湯志鈞 楊紅偉 李建兵

摘要：本文通過對(duì)地鐵車輛測(cè)力輪對(duì)車軸穿線孔現(xiàn)有深孔鉆削方法進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)車軸深孔加工方法進(jìn)行了優(yōu)化，解決了鉆頭易斷、鉆孔排屑難、加工耗時(shí)長(zhǎng)、加工表面質(zhì)量差等問題。試驗(yàn)對(duì)比表明：車軸Φ30孔采用新型槍鉆并改進(jìn)鉆削方法后，其排屑性能得到明顯改善、加工時(shí)間縮短、孔表面質(zhì)量得到明顯改善。同時(shí)本文通過實(shí)例為廣大讀者介紹一種深孔鉆削解決方法，希望能給大家提供幫助。

關(guān)鍵詞：深孔鉆削;槍鉆;變參數(shù)鉆孔切削循環(huán)

1、引言

測(cè)力輪對(duì)主要用于地鐵車輛正線動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，通過動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)來評(píng)判試驗(yàn)車輛的動(dòng)力學(xué)性能指標(biāo)是否滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[1]。測(cè)力輪對(duì)作為動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中的關(guān)鍵部件之一，其車軸穿線孔、車輪斜孔、軸端孔的尺寸、車輪刻線的位置精度關(guān)系到測(cè)試信號(hào)應(yīng)變片粘貼位置、測(cè)試信號(hào)方便穿線，測(cè)試信號(hào)輸出穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、誤差小，因此機(jī)加工尺寸精度尤為重要。

測(cè)力輪對(duì)加工車軸Φ30孔時(shí)最常見的問題是孔內(nèi)鐵屑排出難、鉆桿兩條刃帶與孔壁摩擦阻力大導(dǎo)致加工過程中鉆桿后半部分越容易疲勞斷裂[2-3]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況，鉆桿疲勞斷裂集中出現(xiàn)在鉆桿中部到尾部之間的區(qū)域，且鉆桿使用過程中疲勞斷裂失效概率為8%～10%，見圖1和圖2。若鉆頭斷裂比較淺可用工具將斷裂鉆頭直接取出，若鉆頭斷裂較深取出比較困難，一般是對(duì)原車軸直接進(jìn)行更換。一般來說更換新車軸涉及到重新下單、采購、生產(chǎn)、到貨、更換，整個(gè)采購周期得3～4個(gè)月。對(duì)拖車輪對(duì)通常在廠內(nèi)直接更換新車軸就可以，對(duì)于含齒輪箱動(dòng)車輪對(duì)，因廠內(nèi)不具備齒輪箱更換條件，需將輪對(duì)和新車軸送回齒輪箱生產(chǎn)廠家進(jìn)行更換。因此測(cè)力輪對(duì)因Φ30孔鉆頭斷裂故障造成的采購、更換周期較長(zhǎng)，更換成本比較高。鑒于此，我們與山特維克合作，提出用槍鉆代替?zhèn)鹘y(tǒng)麻花鉆頭，并優(yōu)化了Φ30孔鉆削方法和加工路徑，改進(jìn)效果比較明顯，文章后面進(jìn)一步介紹運(yùn)用方法。

2、深孔鉆削加工難點(diǎn)介紹

測(cè)力輪對(duì)最大的加工難點(diǎn)是輪對(duì)車軸Φ30孔加工和輪對(duì)車輪Φ12斜孔加工，其中車軸Φ30孔加工也是鉆頭最容易斷裂的工序。為了方便測(cè)試信號(hào)線從車輪內(nèi)側(cè)引到車輪外側(cè)，輪對(duì)車軸Φ30孔和車輪Φ12斜孔加工后必須貫通，圖3所示。目前測(cè)力輪對(duì)車軸Φ30孔最大加工深度為450mm，鉆孔深度與孔直徑比約15倍徑，加上鉆頭尾部排屑槽設(shè)計(jì)，車軸Φ30孔加工所需的鉆頭不含刀具夾持部分懸深總長(zhǎng)要達(dá)到550mm（約18倍徑）以上，若含刀具夾持及刀柄部分則總長(zhǎng)達(dá)到650mm以上，屬于典型的深孔鉆削加工。

目前市面上可選的標(biāo)準(zhǔn)系列鉆頭包括硬質(zhì)合金麻花鉆及可換刃轉(zhuǎn)位鉆頭可選鉆孔深度在10倍徑以內(nèi)，甚至有些廠家只能提供8倍徑以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)系列鉆頭。而有效鉆孔深度在15倍徑以上的鉆頭市場(chǎng)上沒有標(biāo)準(zhǔn)系列型號(hào)可選，除非是生產(chǎn)廠家根據(jù)用戶需求進(jìn)行特殊定制。我們改進(jìn)前是采用高速鋼麻花鉆來加工測(cè)力輪對(duì)Φ30底孔，因高速鋼材料延展性好，易于扭轉(zhuǎn)成型，刀具長(zhǎng)度可以做到17倍徑且成本低廉。但是加工過程中缺點(diǎn)也很多：①高速鋼麻花鉆鉆頭不帶內(nèi)冷出水，孔內(nèi)鐵屑不能通過機(jī)床內(nèi)冷水壓排出。雖然車軸Φ30孔采用啄鉆循環(huán)加工方法以方便鉆頭斷屑和排屑，但是孔加工效率低、孔表面質(zhì)量差、同時(shí)加工過程中刀具振動(dòng)及噪聲比較大。②加工前需手工修磨鉆頭兩個(gè)主切削刃、主切削刃與排屑槽夾角。由于是手工修磨，人員修磨技術(shù)參差不齊，加上沒有專用設(shè)備來檢測(cè)修磨后的鉆刃尺寸，因此修磨精度低。最常見的是左右主切削刃刃磨后高度不一致，排屑角度修磨不合理，加工過程中出現(xiàn)低的切削刃將高的切削刃加工出的鐵屑擠壓成鐵末，且鉆頭鉆得越深振動(dòng)聲音越大。③鉆頭的硬度不足、壽命低。加工材料是50鋼，鉆頭加工車軸刃口容易過早磨損和鈍化。同時(shí)高速鋼鉆頭加工主軸轉(zhuǎn)速不能過高，我們現(xiàn)場(chǎng)切削參數(shù)是主軸轉(zhuǎn)速120轉(zhuǎn)/分鐘，倍率25mm/分鐘。若強(qiáng)行提高主軸轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致高速鋼鉆刃因溫度過高而發(fā)黑，甚至主切削刃外邊緣出現(xiàn)豁口，俗稱：“燒刃現(xiàn)象”;④鉆頭刃帶與孔壁之間接觸摩擦阻力對(duì)鉆桿的變形影響較大。鉆孔越深其鐵屑在鉆桿排屑槽累積量增多及鉆頭韌帶與孔壁接觸面積變大，導(dǎo)致鉆桿加工過程中出現(xiàn)扭曲變形，這個(gè)就是Φ30鉆頭斷裂的根本原因。

3、鉆頭優(yōu)化改進(jìn)

測(cè)力輪對(duì)深孔鉆削加工優(yōu)化改進(jìn)需遵循新鉆頭預(yù)先設(shè)計(jì)、內(nèi)冷設(shè)計(jì)、避免或少啄鉆、定心好、加工風(fēng)險(xiǎn)低這五條基本規(guī)則[4]。鉆頭設(shè)計(jì)不僅要滿足鉆孔深度要求，還要保證阻抗小、扭力小、易排屑、定心穩(wěn)、切削部位冷卻充分。因此參與優(yōu)化改進(jìn)后的設(shè)備要求具備主軸內(nèi)冷功能、同時(shí)還要優(yōu)化鉆削方法，讓鉆削過程中阻力小、切削輕快、振動(dòng)小、鉆頭斷裂風(fēng)險(xiǎn)低、讓鉆頭實(shí)現(xiàn)加工效率最大化。

為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，山特維克設(shè)計(jì)出新型槍鉆替代原始高速鋼麻花鉆，新型槍鉆結(jié)構(gòu)見圖4所示。新型槍鉆采用單切削刃、單排屑槽來增加排屑空間和容積。鉆刃后刀面設(shè)置兩內(nèi)冷孔實(shí)現(xiàn)內(nèi)冷加工。鉆頭設(shè)置長(zhǎng)45mm、直徑30mm的導(dǎo)向面來實(shí)現(xiàn)孔加工過程中定位和定心。通過鉆桿（直徑28mm）比導(dǎo)向面半徑差小1mm，避免了鉆削過程中鉆桿側(cè)刃與孔壁之間的接觸摩擦。新型槍鉆也有以下缺點(diǎn)：刀具總長(zhǎng)（含刀柄）達(dá)到650mm，鉆桿在夾套外的懸深長(zhǎng)度達(dá)到了550mm，受自身自重原因，主軸速度越高，鉆頭頭部跳動(dòng)越大，對(duì)刀具預(yù)鉆和定位特別不利。因此加工前必須給鉆頭做預(yù)留引導(dǎo)孔，引導(dǎo)孔深度最好在50～55mm左右，引導(dǎo)孔直徑尺寸最好比鉆頭導(dǎo)向定位面直徑大0.05～0.1mm，引導(dǎo)孔最好通過精鏜進(jìn)行加工，保證孔尺寸符合要求且孔中心不偏心。

為測(cè)試新型槍鉆鉆削工藝性，用30新型槍鉆對(duì)測(cè)力輪對(duì)車軸（材質(zhì)50鋼）進(jìn)行鉆削試驗(yàn)。測(cè)試機(jī)床為在尼古拉斯機(jī)床，主軸帶中心內(nèi)冷功能。測(cè)試前先將車軸孔鉆到29.6mm，深60mm，后改用精鏜刀將預(yù)留定位孔精鏜到30.05mm，深50mm。驗(yàn)證一次鉆到底（西門子系統(tǒng)81循環(huán)）和啄鉆（西門子系統(tǒng)83循環(huán)）兩種鉆削加工方式對(duì)比試驗(yàn)，見圖5。測(cè)試過程中兩種鉆削加工方法及效果均不理想。采用一次鉆到底循環(huán)（西門子系統(tǒng)81循環(huán)）加工有以下幾個(gè)問題：①鉆頭入刀、出刀主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量不可控，鉆頭入鉆時(shí)以主軸轉(zhuǎn)速400轉(zhuǎn)/分鐘，進(jìn)給量40mm/分鐘，槍鉆鉆頭部分進(jìn)入車軸預(yù)留定位孔時(shí)振動(dòng)大。加上內(nèi)冷從進(jìn)刀前就開啟導(dǎo)致刀尖端部跳動(dòng)增大，對(duì)鉆頭定位非常不利。鉆頭退刀是以機(jī)床最大進(jìn)給量退刀，鉆頭導(dǎo)向面和鉆桿交接處會(huì)出現(xiàn)鐵屑擠壓拉傷刀桿。②鉆削過程中容易出現(xiàn)間斷性蠕滑假切削現(xiàn)象。這種現(xiàn)象是由鉆桿懸伸過長(zhǎng)，鉆桿加工過程中出現(xiàn)扭曲變形到扭轉(zhuǎn)變形回彈到鉆桿再扭轉(zhuǎn)變形循環(huán)，鉆刃與工件間不斷出現(xiàn)暫停運(yùn)動(dòng)-快速滑動(dòng)-暫停運(yùn)動(dòng)-快速滑動(dòng)的這種間斷切削模式，這種間斷切削模式同時(shí)伴隨著鉆刃的振動(dòng)，對(duì)鉆頭的壽命產(chǎn)生比較大的影響。啄鉆（西門子系統(tǒng)83循環(huán)）加工中除了出現(xiàn)一次鉆到底（西門子系統(tǒng)81循環(huán)）常見兩個(gè)問題外，還出現(xiàn)鉆頭退出孔外重復(fù)進(jìn)入孔內(nèi)再定位問題，由于西門子系統(tǒng)81循環(huán)采用恒定轉(zhuǎn)速不變的加工方式，鉆頭導(dǎo)向面進(jìn)入或出車軸預(yù)留孔其導(dǎo)向面與孔壁會(huì)產(chǎn)生接觸振動(dòng)。

通過以上兩個(gè)試驗(yàn)可得出以下結(jié)論：在主軸轉(zhuǎn)速400轉(zhuǎn)/分鐘不變，進(jìn)給量20mm/分鐘～25mm/分鐘可獲得圖6第1種14卷以上連續(xù)卷屑。由于鐵屑排不出底孔，鐵屑留在孔內(nèi)擠壓成餅狀，再高的內(nèi)冷水壓也無法將鐵屑沖出孔外，這種鐵屑對(duì)深孔加工特別不利。主軸轉(zhuǎn)速400轉(zhuǎn)/分鐘不變，進(jìn)給量上升到28mm/分鐘～30mm/分鐘之間可以獲得圖6第2種帶刺狀鐵屑，這種鐵屑雖然有所改善，它在孔深200mm前能順利排出，在孔深200mm后排出變慢，甚至排不出。主軸轉(zhuǎn)速400轉(zhuǎn)/分鐘轉(zhuǎn)，進(jìn)給量升到35mm/分鐘～40mm/分鐘之間可以獲得圖6第3種比較理想的鐵屑，這種形狀的鐵屑完全可以通過內(nèi)冷水壓帶出孔外，然而這個(gè)參數(shù)范圍產(chǎn)生間斷性蠕滑假切削概率比較大。

4、變參數(shù)鉆孔切削循環(huán)

通過前面的兩個(gè)常用的鉆削循環(huán)示例表明：淺孔鉆削循環(huán)和啄鉆循環(huán)因主軸轉(zhuǎn)速恒定不可變、退刀速度快、采用固定參數(shù)加工法都不適合新型槍鉆深孔鉆削加工。因此我們提出一種適用于深孔鉆削的變參數(shù)鉆孔切削循環(huán)加工方法。這種加工方法就是根據(jù)槍鉆加工特點(diǎn)，在鉆削各個(gè)階段設(shè)置不同的鉆削參數(shù)，方便槍鉆以低轉(zhuǎn)速高進(jìn)給量快速定位，采用啄鉆的模式在鉆孔各區(qū)間段實(shí)現(xiàn)變參數(shù)加工，讓切削力均勻過度。在保證切削輕快、振動(dòng)小的前提下，實(shí)現(xiàn)切削效率最大化。

為測(cè)試新型槍鉆采用變參數(shù)鉆削循環(huán)加工工藝性，在測(cè)試所需設(shè)備、車軸材料、預(yù)留精鏜孔尺寸及深度與前面淺孔鉆削循環(huán)和啄鉆循環(huán)保持一致的基礎(chǔ)上制定了圖7所示加工方法。該方法有以下幾點(diǎn)改進(jìn)：①預(yù)鉆孔進(jìn)刀深度設(shè)置為50mm，新型槍鉆進(jìn)預(yù)鉆孔和出預(yù)鉆孔主軸轉(zhuǎn)速降到60轉(zhuǎn)/分鐘，進(jìn)給速度提到為1500mm/分鐘，關(guān)掉主軸內(nèi)冷出水功能。在低轉(zhuǎn)速、沒有鉆頭內(nèi)冷壓力造成鉆頭端部跳動(dòng)條件下，鉆頭進(jìn)刀和出刀非常平穩(wěn)，鉆頭導(dǎo)向面與車軸預(yù)留孔壁間振動(dòng)特別小。②鉆頭進(jìn)入L1預(yù)鉆孔底部后可以將主軸轉(zhuǎn)速提高到400轉(zhuǎn)/分鐘，同時(shí)開切削液內(nèi)冷功能，鉆孔過程中將鉆孔深度劃分100mm為一段（例如L2段）進(jìn)行啄鉆加工，每一段保證主軸轉(zhuǎn)速400轉(zhuǎn)/分鐘不變，鉆削進(jìn)給量從L2起始點(diǎn)28mm/分鐘均勻提速到L2終點(diǎn)35mm/分鐘。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以有效消除間斷性蠕滑假切削現(xiàn)象，同時(shí)鉆孔切削比較平穩(wěn)。③每一段鉆孔起始點(diǎn)與上一段鉆孔最終點(diǎn)之間的安全距離設(shè)置為5mm，從預(yù)鉆孔位置快速到開始鉆孔位置和快速退刀到預(yù)鉆孔位置主軸轉(zhuǎn)速可保持在400轉(zhuǎn)/分鐘、進(jìn)給量1500mm/分鐘不變，避免鉆頭快進(jìn)快出鐵屑拉傷鉆桿和孔壁。通過以上三條改進(jìn)基本解決了新型槍鉆排削問題和振動(dòng)問題，同時(shí)降低了鉆頭斷裂風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)孔的表面質(zhì)量也得到了明顯提高。

變參數(shù)鉆孔切削循環(huán)在深孔鉆削加工中是一個(gè)不錯(cuò)是運(yùn)用實(shí)例。目前許多新系統(tǒng)具備變參數(shù)鉆孔切削循環(huán)代碼，對(duì)于沒有變參數(shù)鉆孔切削循環(huán)代碼的機(jī)床，可以采用宏程序編程及調(diào)用的方法代替變參數(shù)鉆削循環(huán)代碼，這里不再詳細(xì)說明宏程序編程及調(diào)用的方法。

5、結(jié)語

1、對(duì)于刀具長(zhǎng)度與直徑比在15倍徑以上的深孔加工。傳統(tǒng)麻花鉆不僅難買到，同時(shí)由于定心導(dǎo)向差、導(dǎo)向刃與孔壁摩擦阻力大、雙刃排屑槽截面面積小等缺點(diǎn)，會(huì)增加深孔加工鉆頭斷裂失效風(fēng)險(xiǎn)。

2、在15倍徑以上孔深鉆削加工中，槍鉆是一個(gè)不錯(cuò)的加工選擇。因其有較長(zhǎng)的導(dǎo)向側(cè)面、單切削刃、單排屑槽和較大的排屑槽截面及內(nèi)冷孔。因此它能提高鉆頭的定位精度，孔壁表明質(zhì)量好，適合深孔和孔的精加工。但前提是加工前必須做精鏜引導(dǎo)孔，精鏜孔尺寸要大于鉆頭導(dǎo)向面直徑0.05～0.1mm，深度要超過槍鉆導(dǎo)向面的長(zhǎng)度，采用變參數(shù)鉆孔切削循環(huán)法進(jìn)行加工。

參考文獻(xiàn)：

[1]王超.李冬梅.湯志鈞.地鐵車輛測(cè)力輪對(duì)加工工藝方案的研究[J]-軌道交通裝備與技術(shù) 2019（5）：35-39

[2]田衛(wèi)軍.李郁.何扣芳.TC4鈦合金鉆削力和鉆削溫度仿真研究[J]-液壓與機(jī)床2014.42（21）：161-163

[3]仵珍謖.姜增輝.魯康平.孫晉亮.GH4169 高溫合金鉆削力的試驗(yàn)研究[J]-機(jī)械設(shè)計(jì)與制造2018（8）：106-108

[4]Matt Danford.影響深孔鉆的5條規(guī)則[J]-現(xiàn)代制造﹒現(xiàn)代金屬加工2020-12：38-39

作者簡(jiǎn)介：湯志鈞（1984-1-27），男，研究生學(xué)歷，高級(jí)工程師，從事轉(zhuǎn)向架工藝研究工作。