高强度钢多角度大长径比细小孔系钻削精度控制分析

赵志勇 李爱平 张宝荣 胡守琦 刘莉敏

摘要：高压供油泵体自身的各种油道交叉孔及各孔系自身都有着高精度的尺寸要求和位置要求，因此加工流程较复杂，在深孔钻削中，枪钻是比较常见的一种孔加工方法，深孔枪钻加工过程中，被加工孔直径小、孔深长、切削形貌是影响其加工质量的一个重要因素，并且切削的成形机理分析与实际加工工艺参数之间的配合关系也一直是深孔加工的难点。随着科技的发展，通过各类仿真软件，分析不同的切削速度、进给速度等不同的工艺参数来模拟实际状态，本研究方向是通过优化工艺参数实现高压供油泵40倍径下？准4孔系的实际加工，并且分析枪钻的钻削影响分析。

Abstract： The cross holes， intersecting holes and hole series of the high-pressure oil supply pump body have strict shape and position requirements， so the processing technology is relatively complex. In deep hole drilling， gun drill is a common hole processing method. In the process of deep hole gun drilling， the small diameter， long hole depth and cutting morphology of the processed hole are important factors affecting the processing quality， And the matching relationship between the analysis of cutting forming mechanism and the actual processing parameters has always been the difficulty of deep hole machining. With the development of science and technology， through various kinds of simulation software， different cutting speed， feed speed and other different process parameters are analyzed to simulate the actual state. The research direction is to realize the actual processing of ？准4 hole system under 40 times diameter of high-pressure oil supply pump by optimizing the process parameters， and analyze the impact of gun drill drilling.

关键词：大长径比钻削;高压供油泵;细小孔

Key words： large aspect ratio drilling;high pressure oil supply pump;small hole

中图分类号：TU753.3                                    文献标识码：A                                文章編号：1674-957X（2020）23-0130-03

0  引言

由于目前的企业生产需求，高压供油泵的压力值要求一直持续上升，行业中小直径、大长径比的深孔需求越来越多，而且对孔的尺寸精度及表面质量要求也越来越高，为了满足市场需求，优化生产流程和发展科技就变得非常重要，枪钻加工技术是一种一次钻削就能获得可观的表面粗糙度和尺寸精度的刀具，利用枪钻加工具有加工效率高、加工质量高、几何精度高、刀具耐用高以及适用范围广等优点[1]。

1  大长径比细小孔加工的难点

深孔加工工艺是一种刀具在半封闭加工或者全封闭加工工作状态下进行加工的一种经常发生的现象，机床操作人员不能直观的观察到刀具的切削动态，而在加工过程中，切屑产生在深孔中，由于普通钻头的结构缺陷，极其容易出现堵屑现象发生，同时，深孔加工选用的钻头，在加工过程中，钻头很容易出现振动、偏斜，导致零件精度无法满足技术指标，另外，钻头在深孔加工状态下，由于钻刃与工件之间摩擦产生的热量无法散出，而冷却液也无法及时的起到冷却作用，钻头温度逐渐升高，受热效应影响，钻头磨损加剧，极其容易出现卡死、折断等现象。通常的深孔加工难点有：

1.1 切削过程散热难

普通的钻削加工过程中85%的切削热都是切屑通过冷却液带出零件加工区域，但在封闭或者半封闭的深孔加工过程中，润滑、冷却都很难起到其作用，导致热量扩散缓慢，零件及加工刀具成了主要的散热对象，热量积聚效应非常明显，导致刀具刃口温度可达620℃，极大地影响了刀具的使用寿命。同时，已加工完毕的零件孔系也会发生热胀冷缩的现象，严重的情况最终影响孔加工精度。

1.2 刀具刚性差

由于细小孔的大长径比加工，枪钻钻杆必然是细长结构，导致刚性严重不足。加工过程中，容易产生振动、扭曲、卡死、折断等问题发生。同时，由于上面所述的影响所导致，尺寸精度、位置精度及表面粗糙度都难以保证。

1.3 排屑难

切削行程长，排屑空间狭窄，切屑排出困难，容易与孔壁摩擦，孔加工表面出现螺旋沟。也易发生切屑阻塞，刀具容易磨损、崩刃，报废零件。

2  枪钻的加工机理分析

机械加工中，零件深孔加工是比较常见的一种加工需求，枪钻加工方法主要针对为直径？准2～？准25mm的深孔系加工，直径与孔系之比可超过110，加工出孔的精度可达到IT7～IT9，被加工表面粗糙度为Ra0.6～3.2μm，被加工孔的直线度高，专业的枪钻系统由：加工设备、枪钻、导套、高压冷却等系统组成。枪钻夹持部位被加工设备旋转主轴夹持，钻头通过引导孔或者导套进入工作表面，进入后，切削刃的独特结构起到自动导向的作用，保证了零件的直线精度指标，在切削过程中，高压冷却液经高压通过枪钻的内喷通道进入到钻头的切削部位，将切屑从排屑槽带出工作表面，同时对钻刃进行冷却从而获得良好的加工表面和加工质量。枪钻具有几大特点：

①排屑顺畅。枪钻在加工深孔过程中，高压冷却液通过高压内喷通道可以在加工孔内良好地分屑、卷屑及断屑，同时将切屑通过排屑槽强行排出。

②润滑充分。在切屑时，由于加工时间周期长，钻头的切削刃温度会逐渐的升高，如果不及时冷却会加剧刀具磨损，使零件精度降低、缩短刀具使用寿命，而枪钻自身结构有冷却通道，冷却液通过冷却通道能够及时地带走高速切削时产生的热量，并且还能起到一定的润滑作用。

③加工效率高。因枪钻的加工优势突出，切削速度与进给速度都比普通钻削加工速度要快，切屑也能够及时的排出孔内，不存在加工过程中暂停机床清理切屑现象，所以加工效率会提高很多。

④孔径尺寸稳定（钻孔和铰孔一次完成），孔径变化范围较小。

3  试验方案

3.1 试验材料

测试材料是42CrMo，一种超高轻度钢材，具有高强度和韧性，抗冲击能力强，由于其具有的优点常被用作于发动机的转子、主轴、传动轴等工作负荷较大的零件原材料。

3.2 试验设计

3.2.1 枪钻结构的选择

枪钻组成部分由：切削部分、刀杆和刀柄组成，切削部分普遍采用硬质合金材质制造。钻刃面上有一个或者两个高压冷却液孔，枪钻外表面有一个V型排屑槽，刀杆一般加工方法是利用无缝钢管轧出V型排屑槽，刀柄是与主轴连接的部位，切削部位与刀杆、刀杆与刀柄通常采用焊接结构，高压冷却液从刀柄尾部的孔内经高压冷却孔进入切削加工部位把切屑经切削部位和钻杆上的V型槽冲刷出来。

3.2.2 切削刃头设计

枪钻切削刃的设计与自身几何参数的选择，会直接影响到零件的最终加工质量，枪钻通常是由两个切削刃组成，两个切削刃的相交点称为钻尖，两个切削刃分别称为内刃和外刃，分别具有内角和外角。内、外刃的前角γ0一般取为0°，这种平面型前角，方便制造，可简化刃磨，重复多次修刃。内刃后角α01和外刃后角α02一般为13～23°Fre与Fri，钻尖后角α03一般也为13～23°。它能防止切屑堆积，使切削液流畅，钻尖锋利。后角选取不能太大也不能太小。太大，切削刃强度降低，刀具耐用度下降;太小，后刀面摩擦严重，切削温度升高[2]。

3.3 试验分析

3.3.1 切削力分析

枪钻是利用导向块进行深孔钻削的一种刀具，所承受的作用力分别包括：作用在与零件接触的切削部位的切削力，导向块上的正面压力、摩擦力及冷却液作用在切削刃上的压力，受三种力综合作用影响。冷却液压力和切削力轴向力只影响刀杆弯曲变形，由于机床本身进给系统可控和刀杆刚度的控制，对孔的加工质量可以忽略不计。通过对钻削力的计算得出：钻削抗拉强度Ob=700～1000Mpa的钢料枪钻试验表明：轴向力均约为切削力一半，即Fa=0.5F1，而Fa=Fro。当切削速度V=2m/s时，D=4mm，f=0.055 mm/r，测定Ft=1180N：D=20 mm，f=0.07 mm/r，Ft=2850N。

3.3.2 机床主轴旋转中心与导向套同轴度分析

在枪钻加工过程中，导向套起到的作用舉足轻重，自身的中心与主轴旋转中心同轴度精度要求非常高，因为它的导向精度制约着工件的加工精度，导向套设计的不合理直接会造成主油道孔内偏移。根据试验要求测量在150mm时同轴度不得>0.01mm。另外受枪钻本身特殊的结构影响，刀具细并且刚性较差，在高速旋转中，需要保证刀具刚接触零件工作表面时具有良好的导向，如果主轴旋转中心与导套中心同轴度差，会导致刀具定心不稳定，加工出的孔系位置精度出现偏移，严重的话，刀头与导向套摩擦力加大，摩擦扭矩Mf快速升高，发生刀具卡死或者折断现象发生。

3.3.3 钻削深度对孔系直线度的影响分析

枪钻在切削刃刚接触到待加工表面时，钻头与导向套直接接触，导向套为其起到支撑的作用，保证零件的被加工孔精度，枪钻的与孔的中心轴线偏移量可以忽略不计，但是随着钻削深度的不断增加，枪钻呈离心作用力也会逐渐增加，当钻削深度达400mm以后，孔轴线偏移开加剧，偏移量不断增大，但仍然可预测和控制，当钻削深度超过1000mm时，孔轴线偏移急剧增加，偏移量变得很难进行预测和控制[4]。

3.3.4 枪钻自身重量对深孔加工的影响分析

深孔加工中，加工刀杆细长，刚性差是枪钻显著的缺点，刀杆在自重的影响下容易产生横向弯曲，使零件孔中心线产生偏移，这将使被加工孔直线度不可避免地受到影响，另外随着加工深度的逐步增加，孔轴线偏移会加剧，因此枪钻自身的重量对深孔加工轴线的偏移是有影响的。

3.3.5 加工切削参数优化

在深孔加工过程中，为了达到零件的被加工表面质量要求及零件的效率要求，最重要的是合理地选择切削参数，需要综合考虑零件的材料性能、加工孔径、孔的深度、切削速度、切削进给速度等因素影响。通常来说，深孔加工的进给量控制在0.01～0.1mm/r，切削速度控制在4000～10000r/min，在此基础上根据实际加工逐步地优化工艺参数[3]。枪钻的切削速度主要根据刀具的材料及刀具直径的选择来决定加工参数，进给速度的合理选择会直接影响着供油泵孔系的加工表面粗糙度、直线度及刀具的使用寿命，下面通过对进给速度及切削速度方面分析枪钻加工参数对孔系的影响：

①进给速度对深孔加工的影响：在枪钻加工过程中，进给速度参数的选择要从刀具材质、机床精度、工件刚度、强度这几方面进行研究，本次加工试验选择切削速度为6000r/min，分别以50mm/min、55mm/min、60mm/min、65mm/min、70mm/min的进给速度进行加工试验，实验数据如表1所示。

由表1可以看出，随着进给速度的增大各精度指标也随着增大，另外随着随着进给速度逐渐的增大，刀具的受力也会增大，机床的功率也随着增大，最终导致刀具振幅增大，致使零件精度降低。

②切削速度对深孔加工的影响：不同的切削速度直接影响被加工零件孔的表面质量。在其它参数确定的条件下，低速切削会导致孔内表面粗糙度低，达不到技术要求;中速切削会产生一定的积屑瘤;高速切削加工后的孔表面质量高，但是高速切削意味着机床的主轴负荷变大，导致机床的稳定性降低，因此在加工过程切削速度不是越高越好，必须选择合适的切削速度范围值，才能保证零件的质量，本次试验选用的进给速度为60mm/min，分别在4500r/min、5000r/min、5500r/min、6000r/min、6500r/min、7000r/min的切削速度情況下对孔的质量分析试验，数据如表2所示。

由表2可以看出，各项精度指标显示：当转速小时，各项精度指标变差，随着切削速度上升到一定范围值内，精度会提高，然而如果转速继续增大时，精度指标会变的越来越差。

4  试验结果

①本次经过对优化枪钻的切削参数后进行实际加工试验，通过改变切削速度、进给速度对孔径加工中的直线度、圆度及孔径偏差的变化趋势进行了验证。②随着进给速度的增加，进给速度在50mm/min时，孔径的直线度、圆度、孔径偏差均在本次试验技术要求范围内。③随着切削速度的增加，各项精度指标由差变优在变差的加工过程，切削速度在6000～6500r/min范围内精度误差较小，刀具振动幅度相比其它范围较小。

5  结论

针对目前枪钻深孔加工工艺参数的设置无理论依据，本次试验结合实际加工，得到了高强度弹簧钢优越的机械性能。该次试验基本满足高压供油泵体燃油输出孔孔表面粗糙度Ra≤0.8μm，高压供油泵体大长径比？准4深孔直线度0.05/300mm的技术要求。从供油泵加工精度和表面质量的分析入手对枪钻的工艺参数进行了设计与研究，主要的研究结论包括：①从质量方面分析找出高压油道孔质量因素，其中表面粗糙度低是由于枪钻外角偏小，枪钻的刚性差，切削速度、切削进给等参数选择不合理，对枪钻加工过程进行了受力分析，分析结果说明：枪钻的内角、外角及切削刃偏移量这三个因素决定着零件孔系的直线度和表面质量，外角如果小的话会导致孔的表面粗糙度差，内角小的话会导致直线度差。②通过对导向套与主轴回转中心同轴度的分析，主轴回转中心与导向套中心应在一条直线，应避免导向套加工误差与调试误差，刀具与导向应配磨到合理的间隙范围，保证主轴、导向套、枪钻工作时的最理想同轴度。③枪钻加工属于一种综合性技术，在设计工艺规范时，必须充分考虑深孔加工的缺点，如：刀具细长且刚性不足，加工时孔越深越容易偏移和振幅，切削速度越高刀具的使用寿命会越低。

参考文献：

[1]王世清.孔加工技术[M]，北京：石油工业出版社，1993.

[2]刘婷婷.柴油机主油道孔枪钻工艺的研究[D].2019，17.

[3]毛明清.机械加工的深孔加工技术[M].设备管理月维修，2019，10：110.

[4]曹利平，吴善明，王红新，等.枪钻加工船用柴油机深孔时孔轴线偏移的机理与工艺[J].2016，54（624）：49-50.