圖1 深孔鉆削過程中的扭矩變化

1 鉆削穩(wěn)定性的影響因素

1. 鉆削過程中切削力變化的影響
   通過試驗測得，用?58.4鉆頭鉆削40CrNiMo5材料，切削扭矩變化如圖1所示，可分為五個階段。

   1. 在導(dǎo)向套引導(dǎo)下，各切削刃依次切入工件，切削扭矩迅速增大。這時，切削合力使鉆頭上導(dǎo)向塊緊貼導(dǎo)向套孔壁，起導(dǎo)向作用，見圖1中的OA段。
   2. 鉆頭所有刀齒切入工件后，切削扭矩達(dá)到最大。由于導(dǎo)向塊端部與鉆頭外刃刀尖之間的軸向位置之差，導(dǎo)向塊仍然停留在導(dǎo)向套內(nèi)，這時扭矩不會發(fā)生明顯變化，見圖1中的AB段，這段距離亦稱為導(dǎo)向塊滯后量。
   3. 導(dǎo)向塊進(jìn)入工件后，與孔壁發(fā)生摩擦、擠壓。這時扭矩會突然增大，隨著導(dǎo)向塊全部進(jìn)入，鉆頭定心作用加強(qiáng)，鉆削趨于平穩(wěn)，扭矩逐漸地減小，見圖1中的BC段。
   4. 鉆頭在已加工表面上穩(wěn)定導(dǎo)向，切削扭矩沒有明顯的波動，進(jìn)入穩(wěn)定鉆削階段，見圖1中的CD段。
   5. 工件快被鉆透時，中心處發(fā)生塑性變形，鉆頭中心齒及部分中間齒不起切削作用，只有外齒和部分中間齒在切除殘余部分，因而形成“切削帽”。此時能量瞬時釋放，切削扭矩一下降低趨于零，見圖1中的DE段。
   由此可知，鉆頭的入鉆使切削扭矩驟然產(chǎn)生，鉆頭的出鉆使切削扭矩驟然消失，其變化幅度之大，足以影響工件加工質(zhì)量和鉆頭耐用度，是鉆削穩(wěn)定性的主要影響因素。
2. 導(dǎo)向套與鉆頭間隙的影響
   為了正確引導(dǎo)鉆頭入鉆，通常采用在工件上加工出引導(dǎo)孔或采用導(dǎo)向套的方法，前者用于單件加工，后者用于批量生產(chǎn)。入鉆誤差由鉆頭與導(dǎo)向套(引導(dǎo)孔)之間的間隙造成，并隨軸向力的增大而加大。導(dǎo)向套與鉆頭間隙對入鉆誤差的影響如圖2所示。在鉆削開始時，徑向力將鉆頭導(dǎo)向塊壓向?qū)蛱卓妆冢捎趦烧咧g有間隙，鉆頭中心相對工件回轉(zhuǎn)中心發(fā)生偏移(見圖2a)，這時鉆出的孔徑小于鉆頭直徑。當(dāng)導(dǎo)向塊開始進(jìn)入已加工孔時，在直徑略小的孔壁作用下，將外刃向外擠，使鉆頭中心相對工件回轉(zhuǎn)中心向相反方向偏移(見圖2b)，使孔徑擴(kuò)大，并且與導(dǎo)向孔壁擠壓摩擦，使鉆削扭矩迅速增大，這一過程與圖1中的BC段相對應(yīng)。往往此時鉆頭突然發(fā)生抖動，鉆頭容易發(fā)生破損。隨著導(dǎo)向塊逐漸進(jìn)入，定心作用加強(qiáng)，加工孔徑也趨于穩(wěn)定(見圖2c)。這樣在工件入口處產(chǎn)生一個喇叭口，大端尺寸約等于導(dǎo)向套的內(nèi)徑，長度約等于導(dǎo)向塊長度。間隙越大，喇叭口也越大，入鉆容易鉆偏，出鉆偏斜更大，鉆削過程振動劇烈；間隙過小，容易發(fā)生夾鉆，造成刀具破損。由此可見，導(dǎo)向套與鉆頭的間隙也是鉆削穩(wěn)定性的主要影響因素之一。 #p#分頁標(biāo)題#e#
   軸向力將會加大入鉆時的誤差，影響鉆削穩(wěn)定性。根據(jù)材料力學(xué)理論，以縱橫彎曲簡支梁的力學(xué)模型對深孔鉆削入鉆過程進(jìn)行研究。在建立力學(xué)方程后，可推導(dǎo)出軸向力對鉆頭作用時鉆桿撓度轉(zhuǎn)角的放大系數(shù)X(u)，該系數(shù)越大，撓度轉(zhuǎn)角也越大，即 X(u)=3(tgu-u)/u      u=0.5L(F_x/EI)^½式中：L——鉆桿長度
   F_x——軸向力
   E——彈性模量
   I——慣性矩
   式中E、I為常量，X(u)只與鉆桿長度L和軸向力F_x有關(guān)，L，F(xiàn)_x增大，X(u)相應(yīng)增大。在入鉆時，軸向力F_x從零增加到最大，放大系數(shù)X(u)也不斷增加，鉆桿撓度轉(zhuǎn)角亦不斷地被放大，當(dāng)切削刃全部切入時，轉(zhuǎn)角達(dá)到最大。由于鉆頭與導(dǎo)向塊之間有間隙，鉆頭相對于工件端面發(fā)生傾斜，這就相當(dāng)于在斜面上鉆孔(見圖2d)，入鉆發(fā)生偏斜，鉆頭與鉆桿繞著工件回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生周期振動，容易使鉆頭破損，使工件表面產(chǎn)生螺旋溝槽，并隨著鉆孔深度的增加而加大。
   
   圖2 導(dǎo)向套與鉆頭間隙的影響
3. 鉆尖高度的影響
   鉆尖高度是指鉆頭的鉆尖點到導(dǎo)向塊前端的軸向距離，見圖3中的h。鉆尖高度越大，入鉆和出鉆的時間就越長，不穩(wěn)定鉆削時間也越長。由于位于鉆尖的中心齒切削速度較低，切削力大，擠壓摩擦嚴(yán)重，卷屑、斷屑困難，定心、導(dǎo)向較差。入鉆時“單槍匹馬”，搖搖晃晃，容易斷齒或崩刃。出鉆時不易形成“切削帽”，鉆尖首先鉆穿工件，失去孔底的反錐尖定心(見圖4)，鉆削力突然失去平衡，鉆頭晃動突然加劇，非常容易崩刃(特別是外齒)。因此鉆尖的高低直接影響鉆削穩(wěn)定性、鉆頭耐用度和鉆孔精度。
   
   1.中心齒(YG8) 2.中間平齒(YT798) 3.外齒(YT798) 4.導(dǎo)向塊(YT798) 5.中間尖齒(YT798) 6.減振塊(YT798)
   圖3 尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆
   1.定心反錐 2.定心環(huán)形凸筋
   圖4 孔底的形狀
4. 導(dǎo)向塊位置的影響
   深孔鉆利用外齒副刃和兩個導(dǎo)向塊三點定圓自行導(dǎo)向進(jìn)行切削。導(dǎo)向塊必須始終保持與已加工孔壁接觸，并有一定的壓力存在，才能保證加工過程的穩(wěn)定性。目前，常采用靜力學(xué)中“穩(wěn)定度”的概念作為合理布置導(dǎo)向塊位置的理論依據(jù)。穩(wěn)定度在這里是指以所要考察的那個導(dǎo)向塊作為支點，使非考察的那個導(dǎo)向塊壓向孔壁的力矩與使非考察的那個導(dǎo)向塊脫離孔壁的力矩的比值。這樣一個鉆頭就有兩個穩(wěn)定度，對于整個鉆頭的穩(wěn)定度，應(yīng)該把兩者中最小的作為該鉆頭的穩(wěn)定度S，S值越大，鉆削穩(wěn)定性越好，即
   S＞1時，鉆頭處于穩(wěn)定狀態(tài)；
   S=1時，鉆頭處于臨界狀態(tài)；
   S＜1時，鉆頭處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

2 提高鉆削穩(wěn)定性的途徑

1. 降低鉆尖高度
   降低鉆尖高度，可通過加大偏心量、將中心齒的內(nèi)刃磨成兩條折線刃來實現(xiàn)。其特點是：可以有效地降低鉆尖高度(見圖3中的鉆尖由h′降低到h)，縮短入鉆和出鉆的時間。入鉆時，中心齒和中間齒幾乎同時切入工件(見圖3中的Δh)，入鉆后很快就可以進(jìn)入正常切削狀態(tài)；出鉆時，切削帽減薄，各刀齒上刀削力幾乎同時消失，有效地提高了入鉆和出鉆過程的鉆削穩(wěn)定性。另外，內(nèi)折線刃還增大了中心齒的散熱體積和鉆尖強(qiáng)度。#p#分頁標(biāo)題#e#
2. 改中間齒為尖齒
   為了提高鉆削穩(wěn)定性，我們將中間齒設(shè)計為尖齒(見圖3)。切削時，中間齒在孔底形成環(huán)形凸筋，與內(nèi)折線刃在孔底形成的反錐(見圖4)同時起到定心、穩(wěn)定鉆削的作用。
3. 增加減振塊
   普通深孔鉆大都采用兩個導(dǎo)向塊，與鉆頭外齒副刃基本上在180°內(nèi)布置，穩(wěn)定度S＞1，當(dāng)切削力波動不大時，可以保證鉆削過程穩(wěn)定性。但是，由于作導(dǎo)向的已加工孔表面有圓度誤差，以及工件材質(zhì)不均，特別是入鉆和出鉆，難免在鉆削過程中引起振動，尤其是扭振，使鉆頭以某一個導(dǎo)向塊為支點轉(zhuǎn)動。這種情況，普通深孔鉆無法抑制。因此，我們在鉆頭體后端增設(shè)一減振塊，布置在外齒刀刃上方與之成90°的位置，如圖3所示。在正常切削時，切削合力指向兩導(dǎo)向塊之間，使導(dǎo)向塊緊貼已加工孔壁，起導(dǎo)向作用，而減振塊位于后端，刃磨有倒錐使與已加工孔壁有一定的間隙，不起作用；當(dāng)鉆削力失去平衡發(fā)生振動，產(chǎn)生偏離導(dǎo)向塊方向的位移時，減振塊才起作用，可以減振、消振，保護(hù)刀刃和提高加工孔的形狀精度。

3 試驗驗證

1. 試驗條件
   • 試驗設(shè)備：C630改裝深孔鉆床。
   • 試驗鉆頭：Ø58.4尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆頭和Ø58.4普通深孔鉆頭各10支。
   • 工件材料：40CrNiMo5 250HB～300HB。
   • 切削用量：主軸轉(zhuǎn)速n=230 r/min；進(jìn)給量v_f=0.03mm/r～0.15mm/r。
   • 測量儀器：SD375動態(tài)分析儀、Y6D—3 A動態(tài)電阻應(yīng)變儀、LZ3函數(shù)記錄儀、測力傳感器和位移傳感器等。
2. 試驗方法
   1. 測量兩種鉆頭切削力值，見表1。 轉(zhuǎn)速n
      r/min進(jìn)給量v_f
      mm/r新型鉆頭與普通鉆頭扭矩之比
      %新型鉆頭與普通鉆頭軸向力之比
      %2300.0385.984.32300.0883.576.72300.1578.378.6

      表1 切削力對比試驗數(shù)據(jù)

      
      
      1.普通深孔鉆 2.尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆
      圖5 鉆桿振幅對比曲線
   2. 測量瞬間軸向力變化情況。
   3. 測量兩種鉆頭在鉆削過程中鉆桿的振幅，對比曲線如圖5所示。
   4. 測量兩種鉆頭的鉆削長度。
   5. 測量兩種鉆頭的鉆孔精度。
3. 試驗結(jié)果分析
   1. 由表1可以看出，隨著進(jìn)給量的增加，兩種鉆頭的軸向力和扭矩相應(yīng)增大。尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆比普通深孔鉆軸向力平均降低20.1%，扭矩平均降低17.4%，而且隨著進(jìn)給量增加，新型鉆頭切削力增加較為緩慢。
   2. 根據(jù)函數(shù)記錄儀所記錄下的軸向力瞬間變化情況，當(dāng)進(jìn)給量突然增大時，兩種鉆頭的軸向力均呈周期性變化，但新型鉆頭的波峰值始終小于普通深孔鉆，而且波動幅度也小于普通深孔鉆，這說明尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆的鉆削穩(wěn)定性優(yōu)于普通深孔鉆。產(chǎn)生這種效果的主要原因是中間齒是尖齒和有減振塊，加強(qiáng)了定心作用。
   3. 圖5是兩種鉆頭鉆削過程中鉆桿振幅量的對比曲線。圖中A、B、C點分別為中心齒、導(dǎo)向塊、減振塊鉆入時鉆桿的振幅量。顯然，由于尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆鉆尖高度低、中間齒是尖齒，入鉆和整個鉆削過程的振動均小于普通深孔鉆，而且在C點之后，即減振塊進(jìn)入工件后，鉆頭還有一個減振穩(wěn)定過程，使鉆削扭矩迅速減弱到正常水平，而普通深孔鉆沒有這一過程。出鉆時，在D、E之間，普通深孔鉆振動加劇，振幅增大，而新型鉆頭由于各刀齒高差小，幾乎同時透鉆，且又有減振塊的保護(hù)，可以平穩(wěn)出鉆，鉆桿振幅很小。 #p#分頁標(biāo)題#e#
   4. 根據(jù)兩種鉆頭鉆削路程長度對比試驗，由于尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆鉆削穩(wěn)定性好，平均鉆削路程長度達(dá)16.16m，高于普通深孔鉆近一倍。
   5. 兩種鉆頭鉆孔精度比較，尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆鉆孔圓度誤差比普通深孔鉆小3µm左右，孔徑誤差小0.04mm，尺寸精度可達(dá)IT7級～I(xiàn)T8級。新型鉆頭鉆孔表面質(zhì)量好，加工表面光滑，無螺旋刀痕，表面粗糙度在R_a1.0～R_a3.2之間。

4 結(jié)論

1. 深孔鉆削穩(wěn)定性直接影響深孔鉆頭的耐用度和鉆孔質(zhì)量。
2. 深孔鉆削穩(wěn)定性主要受切削力變化影響，其次還取決于導(dǎo)向套與鉆頭間隙。
3. 鉆尖高度直接影響深孔鉆削入鉆和出鉆的穩(wěn)定性。
4. 按鉆削穩(wěn)定性原則設(shè)計的尖齒內(nèi)折線刃深孔鉆，可以有效地提高深孔鉆削的穩(wěn)定性。經(jīng)對比試驗證明，鉆削平穩(wěn)，鉆頭耐用度和鉆孔精度高，其設(shè)計思想可作為今后深孔鉆合理設(shè)計的參考基礎(chǔ)。