ti-5Mo-5V-3Cr- TB2 1400 10 15 7 - - - 3Al TC1 600 30 45 15 350 350 350 Ti-2Al-1.5Mn TC2 Ti-3Al-1.5Mn 12 30 40 350 430 400 700 TC4 Ti-6Al-4V 10 30 40 400 530 580 950 α Ti-6Al-1.5Cr- + 950 10 23 30 450 600 550 TC6 2.5Mo-0.5Fe-0.3 β STi-6.5Al-3.5Mo- TC9 9 25 30 500 850 620 1140 2.5Sn-0.3Si Ti-6Al-6V-2Sn- 1150 12 30 40 400 850 800 TC10 0.5Cu-0.5Fe 注:σb:抗拉强度;δ伸:伸长率;ψ:收缩率;αk:冲击韧性; T:实验温度;σb:瞬时强度;σ100:持久强度 α相钛合金(钛中加入 Al、Ga等α稳定元素)是由α相固溶体组成的单相合金， 其高温性能好，组织稳定，在 500,600?温度下，强度和抗蠕变能力强，主要牌号有 TA1~TA8。这类合金的退火组织为单相α固溶体，不能进行热处理强化，只能进行退火 处理，室温强度不高。但由于这类合金中含铝、锡较多，组织稳定，耐热性高于其他钛 合金。α型钛合金在室温下为密排六方结构，相对加工性较差。 β相钛合金(钛中加入 V、Mo、Nb等β稳定元素)是由β相固溶体组成的单相合 10 第二章难加工材料切削加工性分析 金，其冷变形塑性好，通过淬火、时效处理可使合金得到较高的室温强度，但由于淬火 时效后的组织不够稳定，且含铝、锡较少，故耐热性不高。β型钛合金在室温、高温均 为体心立方结构，因而相对加工性比较好。主要牌号有 TB1、TB2等。 α+β相钛合金由α和β双相组成，兼有α型及β型两类钛合金的优点。它即可以 在退火状态下使用，又可以在淬火、时效状态下使用。从力学性能看，它既有较高的室 温强度，又有较高的高温强度，能在 400,500?温度下长期工作，而且塑性也比较好。 α+β相钛合金虽然可以通过淬火和时效进行强化，但由于在较高温度使用时，淬火及 时效后的组织不如退火后的组织稳定，因此多在退火状态下使用。主要牌号有 TC4、TC6、 TC9、TC10等。 [31] 钛合金的切削性能特点主要有以下几个方面 : (1)比强度高 钛合金的密度是 4.51kg/cm仅为钢的 60,左右，但强度却高于钢，比强度 (强度, 密度)、比刚度(刚度/密度)是现代工程结构，金属材料中最高的，这种材料适于做飞 3 行器的零部件，有利于减少飞行器的整体质量。 (2)化学活性大 钛的化学活性大，在高温下能与大气中的 O2、N2、H2、CO、CO2、NH4、水蒸气、 等产生强烈的化学反应，生成很高的硬化层或脆性层，使得脆性加大，塑性降低。 (3)耐蚀性好 钛合金表面能与氧、氮生成致密坚固的氧化膜，所以耐腐蚀性能比不锈钢还要好。 (4)热强性好 钛合金中加入合金强化元素，这些强化元素可以大大提高钛合金的热稳定性和高温 强度。在 300~350?下，其强度为铝合金强度的 3~4倍。 (5)导热性能差、弹性模量小 钛合金的导热系数仅为钢的 1,4、铝的 1,14;弹性模量约为钢的 1,2，钢性 差、 变形大，不易制作细长杆和薄壁件。 钛合金切削加工的主要工艺措施: ?控制切削温度:实践证明加工钛合金时，降低切削温度是提高刀具耐用度的有效 途径。因此，宜用较低的切削速度，采用大前角、大后角、大副偏角，为的是减小摩擦， 切削轻快，切削热源少;采用一定压力和流量的冷却液，进行充分的冷却，使切削热散 的快。 ?选用钨钴类硬质合金刀片:改刀具材料与钛元素的亲和力小，导热性较好，硬质 合金晶粒越细，切削效果越好。 ?提高工艺系统刚度:可以有效的减小切削振动，提高刀具的耐用度。如选用刚性 好的钻杆、中心架等。 ?采用内斜式断屑槽:槽底圆弧较大，减小切屑的变形量，切屑卷曲的曲率半径较 11 西安石油大学硕士学位论文 大，可以看做是自由卷曲而不是强迫断屑，这样做可以很有效的提高刀具耐用度。 钛合金的性能特点和切削钛合金时的加工特点决定了钛合金属于难加工材料，其切 削加工性很差。 2.2.3镍基高温合金材料切削加工性能分析 高温合金材料是指在 600,1200?高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能 力的金属材料。随着冶金技术的不断发展，使高温合金的综合性能得以进一步提高，具 有更高的强度、硬度、抗氧化、抗腐蚀能力。目前高温金属材料主要用于制造航空、航 海和工业用燃气轮机的涡轮叶片、导向叶片、涡轮盘、高压压气机盘和燃烧室等高温部 件。含 Ni量大于 50,的高温合金通常称为高温镍基合金，高温镍基合金分为变形合金 和铸造合金两种。常用的变形合金的牌号是 GH33(Cr20Ni77AITi2.5)，力学性能表现为 σb?687MPa，δ?15,;铸造合金的牌号是 K3(17Crl2Ni68W5M04C05A15Ti3)力学性 能表现为σb?932~981MPa，δ?1.5,4,。 [32] 镍基高温合金的切削加工特点主要表现在以下方面 : (1)切削变形大 镍基高温合金大多塑性很好，其中有些伸长率可以达到 40,，甚至更高;塑性变形 系数大;镍基高温合金中奥氏体固溶体晶格滑移系数大。 (2)切削力大 切削高温镍基合金时切削力比切削中碳钢时大 2,3倍以上，这主要是因为高温合金 的强度高，特别是在高温下强度高，合金中含有许多高熔点、高激活能的组元，原子结 构非常稳定，不易发生剪切滑移现象。 (3)加工硬化严重 由于镍基高温合金塑性变形比较大，晶格将会产生严重的扭曲，在高温和应力作用 下，一些不稳定的奥氏体组织将部分转变为马氏体组织，强化相也会从固溶体中分解出 来，加之化合物分解后的弥散分布，都将导致合金材料表面层硬度提高。切削后，镍基 高温合金的硬化程度可达 200,,500,。 (4)切削温度高 由于高温镍基合金材料强度高、切削力大、塑性变形大、消耗功率多，所以切削时 产生的热量就多，而且高温镍基合金材料导热系数比较小，因此切削温度比 45钢高的多， 有时竟高达 1000?。 (5)刀具磨损快 高温镍基合金切削时会产生严重的加工硬化现象，切削表面形成的各种硬质化合物 都会造成刀具的磨损;工件材料与刀具材料组元成分相近，因此工件和刀具的亲和力较 大，易产生粘结磨损;高温镍基合金切削时温度高，产生扩散磨损严重;有时甚至导致 刀具表面产生裂纹，导致局部剥落、崩刃等。高温镍基合金切削时常见的磨损形式为边 12 第二章难加工材料切削加工性分析 界磨损和沟纹磨损。 (6)表面质量和精度差 切削高温镍基合金时易产生积屑瘤。当刀具前角较小、切削速度较低时切屑形态呈 挤裂状，切削宽度方向也有变形，这些因素都使高温镍基合金表面粗糙度增加。 对待镍基高温合金的主要工艺措施: ?选用 YD15的硬质合金材料，它可以耐高温，具有较高的抗氧化性、抗扩散磨损 的性能。 ?对镍基高温合金进行淬火处理，使内部金属间的化合物转化为固溶体，从而减少 切削力。 ?提高工艺系统的刚度，尽可能采用刚性好的中心架、钻杆;另外在设计刀具时可 采取一些措施来提高刀具切削时的刚度，例如适当减小偏心量，加大压向导向块的径向 力，采取减振块、减振条，用四刃钻代替三刃钻等。 ?降低切削速度，但不宜将进给量降的过小，避免刀刃在硬化层上进行切削。 ?冷却要充分，排屑要流畅。 2.3小结 (1)从材料切削加工性的定义明确了难加工材料的概念。 (2)本章分别介绍了不锈钢、钛合金和镍基高温合金的种类、性能特点及深孔钻削时 的切削加工特点，在此基础上分析了他们的切削加工性，最后得知这三类材料均属于难 加工材料。 13 西安石油大学硕士学位论文 第三章难加工材料超长深孔钻削机理探讨 难加工材料超长深孔钻削过程中出现的孔轴线偏移、切屑形态和排屑方式三大问题 是目前研究过程中所面临的主要问题，这三大问题直接影响着难加工材料超长深孔钻削 质量和加工效率，本章将针对这三大问题研究难加工材料超长深孔钻削机理。 [32] 3.1孔轴线偏斜理论分析 孔轴线偏斜是指被孔在钻削过程中形成的实际轴线与理论轴线的偏差，它是衡量加 工孔质量的主要技术指标，钻孔偏斜量一般以 mm/m为单位计算。由于深孔钻削处于全 封闭式或半封闭式状态下进行加工，使得原本不太稳定的加工过程变得难以直观看到， 同时又因为存在着很多不利的因素，所以加工过程中经常造成钻头弯曲，使得钻头产生 一定的偏斜量，且这一偏斜量将随着钻孔深度的增加而不断增加，最终导致钻头的进给 方向越来越偏离工件旋转轴线，当钻孔长径比大于 50时，孔轴线的偏斜一般是无法预测 和控制的，所以极大的影响了加工精度，严重时会使钻头从被加工零件的侧壁钻出，造 成加工事故。造成深孔钻削过程中孔轴线偏斜的因素很多，例如，支承不重合、机床本 身精度误差、工件材质不均、加工方式的影响及刀杆自重等都会引起钻头产生弯曲变形。 深孔钻削过程中钻头发生倾斜是各种因素综合影响的结果，在各种因素综合影响下导致 被加工孔孔轴线偏斜是难以避免的。在深孔钻削过程中钻头产生了横向弯曲变形后，将 使被加工孔产生孔轴线偏斜，据文献资料显示，目前对这种现象的产生机理还没有系统 的研究，本节将针对深孔钻削过程中易产生被加工孔轴线偏斜的问题，研究加工方式、 刀具初始偏斜量、刀杆刚性不足等引起的刀具弯曲变形，对已加工孔轴线偏斜的影响进 行研究。 3.1.1深孔钻削加工方式对孔轴线偏斜的影响 深孔钻削加工方式对深孔孔轴线偏斜的影响较大。所以要系统的分析各种钻削方式 的优越性及不足。深孔钻削方式按主运动分为刀具旋转、工件旋转和两者同时反向旋转 三种加工方式，不同的加工方式对孔轴线偏斜的影响是不同的，以下详细分析这三种深 孔钻削方式的优越性及不足之处。 [1] (1)刀具旋转做主运动，工件进给的加工方式:这种加工方式的主运动为深孔刀具做 旋转运动，而工件沿工件轴线作进给运动如图 3-1(a)所示。在刀具旋转为主运动的加 工方式下工件是只做进给的，如果刀具在某一方向上有所倾斜，刀具旋转 180?后，刀 具顶端对工件的轴线仍然保持了这个切削方向，而工件的进给对孔轴线的偏移是无能为 力的，这样就导致了在此方向上加工出了倾斜的孔，而且这种倾斜会在切削力的作用下 随着钻削深度的增加，使实际加工的孔轴线偏离目标轴线的偏差增大，孔的偏斜量也随 之加剧，这种形式所加工出的孔的轴心线就是刀具绕回转中心在切削力的作用下连续运 14 第三章难加工材料超长深孔钻削机理探讨 动的轨迹，一旦出现偏移就不会自行纠正，必须人为的通过其他外在形式进行纠偏。 图3-1两种加工方式轴线的偏差状况 (2)工件旋转做主运动，刀具进给的加工方式:这种加工方式的主运动工件做旋转， 而刀具只是相对于工件连续运动的做进给运动，图 3-1(b)表示了这种加工方式下刀具 的运动轨迹。如果刀具在钻削过程中出现了倾斜，此时工件是以机床主轴轴线为回转轴 线做旋转运动的，在工件转过 180?后，刀具相对于工件的倾斜方向也转了 180?，即刀 具的倾斜方向是绕工件回转轴线对称旋转的，会对刚才的倾斜有所纠正，这样就不会出 现倾斜程度随着钻削深度的增加而增加的趋势，所以工件旋转做主运动，刀具做进给的 加工方式要刀具旋转做主运动，工件进给的加工方式的直线度好。 图3-2进给量和偏移量之间的几何关系 图 3-2表示了主运动为工件旋转时，刀具从 Xi截面进给到 Xi+1截面时，轴向 进给量 和径向偏移量的几何关系。钻头的运动可分解为三个部分，钻头中心在轴向平移了?Xi 到达Qi ，由于钻头的倾斜角θi的存在，钻头中心沿铅直方向平移到Qi ，同时偏心的孔带 ' " 动钻头中心旋转到Qi+1。根据图中几何关系，可以得到: " 2 2 (3-1) Ri+1 = Qi+1xi+1 = Q1 xi+1 = (Ri cos??i) +δ i+1 (3-2) δi+1 = δi + ?δi = δi + ?xiθi 15 西安石油大学硕士学位论文 (3-3) δi = Ri sin ??i 联立(1)、(2)、(3)式得到 i+l位置孔中心偏移量 为: (3-4) Ri+1 = (Ri cos??i) + (Ri sin ??i + ?xiθi) 2 2 当钻头旋转为??i时，轴向进给力为?xi，钻头旋转一周，轴向前进一个进给量 f，即 ?? = 2， ?xi (3-5) i f 把式(3-5)代入式(3-4)，得到孔中心径向偏移与轴向位移的递推关系式: Ri+1 = (Ri cos 2， ?xi) + (R sin 2， ?xi + ?xiθi) 2 2 (3-6) i f f Ri:在 xi截面上孔中心径向偏移量; 式中 f:刀具每转进给量; θi:两截面 xi和 xi+1之间钻 头的倾斜角; ?xi:两截面 xi和 xi+1之间的由式(3-6)知，当初始偏移量 Ro = 0时，钻头倾斜角为θ，孔中心的偏移量 轴向距离。 R和 孔深?x呈线性关系，即 R = ?xθ。 (3)工件旋转和刀具同时反向旋转的加工方式:这种加工方式工件和刀具同时在做 反向旋转运动，它继承了单一旋转运动的优点(而且加大了相对旋转速度。这样就可以 使钻杆的挠度减小和运动刚度得以提高，加工出的孔直线度比其他两种加工方式都要好。 现在市场上出售的深孔钻机床大多就是这种加工方式。但是这种加工方式也有他的不足 之处，由于它要求刀具的回转精度比较高，运动形式比较复杂，人工监视困难，工艺装 备复杂，机床价格昂贵，不能在中小企业大面积推广。另外，这种加工方式刀具的合成 运动轨迹比较复杂。孔的圆度误差也较大，尤其是细长孔的加工，经常会产生直径变大， 出现锥形等现象。 综上所述，在没有专用的深孔加工设备下，由普通的车床改造的深孔钻机床上进行 难加工材料超长深孔钻削过程中通常需要采取工件旋转做主运动，刀具进给的加工方式， 这样可以得到比较满意的钻削效果。 [33] 3.1.2刀杆对孔轴线偏斜的影响 深孔加工过程中，刀杆靠导向套辅助支撑和刀具导向条来支撑和导向的，那么刀杆 所受的重力可以近似的认为和辅助支撑提供的支撑力相平衡。所以深孔加工刀具系统可 以简化为一端固定，一端铰支，那么刀杆的支撑形式可以简化为一简支梁结构，如图 3-3 所示。 16 第三章难加工材料超长深孔钻削机理探讨 图3-3刀具力学模型 此模型中，其中 θ A:刀杆在A点的转角; θ B:刀杆在B点的转角; Lg:刀杆的长度; Lx:刀头的长度; δ:孔轴线偏斜量; Fx:刀杆受到的进给作用力; Y:为刀杆的弯曲变形量。 由上述刀具力学模型，根据材料力学简支梁原理可以得出以下结论，深孔钻削加工 过程中刀具的变形可以近似的看作简支梁压杆稳定性问题来处理。即细长杆受压时，轴 线不能维持原有直线形式的平衡状态而突然变弯，压杆失稳不仅使压杆本身失去了承载 能力，而且刀杆在切削加工过程中存在一个临界载荷 Fcr，当刀杆受到的进给力 FFcr时，刀杆将失去 稳定状态发生弯曲变形，致使孔轴线发生偏斜。并且随着加工孔深度的增加，刀具的自 导向能力也将减弱。根据材料力学压杆稳定公式: Fcr = ， (3-7) 2 2 EI (µLg) 导出刀杆的临界长度: Lg ' = ， EI (3-8) F µ 因此，可以根据钻削加工的轴向进给力大小算出刀杆失稳的临界长度，给实际的加 工带来参考，使之度量发生临界偏移的长度。 3.1.3导向套偏移对孔轴线偏斜的影响 在深孔钻削开始时，往往存在着刀具入钻的偏移。当刀具存在初始偏斜量 ?δ时， 可以将刀具入钻时的钻削系统简化为一端固定，一端铰支的简支梁。其力学模型如图 3-4 所示: 17 西安石油大学硕士学位论文 图3-4入钻阶段的刀具力学模型 设钻头在铰支端的偏斜量为 ?δ，此时的轴向力为 Fx,径向力为 Fy,并且 刀具在偏斜 量为?δ 的该点处于平衡状态。由此可以得到钻头挠曲线近似微分方程为: 2 EI d y = ?Fx(y + ?δ) + Fy(Lg ? X) (3-9) 2 dx 由材料力学知识设: 2 x (3-10) = k F EI 由模型得到边界条件: x= Lg x=0 (3-11) y=0 y=?δ 联立(3-9)、(3-10)、(3-11)得到: (3-12) θ = 3?δ 2Lg 由(3-12)式得到入钻时导向块的偏移量为θ，那么钻头到一定深度后偏移量为: 2 (3-13) ?δ = Lgθ 3 在深孔钻削加工过程中，随着钻削的深入，在初始偏斜量的影响下，孔轴线偏斜量 逐渐增加。设刀具单位进给量为?L，那么任意位置 Ln处的偏斜量δn为: δn = δn?1 +θn?1?L (3-14) 其中，θn?1为钻头在钻削深度(Ln ? ?L)处的偏斜角。由此可以得出在钻削长度 Ln处 的孔轴线偏斜量为: 3Ln δn = e 2L δ0 (3-15) 从(3-15)式可以得到:在深孔钻削过程中如果钻杆长度不变，那么孔心偏斜量与 钻削长度 Ln和入钻初始偏斜量δ0有关，而且孔心偏斜量的偏斜趋势按照指数曲线变化。 [1] 3.1.4其他因素引起的孔轴线偏斜 深孔钻削过程是一个极其复杂的过程，被加工孔轴线偏斜除了受到加工方式、钻杆 刚性不足以及刀具初始偏斜量等因素的影响外，还受许多相关因素的影响。 18 第三章难加工材料超长深孔钻削机理探讨 (1)工件端面倾斜对孔轴线偏斜的影响 图3-5端面倾斜的工件示意图 深孔钻削过程中，工件端面的倾斜对孔轴线偏斜的影响也是很大的，这是因为在入 钻时钻头切削倾斜的工件端面导致切削条件很不稳定。在加工如图 3-5所示的工件端面 时，在取定钻头的外刃余偏角后，随着倾斜角θ的不同，入钻时的切削面积也相应改变。， 入钻时外刃切削是不连续的，切削面积在不断的变化之中。当θ?0?时，处于钻尖两侧 外刃和内刃上所承受的径向力、轴向力破坏了设计时的平衡，加剧偏心程度和轴向力 Fx 在钻头顶部的偏转力矩，造成入钻时刀具的倾斜。 (2)刀具的几何参数对孔轴线偏斜的影响 在刀具几何参数中，对孔轴线偏斜影响最大的是导向块与副切削刃的位置角、钻头 的偏心量、内外角以及各错齿切削负荷承担量的大小等。一般要求切削刃的合力必须压 向导向块，保证钻头的稳定。特别是当径向合力压向外齿的副切削刃这一边时，使副切 削刃切入工件，造成刀具中心偏离回转中心，随着加工深度的加大，这种侧压力愈来愈 大，偏斜也随之增大。 (3)铸、锻造和热处理后的不均匀残余应力; (4)工件材料的硬度不均匀，有硬质点等; (5)断屑、排屑情况的变化，切屑的短时间阻塞;; (6)冷却润滑压力的脉动，进给量不均匀等使切屑厚度发生变化 (7)机床振动和外部振动的干扰等。 这些随机因素是通过切削力的波动而造成加工孔轴线的偏斜，虽然他们单独偶然出 现时的影响极小，但当多因素大量出现时，却具有不可忽视的影响。由于这些因素具有 随机性，进行定量分析是非常困难的，有待于在大量的生产实践中总结统计规律，作进 一步探讨。 3.2深孔钻削切屑形态分析 在钻削加工过程中采取适当的措施来控制切屑的排出、卷屑与断屑，使其形成可从 钻杆中顺利排出的良好切屑形状，以保证钻削加工的正常进行，并使切屑便于清理、运 输和后续处理。在超长深孔钻削加工过程中，切屑处理的首要任务是保证顺利的排屑。 排屑是否顺利取决于分屑、卷屑和断屑。这三个过程反映在切屑上就是切屑的宽窄、切 19 西安石油大学硕士学位论文 屑的卷曲形状和切屑的长短等，它们将直接影响排屑是否顺畅。 切屑容屑系数 R是切屑容积 Vq与所切除金属体积 Vj之比值，即 R=Vq/Vj。切屑容 屑系数 R的大小影响到切屑在工作场地所占用的存放空间，特别的影响到切屑排出的顺 利程度和操作安全性。深孔钻削要求切屑的形成应具有适当的切屑容屑系数 R，一般情 况下从深孔加工的实际情况来看，对于内排屑深孔钻当 R<50时就可以顺利排出切屑。 3.2.1分屑 分屑顾名思义就是将比较宽的切屑通过一系列方法使其分成较窄，便于卷曲、折断 和排出的铁屑形态。由于深孔加工排屑空间受到钻杆空间的限制，对于内排屑深孔钻指 排屑孔的面积总和及其钻杆内径决定的面积，这二者间的最小者代表排屑空间的大小。 切屑的宽度要小于排屑孔的尺寸，一般为排屑孔尺寸的 1/3,1/4，这样排屑才顺利。在 深孔钻削中常用的分屑措施有以下几种。 (1)按背吃刀量分屑:制造刀具时使切削刃在不同的锥面上而不要在同一个锥面上， 需对各刀刃间刀齿高度和宽度的相对位置进行合理的设计，以形成阶梯形切削刃(见图 3-6)，工作时能形成厚窄性的切屑。这种分屑方法，刀具制造与刃磨比较简单，切削力 和扭矩小，工作比较稳定。 (a) (b) 图3-6按背吃刀量分屑 (2)不对称分屑槽分屑法(见图 3-7):在切削速度较低，进给量不大时通常可采 用这种分屑方法，但分屑槽不能磨得太浅或太深，太浅时不能保证分屑;太深时 A点 磨损快;一般取深度 c为 0.5 mm,0.8mm，宽度 b为 1mm,1.5mm。 20 第三章难加工材料超长深孔钻削机理探讨 图3-7不对称分屑槽分屑 (3)刀尖撕裂式的分屑法(见图 3-8):当内外刃的刀尖角较小时，可实现内外刃 的分屑，这种方法长时间使用后刀尖会磨钝，刀尖分割切屑的作用将会大大减弱，就不 能起到分屑的作用(见图 3-8中(a))，而是垂直于刃口的平面内卷曲，同时产生一定的 侧向变形(见图 3-8中(b))。 (a) (b) 图3-8刀尖撕裂分屑 (4)轴向阶梯分屑法:利用刀刃在轴向互相错开不同高度来实现分屑，这种分屑方 法是只要深度 c值大于进给量 f，其分屑就是可靠的(见图 3-9)。为的迅速磨损，在磨阶梯台时一定要磨出各段副切削刃处的副偏角了不引起刀尖处 A kr ? 5?和副后角 ' α ? 5?。 O ' 21 西安石油大学硕士学位论文 图3-9轴向阶梯分屑 3.2.2卷屑 卷屑就是切屑的卷曲，它的运动学原理就是切屑在某一方向上存在着流出速度差， 导致切屑上下或者左右受力不均，从而发生卷曲的现象。按照切屑离开刀具的方向一般 可分为向上卷曲和横向卷曲两种形式。 切屑的向上卷曲是切屑上下面受力不均在厚度方产生的向上卷曲如图 3-10所示，从 图上可以看出切屑向上卷曲就是卷曲离开前刀面的现象。切屑向上卷曲的运动学原因是 切屑底层的流出速度大于上层的流出速度，它的轴线近似的平行于刀具与切屑的分离线。 图3-10切屑的向上卷曲过程 切屑的横向卷曲是切屑在左右面受力不均在宽度方向上产生的卷曲现象如图 3-11 所示，从图上可以看出切屑横向卷曲是在切屑底面内沿宽度方向存在流出速度梯度，使 22 第三章难加工材料超长深孔钻削机理探讨 切屑以角速度ωz绕切屑底面的法线方向旋转，从而产生横向卷曲，其卷曲轴线一般垂直 于切屑底面。 图3-11切屑的横向卷曲过程 切屑向上卷曲形态属于切屑的二维变形，而切屑横向卷曲现象是三维变形，但是实 际加工过程中由于切削条件、切削参数和刀具几何参数等各中因素对切屑卷曲的影响比 较复杂，尤其是在深孔钻削过程中它通常还受到刀具刃倾角λs、副切削刃与刀尖圆弧部 分的影响，以及沿切削刃剪切角发生变化的影响等。综合考虑这些因素，在深孔加工过 程中不会得到真正意义上的横向卷曲，大多情况下是向上卷曲和横向卷曲合成的斜向卷 曲，因为只有这种卷曲形态才能出现螺旋皱褶宝塔型切屑。 3.2.3断屑 在深孔钻削加工中过程中切屑每隔适当长度自行折断，这对深孔加工的操作、生产 及运输处理等方面都十分必要。图 3-12所示是向上卷曲切屑在一个折断周期内切屑的变 化情况。 图3-12向上卷曲切屑折断的变化情况 23 西安石油大学硕士学位论文 从图 3-12可以看出:切屑上卷半径达到最大值时，切屑将要折断;切屑切断后，上 卷半径为最小，但不为零。这表示切屑不是在根部折断，而是在离开前刀面后保留一段 初始卷曲的部分断开。切屑在内环面(即切屑的顶面)发生张应变，这种应变随着切屑的 继续流出而增大，最后切屑被折断，成为 C形屑。 通常切屑折断方式有以下四种:工件阻碍型、蜗卷型、后面阻碍型和横向卷曲型如 图 3-13所示。 (a)工件阻碍型 (b)螺旋型 (c)后刀面阻碍型 (d)横向卷曲型 图3-13常见切屑折断方式 切削过程中所形成的切屑，由于经过了比较大的塑性变形，它的硬度将会有所提高， 而塑性和韧性则显著降低，这种现象叫冷作硬化。经过冷作硬化以后，切屑变得硬而脆， 当它受到交变的弯曲或冲击载荷时就容易折断。切屑所经受的塑性变形越大，硬脆现象 24 第三章难加工材料超长深孔钻削机理探讨 越显著，折断也就越容易。在切削难断屑的高强度、高塑性、高韧性的材料时，应当设 法增大切屑的变形，以降低它的塑性和韧性，便于达到断屑的目的。 [34] 在深孔钻削过程中，如果切屑可以周期性的折断，可便于切屑的处理;如果切屑不 能周期性的折断或者不自然折断，那么就必须采取一定强制措施，迫使其折断。常用的 方法有采用断屑槽、利用断屑器、利用断屑装置、改变刀具几何参数和调整切削用量等 方法，在深孔钻削过程中经常用到的方法是采用断屑槽和改变刀具几何参数和调整切削 用量，其中切削用量的调整是十分重要的。无论采用哪种方法折断的理论都为最大应变 理论，切屑内部产生的应变与切屑厚度的大小成正比与切屑卷曲半经成反比。为此要想 折断，必须增大切屑厚度、减小切屑卷曲半径和降低切屑断率应变值。但是这三者在断 屑中起着同样重要的作用，只有选取三者的合理匹配值，才能得到满意的效果。 深孔钻削要求切屑能在有限空间内顺利排出，这对切屑的要求很高，对于难加工材 料的超长深孔钻削来说就是难上加难。在钻削奥氏体不锈钢、钛合金和高温合金等难加 工材料时，尽管采取上述各种方法，也很难实现断屑，反而形成厚而韧的螺旋长屑，会 经常出现堵屑，使操作人员紧张。实践证明，这些材料的加工不宜采用断屑方式，不如 顺其自然，让其形成长条屑。控制切削的宽度和厚度，可使之形成窄而薄的褶皱长条切 屑，能随切削液非常顺畅的排出，如图 3-14所示。这样，在钻削过程中切削非常平稳， 避免了断屑时的冲击，提高了钻头的耐用度，保证了难加工材料超长深孔钻削的顺利进 行。 图3-14难加工材料切屑形态 3.3超长深孔排屑机理研究 超长深孔钻削是在封闭环境下进行的，切屑能否在切削液作用下顺利的排出是深孔 钻削的首要任务。在超长深孔钻削进行的过程中，随着孔深的进行，切削液的沿程阻力 损失和切屑排出经过的路线就会增加，就很容易出现堵屑现象，导致钻削过程难以继续 进行。在通常的情况下，一旦出现超长深孔就采用增大切削液流量的方法，利用强有力 的切削液将切屑和切削热量带走，这样做还可以有效的保护刀具。但是并不是要无休止 25 西安石油大学硕士学位论文 的增大切削液流量，还要考虑机床液压系统的密封性和大流量对切屑形态的影响。图 3-15 是超长深孔钻削系统的示意图，加工时切削液从授油器进入钻头头部在切削液的推动下， 从钻杆中间带走切屑，在不考虑缝隙的局部损失情况下，列出伯努利方程如下: 图3-15超长深孔钻削系统示意图 2 + hw + h = Pγ P2 + α 2V2 (3-16) γ 2g + α1V1 2 1 其中:γ:切削液的比重;γ = πg 2g g:重力加速度; h:泵距离钻削系统的垂直高度; p1:泵入口处压强; p2:钻头处压强; hw:损失水头; V1,V2:截面处液体的流速; α1，α 2:截面由于分布不均匀而引起的修正系数，对于层流来说α =2，对于紊流 系统来说α取 1。 超长深孔加工过程中的油路系统的流道可以近似的看作是同心缝隙环形结构，它的 径向间隙尺寸一般在 1~2mm左右，所以钻削过程中油路系统的管道流体为连续流体。 假设流道中的油为定常的不可压缩流体，由于流体在管道中心的流动是充满整个截面的， 不会存在自由面，因此可以忽略表面张力的作用。 实际流体是具有黏性的，这也是产生流动阻力的根本原因，但是流动状态不同，阻 力大小也是不同的，在研究中将黏性流体按其力学参数如速度、压力等，在时间和空间 中是否发生不规则脉动，分为层流和紊流两种状态，层流是指黏性流体运动时，液体微 团间无宏观的互相掺混，层与层之间没有任何干扰，层与层之间既没有质量的传递也没 有动量的传递，摩擦阻力较小。紊流是指液体微团互相掺混作无序地流动，其流速、压 力等力学参数在时间和空间中发生不规则的脉动，层与层之间相互干扰，干扰的大小还 26 第三章难加工材料超长深孔钻削机理探讨 会随着流体流动的速度和流量的增大而增大，层与层之间既有质量的传递又有动量的传 递。流动状态可以用雷诺数 Re来判别。一般认为同管的下临界雷诺数为 2300。对于超 长深孔钻削过程油路系统来说。在一定压力下的雷诺数可由下式确定: Vd Re = ν (3-17) 其中:V:管内的平均流速;V = Q A ν:液体的运动黏度; d:圆管直径。 在一般的深孔加工中，流量控制在 80~150L/min,此处取较小值值 80L/min;δ取 2mm;ν取 10号机械油在 40?时的黏度 10mm2/s。油泵到授油器之间的油路有关取直径 在油泵与授油器之间这段油路流动状态为: d0=20mm，长度取 L0=10000mm。 Vd0 Q 0 Re = = ， = 8500 ν ? d ν (3-18) 4 d02 因为 Re=8500>Re临 =2300 所以一般认为油泵与授油器之间这段油路流动状态为紊流状态。因此α1取 1。 钻杆与成孔之间的这段油路中δ /L<<1,我们可以把这种环形小间隙液体流动看做 是层流状态。因此α2取 2。 在(3-16)式中 h表示了泵距离钻削系统的垂直高度，一般钻削系统为 300~500mm， 而 1m H2O(水柱)=0.1Pa，所以在此次计算中忽略不计。 所以伯努利方程(3-16)就成为: 2 + V P2 + V + hw = Pγ 1 1 2 (3-19) γ g 2g 2 将(3-19)式经过变形整理得到: 2 P2 = P1 + 1 πV1 ? πV2 ? πghw (3-20) 2 2 其中 πghw就是油路系统的沿程阻力损失h f。 (3-21) πghw = hf 油泵与授油器之间的沿程阻力损失为h f 1 ，可以由达西公式计算其压力损失。 2 hf 1 = λ ? l0 ?V (3-22) d0 2g 其中:V:圆管的平均速度。 27 西安石油大学硕士学位论文 λ:沿程阻力系数，对于橡胶圆管λ = 80/Re。 由流量公式 Q=VA得 到: Q Q V1 = A = ， (3-23) 4 d02 由(3-22)和(3-23)得到: hf1=0.0132 MPa 授油器部分局部损失 hf2可以由局部损失表达式得到: 2 hf 2 = ξ ?V (3-24) 2g 其中: ξ:局部损失系 数; ?V:突扩截面前后的平均速度。 对于授油器由于是突然扩管，有包达定理得知: 2 hf 2 = ?V = 0.1056 (3-25) 2g 钻杆与孔之间的间隙流动的沿程阻力损失 hf3。 由连续性方程: (3-26) V1A1 =V3A3 = Q (常值) 和由达西公式(3-22)得到: Q = 2.654 Q (3-27) V3 = ，δD D ? 1 l ?V32 (3-28) hf 3 = λ ? D 2g 其中:λ:层流时的光滑圆管取λ = 75/ Re。 所以式(3-24)就是 2 hf 3 = 6.23 LQ (3-29) D3 钻头尖端部分能量损失 hf4:可以由(3-25)式得到: 2 h f 4 = ?V = 0.2541 MPa 2g 综上所述总的压力损失就是以上四部分之和。 2 hf = hf 1 + hf 2 + hf 3 + hf 4 = 0.3729+6.23 LDQ3 (3-30) 28 第三章难加工材料超长深孔钻削机理探讨 由(3-20)、(3-21)、(3-26)得到: 228 ? 6.23L ? ? 2 P2 = P1 ? 0.3729 + ?4.5 ? ×10?3 (3-31) ?Q D2 D3 ? ? (3-32) 钻杆前端的压强 P3 = h f 5 + P0 其中:hf5:钻杆中的沿程阻力损失; P0:大气压强。 ' 2 hf 5 = λ ? L 5 V? (3-33) d 2g (3-34) 因此钻头处的压强差?P = P2 ? P3。 由力学知识可知: 当?P > 0时，即: 228 ? 6.23L ? ? 2 ×10?3 > hf 5 + P0 (3-35) P1 ? 0.3729 + ?4.5 ? ?Q D2 D3 ? ? 流体带到管内铁屑向后排出。 从上式也可以看到只要 P1足够大，无论 L多长，总会出现 228 ? 6.23L ? ? P1 ? 0.3729 + ?4.5 ? (3-36) ?Q D2 D3 2 ×10?3 > hf 5 + P0 ? ? 但是考虑到泵的功率和压力过大对切屑形态的影响和整个系统密封性能，不能使 P1太大。对于一般的难加工材料很难实现断屑，即使选择合适的进给速度和进给量来控 制切屑的断裂，也会经常出现堵屑的情况。在这种情况下，我们采取了不让切屑断裂的 方法，而使它形成窄而薄的褶皱长型切屑。这种切屑在切削液作用下可以顺利排出。在 这种情况下不能有太高的压力，以免使其切屑折断，又会发生堵屑现象。由于在切削刃 处，切屑的两面形成一定压差，假设略去压差效应沿刀杆管得沿程损失。那么切屑会在 P2，P3作用下很容易被拉断。此时的拉力 F为: F = (P2 ? P3)L屑r屑η (3-37) 而切屑能承受的极限拉力 F1为: F1 = δ屑r屑 (3-38) f 其中:L屑:切屑的长度 r屑:切屑的宽度 η:切屑承压面占切屑总面积的比例 δ屑:切屑的抗拉强度 f:加工时的每转进给量 29 西安石油大学硕士学位论文 虽然当 F> F1时，切屑将被拉断，由此可见超长深孔钻削系统中要选取合适的进给 压力。这样不仅对深孔钻削系统油路供给有帮助。而且对排屑也会有很大的帮助。 从(3-31)式我们还可以得出:在孔径 D一定的条件下随着钻削长度 L的增加，P2会 减小，这是为了满足我们的排屑要求，必须适当的增加 P1或者流量 Q。但是在实际中我 们很少增大泵的压力，其原因是油路系统的密封性和泵的功率所决定，所以我们一般采 取的措施是增加流量 Q。 3.4小结 (1)从深孔钻削加工方式、刀杆刚性不足以及刀具初始偏斜量等因素对深孔加工孔 轴线偏斜的影响进行研究，对孔轴线偏斜机理进行了探讨。建立了上述三个因素引起的 孔轴线偏斜力学模型，通过理论计算得出了孔轴线偏斜量的函数表达式，得出了孔轴线 偏斜量的变化趋势是呈指数曲线的，而且与入钻初始偏斜量和钻削长度有关。 (2)对钻削过程中的分屑、卷曲及断屑做了论述。深孔钻削过程中切屑的形成机理 与普通车削时切屑形成机理一样，就是被切削层金属在刀具切削刃和前刀面作用下，经 受挤压而产生剪切滑移变形的过程。通过这些论述指出了难加工材料常见的切屑形态即 让其形成长条屑，控制切削的宽度和厚度，可使之形成窄而薄的褶皱长条切屑，能随切 削液非常顺畅的排出。 (3)对深孔钻削过程油路系统建立了数学模型，讨论和选定了试验中的切削液压力 和流量并提供了压力、流量和钻削长度的关系，对于深孔钻削系统这样一种复杂工况环 境来说，较好地反映了切削液静态特性的变化情况，同时也能够了解排屑过程中应该注 意的问题，对生产实践有一定的指导作用。 30 第四章 难加工材料超长深孔钻削试验研究 第四章难加工材料超长深孔钻削试验研究 本次试验的目的是针对典型难加工材料(4145H钻铤钢、钛合金、镍基高温合金)进行 超长深孔钻削。在钻削过程中，通过改变进给量和转速等参数，获取典型难加工材料进 行超长深孔钻削过程中的相关数据，最终对测量的数据进行分析，确定出不同的参数的 选取对加工质量的影响，总结出合适的加工参数。 4.14145H钻铤钢超长深孔加工试验研究 4.1.1试验条件 (1)试验设备 C630普通车床改造的深孔钻床，BTA深孔钻削系统。 (2)试验仪表 百分表，压力表，直径表，游标卡尺，超声波测厚仪。 (3)试验工件 工件材质 4145H钻铤钢棒料，调质硬度为 HB280,320，工件的直径为 Φ121mm。 加工长度 L=7500mm，孔径为 Φ710+0.05 mm，孔表面粗糙度 Ra1.6μm，直线度 0.5mm/1000mm，属于超长深孔加工，其工件结构如图 4-1所示。 图4-14145H工件结构图 4145H钻铤钢的化学成分和机械性能见表 4-1、表 4-2。 表4-14145H钻铤钢的化学成分 元素 C SI MN CR MO P S 含量(%) 0.15~0.35 0.66~1.10 0.75~1.20 0.15~0.25 ?0.025 ?0.025 0.42~0.49 表4-24145H钻铤钢的机械性能 σ σ δ b(MPA) 0.2(MPA) AK(J) 项目 0.4(%) 数值 ?980 ?820 ?13 ?54 (4)试验刀具 31 西安石油大学硕士学位论文 自制Φ65mm错齿内排屑深孔钻头，刀片材料 YG8。 在刀具的角度上讲，因为这种材料断屑性能非常差，为了改善它的断屑性能和增强 刀刃的强度应采用合理的前角γ 0 (3?~5?)。对于后角，外刃后角a0主要根据材料和进给 量选取，一般选 8?~12?。内刃后角由于各点的切削速度不同，变化较大，实际工作中 后角以减小居多，因此内刃后角a0τ应取大一些，一般取 12?~15?。多刃错齿内排屑深 孔钻结构如图 4-2所示[1]、[35] 。 图4-2多刃错齿内排屑深孔钻的标注角度 导向块的分布原则是要求径向力作用在两导向块之间，作用在各个导向块上单位面 积的压力应最小，而且最好两块导向块的压力相等，以保证稳定切削哈导向块的磨损均 匀。两块导向块的最佳位置应通过切削实验来确定，通过实验取δ1=3?，δ2=-3? 多齿侧的中心齿磨成尖齿形，使之加工成的底孔形成环形凹槽，既有利于钻削定心， 又能起到稳定钻削的作用。 增大偏心量 e，并在中心齿的内刃上磨出两条折线形内刃。即内刃由两条斜度不同的 折线刃组成，因而有效地降低了钻尖高度，使之入钻、出钻的时间相对缩短。综合考虑， 试验取钻尖偏心量为 4mm。 4.1.2试验参数 由于 4145H钻铤钢这种材料的强度高、硬度大 ,因此,切削速度不 易过高 ,一般取 140~170r/min,而进给量在 0.02~0.5mm/r范围内进行试验。 4.1.3试验工艺路线 (1)在车床上平两端面。 (2)钻ø65mm的孔。在钻削过程中使用超声波测厚仪检测薄厚，以保证孔的直线 度。 32 第四章难加工材料超长深孔钻削试验研究 (3)镗孔到ø70mm。 (4)以 ø70mm内孔为基准粗车外圆，并保证壁厚的一 致性. (5)珩磨孔到ø71mm，达到孔表面质量要求。 (6)进行校直处理，然后以内孔为基准精车外圆，保证壁厚要求，达到图纸要求。 4.1.4试验数据 表4-3试验结果 转速(r/min) 进给量(mm/r) 切削状况 0.02 容易堵屑 110 0.03 不断屑，容易堵屑 挤裂状切削，打刀 0.05 容易堵屑 0.02 145 0.03 不分屑，较稳定 挤裂状切屑，振动剧烈 0.05 容易堵屑 0.02 195 0.03 不分屑，缠绕钻杆 不断屑，堵屑，刀具磨损加剧 0.05 4.1.5试验结果 从上面的试验结果可以看出，当进给量 ƒ为 0.02mm/r时，不管切削速度为多大，钻 削加工过程中都很容易引发堵屑，其切屑形态如图 4-3中的(a)所示;当进给量 ƒ为 0.050mm/r时，出现挤裂状切屑，其切屑形态如图 4-3中的(b)所示，而且加工过程中 出现剧烈的振动，加剧刀具的磨损，且容易造成钻头打刀;当进给量ƒ为 0.03mm/r，转速 v为 110 r/min和 195 r/min时，切屑出现如图 4-4中(c)图所示的不分屑形态，但排屑 和钻削过程还比较稳定，就是不断屑，很容易造成切屑缠绕钻杆而进一步造成堵屑;当 进给量处于ƒ为 0.03mm/r和切削速度 v为 145 r/min时，排屑和钻削过程非常稳定，切屑 呈理想的宝塔褶皱状，能实现长时间的钻销加工，且加工过程中能实现周期性断屑，切 屑如图 4-4中的(d)所示。 33 西安石油大学硕士学位论文 (a) (b) (c) (d) 图4-44145H钻铤钢切削形态 考虑到该超细长工件长 L=7500mm,孔径Φ=65mm的结构，为了能更好的进行排屑， 试验时还改变了切削液的流量，加大切削液的流量。这样可以提高加工系统的刚性，还 能使切屑自动断屑的周期变小，但是通过试验得知不同的切削液流量对切屑的分屑效果 影响不是很明显，但对于断屑和排屑效果比较好。因此，在对 4145H钻铤钢材料进行深 超长孔钻削加工时，加大切削液的流量，使切屑在大流量的切削液作用下能较好的进行 断屑和排屑，使钻削过程更加平稳。 [36][37][38] 4.2钛合金超长深孔加工工艺试验研究 4.2.1试验条件 (1)试验设备 CW6163D普通车床改造的深孔钻床，BTA深孔钻削系统。如图 4-5所示 图4-5TC11超长深孔钻削现场图 (2)试验仪表 百分表，压力表，直径表，游标卡尺，超声波测厚仪。 34 第四章难加工材料超长深孔钻削试验研究 (3)试验工件 工件材质 TC11钛合金棒料，工件的直径为Φ180mm。加工长度 L=6500mm，孔径 为 Φ70 mm，直线度 0.5mm/1000mm，属于超长深孔加工，其工件结构如图 4-6所示。 图4-6TC11工件结构图 4.2.2试验参数 具体试验参数见表 4-4 表4-4TC11超长深孔钻削试验参数 机床转速 进给量 油压 110R,MIN O(10—0(20MM,R 1MPA 4.2.3试验数据 通过实验测得入口前段和出口后端的孔径值如表 4-5、表 4-6所示 表4-5入口前段孔径 径向(mm) 孔扩量 极限偏差 (mm) (mm) 孔径1 孔径2 孔径3 孔径4 平均值 轴向 70.31 70.19 70.40 70.16 70.27 0.24 0.40 70.19 70.16 70.22 70.20 70.19 0.06 0.22 70.15 70.17 70.18 70.21 70.18 0.06 0.21 70.17 70.13 70.14 70.14 70.15 0.04 0.17 70.13 70.08 70.25 70.17 70.16 0.17 0.25 35 西安石油大学硕士学位论文 表4-5出口后端孔径 径向(mm) 极限偏差 孔扩量(mm) (mm) 孔径1 孔径2 孔径3 孔径4 平均值 轴向 70.12 70.07 70.12 70.09 70.11 0.05 0.12 70.09 70.12 70.10 70.07 70.10 0.05 0.12 70.05 70.10 70.09 70.07 70.08 0.05 0.10 70.05 70.09 70.07 70.12 70.08 0.07 0.12 70.03 70.04 70.05 70.08 70.05 0.05 0.08 4.2.4试验结果 试验结果表明:在转速一定的情况下，改变刀具。当进给量增大时，切削力增大、 切屑长度变短、刀具磨损加重、表面粗糙度变大、尺寸精度降低;当进给量减小时，切 屑长度加长，甚至出现了不断屑或连续切屑，切削力小，刀具磨损较小，表面粗糙度变 小，试验中得切屑实物如图 4-7所示。在进给量一定的情况下改变机床转速时，当速度 加大时，温度明显上升，刀具磨损加剧，表面粗糙度变大。 图4-7TC11切屑形状图 从上面表 4-4、表 4-5中可以看出:入口前段扩孔量控制在 0.40mm左右，出口后段 0.12mm，入口前段扩孔量大于出口后段，这主要是刀具磨损造成的，刀具有轻微磨损， 主要是边界磨损和后刀面磨损;圆度误差控制在 0.065mm左右，孔表面粗糙度在 Ra 6.3 μm左右，直线度较好;切屑形状是螺旋形带状切屑，排屑顺畅。 36 第四章难加工材料超长深孔钻削试验研究 4.3镍基高温合金超长深孔钻削试验 4.3.1试验条件 (1)试验设备 CW6163D普通车床改造的深孔钻床，BTA深孔钻削系统。如图 4-8所示 如图4-8镍基高温合金超长深孔钻削现场图 (2)试验仪表 百分表，压力表，直径表，游标卡尺，超声波测厚仪。 (3)试验工件 工件材质镍基高温合金 718棒料，工件的直径为Φ96mm。加工长度 L=5440mm， 孔 径为Φ41 mm，属于超长深孔加工，其工件结构如图 4-9所示。 图4-9高温合金工件结构图 (4)试验刀具 Φ40mm多刃错齿内排屑深孔钻，选用为硬质合金YG813刀片材料。实物图见图4-10。 刀具参数见表 4-6. 37 西安石油大学硕士学位论文 图4-10多刃错齿内排屑深孔钻实物图 表4-6多刃错齿内排屑深孔钻刀具几何角度 γ 0 α0 α0τ 参数 e δ1 δ2 数值 3? 3?,5? 8?,12? 12?,15? 2mm -3? 4.3.2试验参数 具体试验参数见表 4-7 表4-7镍基高温合金超长深孔钻削试验参数 机床转速 进给量 油压 切削液 20#机械油 195,225 O(02,0(03 MM1 MPA R,MIN ,R 4.3.3试验数据 通过实验得到了镍基高温合金 718材料超长深孔钻削过程中刀具的磨损和孔心偏移 量。具体见表 4-8和表 4-9。 表4-8镍基高温合金718材料钻削试验刀具磨损情况 转速(r/min) 进给量(mm/r) 切屑状态 刀具磨损 刀具破损 堵屑 严重 破损 1 0.03 255 2 0.02 正常 严重 无 正常 轻微 无 0.03 3 195 正常 严重 无 4 0.02 38 第四章难加工材料超长深孔钻削试验研究 表4-9镍基高温合金718材料钻削时偏心量 孔深(mm) 壁厚(mm) 平均值 偏心量(mm) 1600 31.2 31.7 32.5 31.4 31.7 0.65 2050 33.0 32.9 32.3 32.4 0.75 31.5 3000 32.2 32.3 31.8 33.3 32.4 0.75 4600 32.1 33.8 31.9 32.5 32.5 0.95 5160 32.2 31.9 32.6 33.6 32.6 0.85 4.3.4试验结果 图4-11钻削高温合金刀具磨损与破损图 从图 4-11可以看出钻削过程中刀具前后刀面、导向块磨损非常严重，致使钻削不能 继续进行，这主要是因为镍基高温合金 718材料中含有许多金属碳化物、氮化物、硼化 物及金属间化合物，特别是γ相构成的硬质点(组分为二氧化硅)使其产生了硬质点磨 损，另外在深孔钻削过程中温度和压力都相对较高，这一钻削条件下刀具材料和被加工 材料间亲和力及粘附力的作用下切屑与刀具间极易出现熔焊现象，有一部分刀具材料被 切屑带走造成粘接磨损，试验发现钻削适时对切屑参数、刀具前、后角进行适当调整则 可得到较为理想效果。另外钻削过程中机械振动强烈、热冲击性大、硬质合金刀具硬度 高、脆性大，在钻削前期容易导致刀具碎断，进而发生堵屑使钻削不能进行下去，所以 钻削过程中修磨好刀具角度、调整好转速和进给量后，可以选择随时观察钻屑进行试验 钻削，防止刀具发生损坏，可对适应切屑的钻头进行修磨重新利用，提高生产效率，降 低生产成本，试验可知 n=195 r/min，ƒ=0.03 mm/r时切屑最为理想如图 4-12所示，刀具 只是发生磨损而没有发生破碎。 39 西安石油大学硕士学位论文 图4-12高温合金钻削切屑形态 深孔钻削过程中影响孔轴线偏斜的因素很多，当钻孔长径比大于 50时，孔轴线的偏 斜一般是无法预测和完全控制的，由于目前还无法做到在线测量和纠偏，只能在加工过 程中停机测量，表 4-9为试验钻削镍基高温合金 718过程时偏斜量测量结果，试验数据 显示本试验方案能够保证镍基高温合金 718材料超细长深孔钻削过程中的同轴度问题， 另外由于刀具磨损现象及其严重，随着孔深增加其偏斜量也逐渐增加，所以钻削时应特 别注意停机换刀以及修模刀具后的进给过程中刀具外刃由于受力过大发生崩刃，刀具发 生破损。 4.4典型难加工材料超长深孔加工试验分析 4.4.1切屑处理 以上三个试验均采用 BTA深孔钻削系统，选择合理的切削液流量和压力均能很好的 进行冷却润滑和排屑，钻削效果较好。通过对以上典型难加工材料超长深孔钻削试验可 知，尽管工件材料和孔径不同，但只要采用合理的切削用量、切削液流量和压力、刀具 材料和刀具几何参数均可以有效的控制切屑形态，使孔的加工效率得到提高。例如，对 于孔径比较大的钛合金(Φ>20mm)钻削时采用多刃错齿内排屑深孔钻、钻削系统采用 BTA深孔钻削系统、刀片材料采用 YG8，通过改变切削用量，选择合适的切削用量关系 可以有效的控制切屑和刀具磨损等问题。 4.4.2孔轴线偏移和喇叭口现象 典型难加工材料超长内排屑深孔钻削时，深孔轴向力与轴心不重合，将导致孔轴心 线走偏，形成入钻和出钻处的喇叭口现象，导致这一问题的原因是由于机床回转中心线 与钻头轴心线不重合，或者导向套与钻头间隙较大，更多情况是这两者共同作用的结果。 从试验可以得到:在 4145H钻铤刚和钛合金进行超长深孔钻削时，通过优化刀具几何参 数，合理选取刀片材料，可以降低孔轴线的偏移量，入钻和出钻基本正常，但入钻处的 孔径明显大于出口，有明显的喇叭口现象，这是因为随着孔深度的增加，刀具有所磨损， 使刀具直径减小，这符合深孔钻削基本规律。 40 第四章难加工材料超长深孔钻削试验研究 4.4.3钻头的失效形式和耐用度 难加工材料超长深孔钻削时，由于选用的是内排屑深孔钻系统，并且在高温高压下 钻削，工作条件非常恶劣，刀具的磨损是不可避免的。在钻削 4145H钻铤钢时，刀具的 磨损形式通常为边界磨损和沟纹磨损;在钻削钛合金时，刀具的磨损形式通常为边界磨 损和月牙洼;在钻削高温合金时，刀具的磨损形式通常为边界磨损和后刀面磨损。 在钻削 4145H钻铤钢和钛合金试验时，由于钻头结构、刀片材料、几何角度参数和 切削参数选择合理，没有出现刀具的破损状态，刀具耐用度较高。在钻削镍基高温合金 时出现了偶然刀具破损的现象，主要表现为崩刃和导向块折断。这主要是因为镍基高温 合金 718材料中含有许多金属碳化物、氮化物、硼化物及金属间化合物，特别是γ相构 成的硬质点(组分为二氧化硅)使其产生了刀具破损，另外在超长深孔钻削过程中温度 和压力都相对较高，这一钻削条件下刀具材料和被加工材料间亲和力及粘附力的作用下 切屑与刀具间极易出现熔焊现象，有一部分刀具材料被切屑带走造成刀具破损。 4.5小结 (1)用普通车床改造的深孔钻削系统和深孔钻头对典型的难加工材料 4145H钻铤刚和 钛合金(TC11)以镍基高温合金(718)进行试验，效果良好，对其他的难加工材料有一定的 借鉴作用，可以推广到其他的难加工材料超长深孔钻削工艺中。 (2)在钻削 4145H钻铤刚、TC11钛合金和镍基高温合金 718材料的超长深孔 时，只 要采取内排屑深孔钻削系统，合理的刀具几何角度，合适的切削液流量和匹配的钻削用 量，就可以很好地控制钻削过程中系统的稳定性和切屑的形态，取得满意的钻削效果。 (3)分析了这三次试验中的切屑处理、孔轴线偏移和喇叭口现象、钻头的失效形式和 耐用度、切削力和切削温度等问题。 41 西安石油大学硕士学位论文 第五章钻削过程中遇到的问题及预防措施 在难加工材料超长深孔钻削过程中，主要出现的问题有两个，其一是孔轴线容易出 现偏移。这是因为在钻削过程中的诸多因素综合影响的结果，如果出现小范围的偏移可 以通过一些措施来补救，但如果出现比较大的偏移就会造成工件的报废。其二是在钻削 过程中容易出现堵屑现象，这是因为超长深孔钻削的路径比较长，沿程压力损失较大， 切削液带走切屑比较困难。 5.1控制孔轴线偏移的措施 5.1.1钻削前预防偏斜的措施 为了控制孔轴线的偏斜量，在钻削开始前，可以采取如下措施: (1)选择最佳的深孔钻削方式:在深孔钻削的三种切削方式中，采取何种加工方式 最为合理，在论文的第三章中已经做了详细的分析，即在条件和设备允许的情况下优先 考虑使用工件旋转做主运动，刀具只做进给的钻削方式，这是由于工件旋转的工作方式 所形成的孔轴线偏斜量相对来说比较小。但是也取决于工件的结构形状、尺寸和质量， 如果工件尺寸过大、非回转体零件以及因机床条件所限制，必须采取刀具旋转的工作方 式时，则应注意选择合理的切削用量，在初始阶段，为防止因钻杆悬伸较长、自重、切 削力以及离心力所产生弯曲而采用低速和较小的进给量。必须打预留孔或者使用导向块， 当钻孔深度达到一定程度后，由于孔壁的导向作用使得钻杆弯曲所造成的影响已较小时， 则可选用较高的转速及适当大的进给量。 (2)提高被加工工件的质量:被加工工件的质量包括几何质量和物理质量。几何质 量主要是指被加工工件表面的几何尺寸。首先要求工件毛胚外圆和端面要粗车，并保证 端面和外圆轴线垂直，这样可以减小工件离心力，保证入钻时钻头与工件端面的垂直; 其次要求工件尽量避免壁厚局部过薄的问题，因为深孔工件的某些侧面壁厚过薄时，由 于薄壁部分受切削力和导向条压力后的变形较大，钻头有向薄壁方面偏斜的倾向，因而 产生孔轴线的偏斜。物理质量主要是指被加工工件材料的质量，在深孔钻削前，应对工 件先进行调质或时效处理，减小工件因硬度不均和残余应力对钻孔轴线偏斜的影响，这 是由于工件材质不均时，特别是钻头刚切入一段的材质有明显不均匀现象时，钻头会产 生“避硬趋软”的倾向而向一侧倾斜。 (3)合理选择刀具几何参数:在选择导向块位置角时，首先要考虑钻头的稳定度， 保证钻头稳定度 S>1;在选择刀具几何角度和各个错齿刀刃的切除量时，首先要考虑径 向切削力的平衡性，径向合力要指向导向块，尽量减小切削力对钻头头部的力矩，减小 刀具入钻倾斜角。例如，错齿 BTA钻加工出的深孔比单齿 BTA钻加工出的孔直线度更 好，就是因为错齿钻第一导向条受力小于单齿钻的第一导向条，钻头的稳定度更好。 42 第五章钻削过程中遇到的问题及预防措施 (4)提高导向精度:导向精度决定于输油器中心与机床回转中心的同轴度误差、导 向套内外定位面的同轴度误差、导轨的直线度误差、导向孔与钻头的配合精度等。导向 套材料一般选用高强度硬质合金钢，淬火硬度较大，耐磨性好。 (5)提高钻杆刚度:钻杆的刚度对深孔钻削孔轴线偏斜量的影响至关重要。如何提 高钻杆刚度是改善深孔钻削过程中孔轴线偏斜量的一个重要因素。为提高深孔钻削的刚 度，除在头部设有导向套外，在钻杆中部可附加安装 1,2个中间支撑架，支撑架可沿导 轨滑动，直至钻孔工序完成。经验证明，应用中间支撑架可使钻孔轴线偏斜量减小。 (6)选用合适的减振方式:减振措施不仅对孔轴线偏斜有影响，还对刀具耐用度有 一定的影响。经过大量实践和文献介绍内排屑深孔钻削系统的减振效果比外排屑系统的 好，因为内排屑系统的切削液通过已加工孔壁与钻杆外圆之间的窄小环形空间均匀流到 钻头部位，对钻杆形成柔性支撑，可起到减振吸振的作用。除此以外，还可以在钻杆或 钻头上附加减振装置来抑制振动。 5.1.2深孔钻削中孔轴线偏斜的控制 深孔钻削过程中孔轴线偏斜的控制是目前全世界深孔加工专家都在研究有待解决的 问题。主要有两个关键性问题:其一是深孔钻削过程中孔轴线偏斜量的测量问题;其二 是发现被加工孔轴线偏斜后的纠偏措施问题。目前第一个问题已经解决，就是使用超声 波测厚仪(见图 5-1)，该仪器已经能够实现连续在线检测回转体深孔零件的壁厚。该仪 器通过测量零件壁厚来判断深孔刀具是否走偏以及其偏斜量，所以在检测到轴线偏斜时， 这里提出了一种附加外力纠偏的方法，该法可以用通过以下两种途径进行纠偏，工件上 附加外力和刀具上附加外力纠偏。 图5-1超声波测厚仪 (1)工件上附加外力纠偏 ?工件附加外力纠偏的原理 在钻削过程中，当刀具走偏致使孔轴线发生偏斜时(如图 5-2所示)，在钻头偏斜量 43 西安石油大学硕士学位论文 为δn处的工件外圆 C点上施加一个与偏斜量反向的作用力 F，使工件沿与孔轴线偏斜相 反方向发生弯曲，并使该力 F在 C点产生的位移正好与偏斜量δn相等，从而抵消位移， 这样就使被加工孔的中心与工件回转中心相重合，相当于钻头又回到工件中心重新开始 钻削，这样就减小或缓解孔轴线偏斜量，使孔轴线偏斜量始终在公差范围内。 图5-2工件附加外力纠偏原理图 ?最佳纠偏位置的确定 深孔钻削时，当工件在某钻削深度处的孔轴线偏斜量为δ时，工件的受力可以简化为 一端固定一端铰支的简支梁，如图 5-3所示。 图5-3工件受力示意图 由材料力学的知识，可以求得各点的转角和挠度: 工件在附加外力 F的作用点 c左边，距工件端面 x(x?a)处界面上的转角和 挠度方 程分别为式(5-1)和式(5-2): 2 3 2 EIθ = Fa(a2 ?3l ? Fax + Fa(a2 ) + 2Fl F + l ) 2 2 (5-1) x + x 3 ? 4l 2 4l 2 3 EIω = Fa(a2 ? 3l ax Fa ) + 2Fl F F (5-2) 3 3 x + x ? 2 3 3 ?12l 6 2 6 + Fa(a2 + l 2) x ? 4l 工件在附加外力 F的作用点 C右边，距工件端面 x(x?a)处界面上的 转角和挠度 方程分别为式(5-3)和式(5-4): 44 第五章 钻削过程中遇到的问题及预防措施 2 3 2 EIθ = Fa(a2 ? 3l 2 + Fa(a2 )? ? ) + 2Fl + l F + Fa 2 2 x + ? 2 x (5-3) 3 ? ? ? 4l 2a 2 4l ? ? 2 3 2 EIω = Fa(a2 ? 3l 2 + Fa(a2 ) + 2Fl + l ? F + Fa (5-4) 3 2 )? x + ? 2 x 3 ? x ?12l 2a 2 4l ? ? ? 令作用点 C处的挠度ω为极大值，那么此处的工件转角θ为 0，并且当a = ln时，挠 度ωln = δ。 由上面式子(5-2)或(5-4)可得工件在作用点 C处的挠度为: 2 Fa 3 (l ? a) 3 ωc = (3l + a) (5-5) 12EIl 可以看出，作用点 C处的挠度ωc值与 a有关，是 a的函数，要使ωc取极 值，即有: ' ω =θc = 0 (5-6) c 则可以得到: (5-7) a = l( 2 ?1) ? 0.4l 此时挠度的极大值为: 3 ωcmax = 0.0098 Fl (5-8) EI 由以上分析可知，从理论上说，当钻孔深度 ln达到 ln=0.4L时，即在工件上此处施 加与偏斜量反向的作用力 F，纠偏效果最好。但如果孔轴线偏斜量精度要求较低，其值 在超过了最大挠度值，为了提高加工效率，也可以在超过 ln=0.4L的地方纠偏。反之，如 果精度要求较高，比最大挠度值小很多，就会在还没有钻到孔深 ln=0.4L时，孔轴线偏斜 量就超过了公差范围，这时可以考虑适当调整支撑点的位置，使纠偏点提前。 [39] (2)刀具附加外力纠偏系统 运用刀具附加外力方法进行纠偏时，可以将超声波测厚仪和微型阀门结合起来，看 作一个完整的系统，将超声波测厚仪检测到的深孔加工刀具走偏量δ为控制系统输入量， 判断其是否超出精度范围，若需要纠偏则打开微型阀门，并相应调节油压的大小，通过 阀门的开启打破钻头走偏形成的平衡，使其向相反的方向偏斜，从而实现纠偏，其流程 图见 5-4所示。 45 西安石油大学硕士学位论文 图5-4刀具附加外力纠偏系统流程图 5.1.3其它纠偏的方法 对于一些精度要求不是很高，可以采取以下简单的措施进行纠偏。 (1)调整钻削工艺:这种纠偏方法简单实用，在超长深孔钻削过程中经常用到。它 的原理就是在钻削深度到工件 1/2长度时，测量孔轴线偏移程度。如果测量值大于控制 量，就调整工艺，将工件卸下掉头，从另一端重新开始钻孔与原来孔接通，最后再镗孔， 这样就可以有效的控制孔轴线偏移程度。 (2)调整刀具几何参数:当钻削过程中如果测量出孔轴线偏斜量较大，可以通过调 整刀具的几何参数进行纠偏，即适当地修磨钻头的内角、外角和钻尖偏心量，这样可以 改变刀具的受力状况，从而控制孔轴线偏移程度。最简单的方法就是适当的调整钻头圆 周方向的位置，从而改变其受力状态。 (3)调整工件轴心位置:深孔钻削到一定深度，经测量孔轴线偏斜量达到纠偏范围 时，可以采用调整工件轴心位置的方法来进行纠偏。从第三章我们知道了深孔钻削孔轴 线偏斜的变化趋势是呈指数函数趋势变化的。为了不让它进入指数函数趋势，我们可以 在刀具钻削过程中设置跟刀架调整工件装夹位置，不断的将工件上已偏斜孔的轴线调整 到机床的回转中心上来，让孔轴线偏移总是处于偏斜的初始阶段，这样就可以达到减小 孔轴线偏斜量的目的。 5.2预防堵屑现象的措施 5.2.1切屑变形的影响因素 要想预防堵屑现象的发生首先要研究影响切屑变形的因素，而影响切屑变形的因素 是很多的，主要表现在以下几个方面: (1)工件对切屑变形的影响 46 第五章钻削过程中遇到的问题及预防措施 一般工件材料的塑性随着强度和硬度提高而降低，而强度和硬度增大会导致刀具对 切屑的正应力提高、前刀面的摩擦减小、摩擦角减小、剪切角增大、变形系数减小。 工件材料的热处理状态决定了材料的金相组织结构，因而它们对切屑变形也有重要 的影响。一般来说，材料的成分越复杂，组织越细密，则位错远动阻力越大，相应的切 屑变形就难以进行。 (2)刀具对切屑变形的影响 刀具材料性质和几何参数是影响切屑变形的主要因素。 一般刀具材料的硬度越高，它的化学性质就越稳定，刀具与切屑之间发生粘结的可 能性就小，从而减小切屑的变形。但是当刀具材料中含有与工件材料中同种或同族元素 时，它们之间的化学亲合性将大大增加，刀具与切屑之间就会发生粘结，容易造成前刀 面剧烈摩擦或破损，使切屑变形系数增大，进而使切削力和切削温度升高。 刀具几何参数中前角和刃口钝圆半径对切屑变形影响较大。前角的增大时会导致剪 切角增大，从而使切屑变形系数减小。刃口钝圆半径增大时会导致刀具变钝，从而使刃 前区被切削层金属所受的挤压应力、位错密度和位错远动的速度增大，从而使切屑变形 系数增大。 (3)切削三要素对切屑变形的影响 进给量是切削三要素中对切屑变形影响最大的。当进给量增加时，刀具前刀面上的 平均正应力将增大，导致切削温度升高，从而使刀具前刀面上的剪应力减小，二者最终 影响的结果是导致切屑变形系数减小。 切削速度对切屑变形也有一定的影响，当切削速度较低时，积屑瘤随切削速度的提 高而增大，刀具的实际工作前角随之增大，将导致切屑变形系数减小。当切削速度提高 到一定数值后，积屑瘤随切削速度提高而减小，相应地刀具工作前角又随之减小，从而 导致切屑变形系数增大。 切削深度对切屑变形影响非常小，几乎没有影响。 5.2.2预防措施 (1)刀具材料 切削难加工材料时，必须尽可能采用高性能的刀具材料。由于难加工材料种类繁多， 性质迥异，在选用刀具时，必须注意刀具材料与被加工材料在力学、物理性能和化学性 能之间的匹配。使刀具与工件之间尽最大可能实现自然切断，这样就能使切屑顺利排出 不容易堵屑。 不锈钢深孔钻削时的主要刀具材料是硬质合金，为了减少与工件材料中钛元素的亲 和作用，较小刀具的粘结磨损和扩散磨损，常选用 YG类及含 Ta(Nb)C的 YG类硬质合 金，如 YG8和 YDl5、643、YG813等新牌号硬质合金。 钻削钛合金时，必须选用红硬性好、抗弯强度高、导热性能好、抗粘结、抗扩散、 47 西安石油大学硕士学位论文 抗氧化磨损性能好的刀具材料。钛合金深孔钻削通常选用硬质合金刀具材料以不含或少 含 Ti的硬质合金为宜，如:YG类、YDl5等。 钻削高温镍基合金时一般选用红硬性高、抗弯强度高、耐磨、导热性好、抗粘结， 抗扩散和抗氧化磨损性好的刀具材料。通常选用硬质合金刀具材料，选用时重点应考虑 刀具的耐磨性和耐用度。一般选用 YDl5、YGl0H、YG813、YT726等。 (2)断屑方法 深孔钻削过程断屑方法主要是在钻头上磨出卷屑槽或断屑台来断屑，切屑通过卷屑槽 或断屑台后，使切屑的变形更加剧烈，使切屑内的最大应变达到破裂应变值，从而使切 屑折断。图 5-5是断屑台的示意图,其主要参数为宽度 b,高度 h和过渡圆角半径 R,这些数 值,与工件材质、钻头直径以及进给量相关,只要合理选择,就能获得在排屑中较为理想的切 屑。实际应用时,先针对加工材质、切屑用量和设备条件的实际情况进行试验,然后再对这 些几何参数进行必要的修正。在这 3个因素中 R的作用尤为明显,R太大,切屑不易折断, 易形成堵屑;R太小,切屑会直接撞及断屑台,造成崩刃。 图5-5断屑台示意图 一般断屑台 R=0.4~0.8mm。切削刃与断屑台边的斜角为 2?,4?,多数为外刃处较窄, 内刃处较宽,使其卷出切屑里松外紧,有拉力易折断。需要说明的是,断屑台的几何参数必须 与工件材质、钻头直径和钻头进给量相适应,才能获得理想的切屑形态。 (3)钻头参数 在深孔钻削过程中，由于深孔钻头各刀刃上速度、前角、刃倾角不同，所以各点的 变形系数是不同。沿钻头刀刃方向从钻芯处到外缘处，切屑变形系数是逐渐减小。这主 要是由于钻削过程为非自由切削形态，各刀刃上产生的切屑互相牵拉，缠绕等复杂情况。 使靠钻芯处的切屑受到外侧切屑的拉伸，导致变形系数减小。为了使得切屑快速流畅地 排出，应尽量减小切屑在流出过程中与孔壁、钻头之间的摩擦阻力。为此深孔钻头设计 时必须考虑钻头的几何形状和切屑在各刀刃上流出的方向等因素，才能保证钻头设计的 合理性。 (4)切削液流量 在实际生产过程中,某些脆性较好的材料,如不锈钢,在进行深孔钻削加工时,会自动断 屑,切屑形状为易于排屑的“C”字形,无须采取额外附加措施,便能顺利的将切屑排出。而 有些材料则很难实现断屑。实践证明,这些材料的深孔钻削加工不宜采用断屑措施,不如顺 其自然,让其成长条状随切削液排出。在通常的情况下，一旦出现超长深孔就采用增大切 48 第五章钻削过程中遇到的问题及预防措施 削液流量的方法，利用强有力的切削液将切屑和切削热量带走，这样做还可以有效的保 护刀具。但是并不是要无休止的增大切削液流量，还要考虑机床液压系统的密封性和大 流量对切屑形态的影响。 5.3小结 (1)本章通过控制深孔加工过程孔轴线偏斜的措施，来及时的矫正加工过程中出现 的孔轴线偏移问题，并在研究了偏斜机理的基础上，提出了附加外力进行纠偏的方法， 该方法可以通过两种途径实现:?将附加外力 F加在工件上，使得力 F作用在工件上产 生的位移正好等于偏斜量;?将附加外力加在刀具上，通过开启刀杆前端的微型液压阀， 用高压液流射向已加工孔壁，来打破刀具偏斜所形成的平衡，同时给刀杆本身一个反作 用力 F，只要该力 F使刀具产生的位移等于孔轴线的偏斜量，那么即可实现刀具纠偏。 同时，本章还针对精度要求不高的零件，提出了一些简单的、可操作性强的纠偏措施， 为实际加工提供了理论和依据。 (2 )对超长深孔加工过程中堵屑问题进行了分析，提出通过刀具材料、断屑方法、 钻头参数、切削液流量等因素来预防和控制超长深孔加工过程中的堵屑问题，对实际生 产有一定的作用。 49 西安石油大学硕士学位论文 第六章结论与展望 6.1结论 本文以难加工材料为研究对象，对典型难加工材料(4145H钻铤刚、TC11钛合金和 镍基高温合金)的超长深孔钻削技术进行了研究。文章在研究了典型难加工材料切削性 能的基础上,建立了超长深孔钻削的理论模型。针对材料的特点,合理地选用刀片材料和 刀具几何参数,设计了典型难加工材料超长深孔加工试验，并进行了超长深孔钻削试验。 通过理论和试验分析得出了以下结论: (1)由不锈钢、钛合金和镍基高温合金的机械物理特性决定了这些材料的切削加工 性差，加上超长深孔钻削的特殊性，使不锈钢、钛合金和镍基高温合金的深孔钻削成为 深孔加工的难题之一。 (2)从深孔钻削加工方式、刀杆刚性不足以及刀具初始偏斜量等因素对深孔加工孔 轴线偏斜的影响进行研究，对孔轴线偏斜机理进行了探讨。建立了上述三个因素引起的 孔轴线偏斜力学模型，通过理论计算得出了孔轴线偏斜量的函数表达式，得出了孔轴线 偏斜量的变化趋势是呈指数曲线的，而且与与入钻初始偏斜量和钻削长度有关。 (3)对钻削过程中的分屑、卷曲及断屑做了论述。深孔钻削过程中切屑的形成机理 与普通车削时切屑形成机理一样，就是被切削层金属在刀具切削刃和前刀面作用下，经 受挤压而产生剪切滑移变形的过程。通过这些论述指出了难加工材料常见的切屑形态即 让其形成长条屑，控制切削的宽度和厚度，可使之形成窄而薄的褶皱长条切削，能随切 削液非常顺畅的排出。 (4)对深孔钻削过程油路系统建立了数学模型，讨论和选定了试验中的切削液压力 和流量并提供了压力、流量和钻削长度的关系，对于深孔钻削系统这样一种复杂工况环 境来说，较好地反映了切削液静态特性的变化情况，同时也能够了解排屑过程中应该注 意的问题，对生产实践有一定的指导作用。 (5)通过试验得知在进行难加工材料超长深孔钻削时刀具结构和几何参数、切削用 量的结合和切削液的合理使用是至关重要的，这三个因素配合的适当就可以顺利有效的 进行排屑，使钻削过程平稳安全的进行下去。 (6)通过对常见典型难加工材料超长深孔钻削试验可知，只要使用合理的参数就可 以解决难加工材料的超长深孔钻削问题，有利于提高超长深孔钻削效率，对实际生产起 到一定的积极作用。 6.2展望 难加工材料一般具有优良使用性能，这些优秀的使用性能使其具有广阔的应用前景。 本文对难加工材料超长深孔钻削系统特性进行了初步的探索，对超长深孔加工研究有一 50 第六章结论与展望 定的指导意义。但是还有很多问题需要进一步研究完善，进一步的研究工作可以在以下 几个方面展开: (1)本课题建立的数学模型是在静态的原型管路下，没有切屑、切削液流动和钻杆 转动的情况下建立的，在以后的研究中可以考虑进这些因素，将更吻合实际的钻削过程。 (2)由于试验设备的限制，本次实验只能采用BTA系统进行，也没有做切削液仿真， 以后研究可以把整个油路系统中的切削液进行流体仿真，这样可以综合的了解哪些因素 对排屑有重要的影响。 (3)对附加外力法纠偏进行更深入的研究。对其中的通过液压阀进行纠偏的方法进 行细化，对各功能部件进行设计，其中包括:机械部分、电路部分、控制部分等。 (4)将液压阀纠偏系统和超声波测厚仪联系起来，组成一个完整的检测纠偏系统， 通过编程软件，开发出此系统的下位机，可以让操作者通过显示器屏幕直观的看到孔轴 线是否偏斜、偏斜量的大小和方向、以及实施纠偏以后的效果等。 51 西安石油大学硕士学位论文 致谢 本论文是在导师刘战锋教授的精心指导下完成的。刘老师治学严谨、诲人不倦，无 论是在理论研究和试验环节上，都一丝不苟，严格要求。从论文的发表，课题的确定到 研究工作的进行，刘老师花费了大量的心血，才能使本课题如期顺利的完成。可以说， 论文中的点滴成绩都凝聚着导师的汗水，在此我真诚的对刘老师三年来的培养表示感谢! 深孔加工技术研究所的工人对试验中刀片材料的选择，新型钻头的研制，钻头几何 参数及加工工艺参数的确定等方面给予了大量的指导和帮助。在试验过程中得到了工厂 的工人师傅无私的关心和帮助，在此对他们无私的奉献表示致敬和感谢～ 对读书和作论文期间给予我热心帮助的其他老师及热心帮助我的各位同学表示真诚 谢意! 52 参考文献 参考文献 [1]王世清等.深孔加工技术[M].西安:西北工业大学出版社，2003. [2]李春蕊.深孔钻削刀具系统特性研究[D].西安:西安理工大学，2008. [3]张念淮.难加工金属材料的切削加工技术[J].农业装备与车辆工程,2008,(7):46,48. [4]王峻.现代深孔加工技术[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2005:l~2. [5] Venkatesh，V.C. et al，Performance Evaluation of End Rills [J] .International Joule of Machine Tools and Manufacture，Vol.28，No.4，1998，PP.341一 349 [6]山特维克.可乐满.产品样本及应用指南——深孔钻削[Z].SANDVIK, 2003 [7]袁忠于.深孔钻削加工的振动分析与仿真[D] .兰州:兰州理工大学，2005. [8]赵晓强.航空难加工材料特点及其特殊加工方法[J] .航空制造技术，2009，(23):50~51. [9] Katsubi A et al. The Influence of workpiece geometry on axial hole deviation in deep hole drilling[J] . Int J J SMESerШ，1992，35(1):160~167. [10] Sakuma K et al.Sel-guiding action of deep hole drilling tools[J].Annals of theCIRP，1991，(l):311~315. [11] Issam.，Abu-Mahfouz .Drilling wear detection and classification using vibration signals and artificial network[J] .International Journal of Machine Tools&Manufacture,2003,(43):707–720. [12] Li Y, Liang S Y, Petrof R C, et al. Force modeling for cylindrical plunge cutting. Int .J.Adv Manful Techno， 2006，(16):863-870. [13]汪志明，王峻.深孔加工技术的新成果及其应用[J] .新技术新工艺，2002.，(5):20~21 [14] Inside Tip son Gun drill Geometry，《Tolling & Production》，Maher，1995，(5):33~35 [15]张银东(深孔振动钻削机理及其工艺装备的研究[D](太原:华北工学院，2004( [16]宋蕾，朱林，王江萍(深孔钻削加工刀具状态监测的研究[J](新技术新工艺，2002，(4):21-22( [17] Shiqing Wang，Lin Zhu，Zhongyun Xiao. A New Twinst Dill from mehina[J] .Cutting Tool Engineering， 1993，VOL.45(1) [18]李伯胜.一种用于数控机床的高效深孔钻[J] .现代制造工程，2004，(1):27~29. [19]叶树亮，谭久彬.基于动态阿贝原则的高精度激光深孔孔径测量[J] .光电子激光，2004，(8):971~974. [20]王宁侠.强力珩磨技术在难加工材料精密深孔加工中的应用[J] .制造技术与机床，2007，(5):74~76. [21]刘安明,刘沈.利用车床主轴加工超长深孔工件[J] .金属加工，2009，(9):28~29. [22]华红芳.大长径比整体硬质合金深孔钻头的切削性能分析[J] .中国制造业信息化,2009,(15):51~53. [23]何铮,胡凤兰.利用磁化切削提高深孔零件的加工质量[J] .湖南工程学院学报，2010，(9):27~29. [24]彭海，张敏，王水航.干式深孔加工技术的研究[J] .新技术新工艺，2006，(5):51-52. . [25]朱林，肖德明.基于 CAXA和 FLUENT的深孔套料切削液流动三维数值模拟[J].机械设计与制造， 2009，(3):227~229. [26]刘战锋等.无氧铜深孔套料加工工艺的试验研究[J].工具技术，2009，(2):30~32. [27]刘战锋，张卓.深孔套料技术在钛合金类仪器外壳制造中的应用[J] .石油仪器，2010，(1):35~38. 53