賀慶強(qiáng)， 尹德聰， 劉建國， 王鳳序， 許智彬， 李 晨

（中國石油大學(xué)（華東）機(jī)電工程學(xué)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(yuǎn)大于10，主要采用內(nèi)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(shù)（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(nèi)孔尺寸精度和表面質(zhì)量前提下，大幅提升了加工效率，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程油缸內(nèi)孔表面光整加工。

現(xiàn)有BTA加工技術(shù)，其內(nèi)孔表面粗糙度可達(dá)Ra 3.2，已經(jīng)滿足內(nèi)孔滾壓所需表面粗糙度條件。因此，將BTA鉆頭和內(nèi)孔滾壓頭進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，通過滾壓促使內(nèi)孔表層發(fā)生塑性變形，在降低表面粗糙度［7］的同時(shí)，細(xì)化微觀組織并提高內(nèi)孔表面硬度［8］；另外，滾壓后內(nèi)孔表面承受壓應(yīng)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(nèi)進(jìn)行，無法直接觀察加工時(shí)切屑的形成過程，學(xué)生對(duì)各齒切屑形態(tài)特征沒有直觀認(rèn)識(shí)，很難建立加工工藝參數(shù)與切屑形態(tài)之間的聯(lián)系。鑒于專業(yè)深孔加工設(shè)備的高昂成本，考慮實(shí)踐教學(xué)實(shí)際需要［13-15］，為此，本文以小型教學(xué)用車床為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)并加工了旋轉(zhuǎn)授油器、鉆削-滾壓復(fù)合刀具、鉆桿夾持器和切削液專用供給系統(tǒng)等關(guān)鍵部件，研制了內(nèi)排屑深孔鉆削-滾壓復(fù)合加工教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，用于學(xué)生的內(nèi)排屑深孔加工工藝學(xué)習(xí)。

1 內(nèi)排屑深孔鉆削-滾壓復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)裝置總體構(gòu)成

在CNQ6230車床基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了內(nèi)排屑深孔鉆削-滾壓復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)裝置，主軸電動(dòng)機(jī)功率2 kW、機(jī)床轉(zhuǎn)速75～1 400 r/min（8檔調(diào)速），圖1為裝置總體構(gòu)成示意圖。主要包括深孔鉆削-滾壓加工系統(tǒng)和切削液供給系統(tǒng)2部分，其中，鉆削-滾壓加工系統(tǒng)由鉆削-滾壓復(fù)合刀具、旋轉(zhuǎn)式授油器和鉆桿夾持器等組成；切削液供給系統(tǒng)由齒輪泵、壓力控制系統(tǒng)、切削液儲(chǔ)液箱及過濾系統(tǒng)等組成。

2 深孔鉆削-滾壓加工系統(tǒng)

2.1 鉆削-滾壓復(fù)合刀具結(jié)構(gòu)

圖2為鉆削-滾壓復(fù)合刀具結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)鉆桿相連接。滾壓頭套有滾柱保持器，保持器前端有內(nèi)寬外窄，前寬后窄的方槽，方槽內(nèi)安裝滾柱，同時(shí)保持器后端與滾壓頭主體配車螺紋，通過旋擰螺紋來調(diào)節(jié)滾柱擴(kuò)漲和收縮，達(dá)到調(diào)節(jié)不同滾壓量的功能。

2.2 旋轉(zhuǎn)式授油器結(jié)構(gòu)

本文采用工件旋轉(zhuǎn)＋刀具直線進(jìn)給的方式進(jìn)行深孔加工。圖3為旋轉(zhuǎn)式授油器結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括旋轉(zhuǎn)部、鉆套部、鉆桿密封部和機(jī)床連接部。為減少實(shí)驗(yàn)過程中漏油的問題，設(shè)計(jì)時(shí)保證授油器頭部可旋轉(zhuǎn)，同時(shí)采用靜止導(dǎo)向套，保證導(dǎo)向精度。導(dǎo)向套采用壓圈固定式結(jié)構(gòu)，有利于拆卸和更換導(dǎo)向套。

2.3 鉆桿夾持器結(jié)構(gòu)

鉆桿夾持器是深孔鉆削和滾壓復(fù)合加工試驗(yàn)裝置重要組成部分，主要功能就是夾持鉆削-滾壓復(fù)合刀具，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。其主要由ER40-NUT、ER40筒夾、鉆桿軸套、螺釘與進(jìn)給塊組成，如圖4所示。在進(jìn)給塊底部設(shè)計(jì)螺栓孔，通過螺栓聯(lián)結(jié)與機(jī)床溜板箱相連。同時(shí)，為保證內(nèi)孔軸線直線度，鉆桿夾持器與機(jī)床聯(lián)結(jié)時(shí)，必須保證其與旋轉(zhuǎn)式授油器和機(jī)床主軸嚴(yán)格同軸，避免鉆削-滾壓加工時(shí)鉆桿偏擺，降低加工精度。

3 切削液供給系統(tǒng)

切削液供給系統(tǒng)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(shí)，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(tǒng)，圖5為該系統(tǒng)原理圖，表1為其對(duì)應(yīng)的主要組成部件列表。

表1 切削液供給系統(tǒng)零部件列表

4 內(nèi)排屑深孔鉆削-滾壓復(fù)合實(shí)驗(yàn)裝置調(diào)試

安裝過程要求：旋轉(zhuǎn)授油器固定于車床導(dǎo)軌，通過移動(dòng)授油器芯軸，使旋轉(zhuǎn)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(tǒng)是否正常；整體裝置油路是否通暢，是否存在漏油現(xiàn)象。調(diào)試過程要求：啟動(dòng)車床；采用高壓低速低進(jìn)給（油壓5 MPa、轉(zhuǎn)速200 r/min、進(jìn)給量92.2 μm/r）；對(duì)裝置進(jìn)行初步加工測試，加工過程順暢。圖6為內(nèi)排屑深孔鉆削-滾壓復(fù)合工具各部件、系統(tǒng)全部裝配完成后進(jìn)行的設(shè)備調(diào)試。

5 深孔鉆削加工實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

調(diào)試后的內(nèi)排屑深孔鉆削-滾壓復(fù)合實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了深孔鉆削加工試驗(yàn)，內(nèi)容為進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)深孔鉆削切屑厚度和切屑形態(tài)影響，采用單因素變量法設(shè)計(jì)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(zhuǎn)速200 r/min，進(jìn)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(jìn)給量為0.184 4 mm/r，主軸轉(zhuǎn)速分別為200、220、270、380 r/min。

5.1 進(jìn)給量對(duì)切屑厚度和形態(tài)的影響

（1）切屑厚度影響。采用管厚規(guī)（誤差±5 μm）測量切屑厚度，圖7為200 r/min轉(zhuǎn)速下各進(jìn)給量對(duì)應(yīng)的切屑厚度。由圖7可知，同一進(jìn)給量下，中心齒切屑厚度最大。這是因?yàn)閺闹行凝X到邊齒，切削速度不斷增大，切屑與刀齒前刀面相對(duì)滑動(dòng)速度增加，金屬軟化作用明顯，切屑流動(dòng)順暢，厚度降低。

（2）切屑形態(tài)影響。在方案①給定的條件下，詳細(xì)觀測各齒切屑形態(tài)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(tài)可知，進(jìn)給量直接影響切屑形態(tài)。在方案①中進(jìn)給量范圍內(nèi)，隨進(jìn)給量增大，切屑從多圈的發(fā)條狀或者長螺卷狀，逐步過渡到近C型屑，實(shí)現(xiàn)順利排屑。

5.2 轉(zhuǎn)速對(duì)切屑形態(tài)的影響

（1）切屑厚度。在方案②確定的進(jìn)給量為184.4 μm/r條件下，由圖9在不同轉(zhuǎn)速的切屑厚度曲線圖可知：切屑厚度與轉(zhuǎn)速成負(fù)相關(guān)，切屑?jí)嚎s率也有所降低；轉(zhuǎn)速對(duì)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?yàn)閺闹行凝X到邊齒，切削速度不斷增大，切屑與刀齒前刀面的相對(duì)滑動(dòng)速度增加，產(chǎn)生熱量更多，金屬材料的軟化作用越明顯，排屑越順暢，不會(huì)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(jìn)給量相比，轉(zhuǎn)速對(duì)切屑的影響很小。

（2）切屑形態(tài)。圖10為進(jìn)給量為184.4 μm/r，轉(zhuǎn)速200和380 r/min時(shí)，切屑尚未掉落的實(shí)拍圖及局部放大圖，可直觀觀察3個(gè)刀齒切屑形態(tài)及其變化。

分析其成因?yàn)檗D(zhuǎn)速從200～380 r/min，中心齒切屑外側(cè)的切屑半徑變小，曲率半徑增大。中間齒切屑在200 r/min時(shí)，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(fā)生反向卷曲變形，當(dāng)切屑達(dá)到彎曲斷裂應(yīng)變時(shí)斷裂；當(dāng)轉(zhuǎn)速升到380 r/min時(shí)，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(fā)生正向卷曲變形，成卷曲狀，達(dá)到彎曲斷裂應(yīng)變時(shí)斷裂。邊齒切屑在轉(zhuǎn)速200 r/min時(shí)切屑形態(tài)為小扇形屑，切屑形態(tài)呈“C”形，當(dāng)轉(zhuǎn)速380 r/min時(shí)切屑形態(tài)更趨向圓柱狀，相比較而言，200 r/min時(shí)的斷屑效果更好。

6 結(jié) 語

本文研制的內(nèi)排屑深孔鉆削-滾壓復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)裝置，充分考慮了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，通過設(shè)計(jì)加工、組裝后進(jìn)行了各項(xiàng)指標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：研制的內(nèi)排屑深孔鉆削-滾壓復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)碳素鋼的深孔加工，調(diào)整工藝參數(shù)形成C形或近C形切屑，可實(shí)現(xiàn)順利鉆削，加工過程平穩(wěn)，內(nèi)孔尺寸精度及表面加工質(zhì)量良好。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)裝置可幫助學(xué)生熟悉內(nèi)排屑深孔加工工藝流程，加深了學(xué)生對(duì)進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速影響切屑形態(tài)作用機(jī)制的理解，教學(xué)效果良好。