内排屑深孔钻削-滚压复合加工实验装置研制

2022-11-12 06:16贺庆强尹德聪刘建国王凤序许智彬
实验室研究与探索 2022年8期
关键词:进给量内孔钻杆

贺庆强, 尹德聪, 刘建国, 王凤序, 许智彬, 李 晨

(中国石油大学(华东)机电工程学院,山东 青岛 266580)

0 引 言

空心长轴件其孔深和直径比(长径比)远大于10,主要采用内排屑深孔钻削(BTA)和深孔珩磨两道工序来完成深孔加工[1-4],工序切换需重新定位和装夹工件,降低了加工效率。目前,在大尺寸深孔加工中,研究人员[5-6]提出了深孔刮削滚光技术(简称刮滚),将粗镗、半精镗、精镗和滚压四道工序合并,在保证内孔尺寸精度和表面质量前提下,大幅提升了加工效率,已经广泛应用于工程油缸内孔表面光整加工。

现有BTA加工技术,其内孔表面粗糙度可达Ra 3.2,已经满足内孔滚压所需表面粗糙度条件。因此,将BTA钻头和内孔滚压头进行组合设计,通过滚压促使内孔表层发生塑性变形,在降低表面粗糙度[7]的同时,细化微观组织并提高内孔表面硬度[8];另外,滚压后内孔表面承受压应力[9],利于提高工件抗疲劳性能[10-12]。

因BTA加工在封闭空间内进行,无法直接观察加工时切屑的形成过程,学生对各齿切屑形态特征没有直观认识,很难建立加工工艺参数与切屑形态之间的联系。鉴于专业深孔加工设备的高昂成本,考虑实践教学实际需要[13-15],为此,本文以小型教学用车床为基础,设计并加工了旋转授油器、钻削-滚压复合刀具、钻杆夹持器和切削液专用供给系统等关键部件,研制了内排屑深孔钻削-滚压复合加工教学实验装置,用于学生的内排屑深孔加工工艺学习。

1 内排屑深孔钻削-滚压复合加工实验装置总体构成

在CNQ6230车床基础上,设计了内排屑深孔钻削-滚压复合加工实验装置,主轴电动机功率2 kW、机床转速75~1 400 r/min(8档调速),图1为装置总体构成示意图。主要包括深孔钻削-滚压加工系统和切削液供给系统2部分,其中,钻削-滚压加工系统由钻削-滚压复合刀具、旋转式授油器和钻杆夹持器等组成;切削液供给系统由齿轮泵、压力控制系统、切削液储液箱及过滤系统等组成。

2 深孔钻削-滚压加工系统

2.1 钻削-滚压复合刀具结构

图2为钻削-滚压复合刀具结构示意图。BTA钻头通过连接件与滚压头主体前端相连接,滚压头主体后端通过配车方牙螺纹与标准钻杆相连接。滚压头套有滚柱保持器,保持器前端有内宽外窄,前宽后窄的方槽,方槽内安装滚柱,同时保持器后端与滚压头主体配车螺纹,通过旋拧螺纹来调节滚柱扩涨和收缩,达到调节不同滚压量的功能。

2.2 旋转式授油器结构

本文采用工件旋转+刀具直线进给的方式进行深孔加工。图3为旋转式授油器结构示意图,主要包括旋转部、钻套部、钻杆密封部和机床连接部。为减少实验过程中漏油的问题,设计时保证授油器头部可旋转,同时采用静止导向套,保证导向精度。导向套采用压圈固定式结构,有利于拆卸和更换导向套。

2.3 钻杆夹持器结构

钻杆夹持器是深孔钻削和滚压复合加工试验装置重要组成部分,主要功能就是夹持钻削-滚压复合刀具,实现对进给系统的稳定控制。其主要由ER40-NUT、ER40筒夹、钻杆轴套、螺钉与进给块组成,如图4所示。在进给块底部设计螺栓孔,通过螺栓联结与机床溜板箱相连。同时,为保证内孔轴线直线度,钻杆夹持器与机床联结时,必须保证其与旋转式授油器和机床主轴严格同轴,避免钻削-滚压加工时钻杆偏摆,降低加工精度。

3 切削液供给系统

切削液供给系统是深孔钻削的核心部件之一,一定压力和流量的切削液是保证顺利排出切屑的媒介,同时,还具有冷却、润滑刀具和辅助断屑的作用。为此,本文研制了专用切削液供给系统,图5为该系统原理图,表1为其对应的主要组成部件列表。

表1 切削液供给系统零部件列表

4 内排屑深孔钻削-滚压复合实验装置调试

安装过程要求:旋转授油器固定于车床导轨,通过移动授油器芯轴,使旋转授油器前端盖锥面与工件锥面紧密接触;测试切削液供给系统是否正常;整体装置油路是否通畅,是否存在漏油现象。调试过程要求:启动车床;采用高压低速低进给(油压5 MPa、转速200 r/min、进给量92.2 μm/r);对装置进行初步加工测试,加工过程顺畅。图6为内排屑深孔钻削-滚压复合工具各部件、系统全部装配完成后进行的设备调试。

5 深孔钻削加工实验及结果分析

调试后的内排屑深孔钻削-滚压复合实验装置进行了深孔钻削加工试验,内容为进给量和主轴转速对深孔钻削切屑厚度和切屑形态影响,采用单因素变量法设计深孔钻削(所用钻头ϕ30.2 mm)加工方案:①工件材料45#,切削液压力4.5 MPa,主轴转速200 r/min,进给量分别为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#,切削液压力4.5 MPa,进给量为0.184 4 mm/r,主轴转速分别为200、220、270、380 r/min。

5.1 进给量对切屑厚度和形态的影响

(1)切屑厚度影响。采用管厚规(误差±5 μm)测量切屑厚度,图7为200 r/min转速下各进给量对应的切屑厚度。由图7可知,同一进给量下,中心齿切屑厚度最大。这是因为从中心齿到边齿,切削速度不断增大,切屑与刀齿前刀面相对滑动速度增加,金属软化作用明显,切屑流动顺畅,厚度降低。

(2)切屑形态影响。在方案①给定的条件下,详细观测各齿切屑形态变化。由图8从左到右分别为中间齿、边齿和中心齿的切屑形态可知,进给量直接影响切屑形态。在方案①中进给量范围内,随进给量增大,切屑从多圈的发条状或者长螺卷状,逐步过渡到近C型屑,实现顺利排屑。

5.2 转速对切屑形态的影响

(1)切屑厚度。在方案②确定的进给量为184.4 μm/r条件下,由图9在不同转速的切屑厚度曲线图可知:切屑厚度与转速成负相关,切屑压缩率也有所降低;转速对切屑厚度的影响从大到小依次为边齿、中间齿、中心齿。这是因为从中心齿到边齿,切削速度不断增大,切屑与刀齿前刀面的相对滑动速度增加,产生热量更多,金属材料的软化作用越明显,排屑越顺畅,不会造成切屑的堆积形变,切屑厚度也是从中心齿到边齿逐渐减少。与进给量相比,转速对切屑的影响很小。

(2)切屑形态。图10为进给量为184.4 μm/r,转速200和380 r/min时,切屑尚未掉落的实拍图及局部放大图,可直观观察3个刀齿切屑形态及其变化。

分析其成因为转速从200~380 r/min,中心齿切屑外侧的切屑半径变小,曲率半径增大。中间齿切屑在200 r/min时,切屑半径较大,曲率半径较小,切屑的卷曲度变小,切屑与工件相接触,切屑发生反向卷曲变形,当切屑达到弯曲断裂应变时断裂;当转速升到380 r/min时,切屑半径较小,曲率半径较大,切屑的卷曲度变大,切屑与工件相接触,切屑发生正向卷曲变形,成卷曲状,达到弯曲断裂应变时断裂。边齿切屑在转速200 r/min时切屑形态为小扇形屑,切屑形态呈“C”形,当转速380 r/min时切屑形态更趋向圆柱状,相比较而言,200 r/min时的断屑效果更好。

6 结 语

本文研制的内排屑深孔钻削-滚压复合加工实验装置,充分考虑了实验教学的需要,通过设计加工、组装后进行了各项指标试验,试验结果表明:研制的内排屑深孔钻削-滚压复合加工实验装置实现对碳素钢的深孔加工,调整工艺参数形成C形或近C形切屑,可实现顺利钻削,加工过程平稳,内孔尺寸精度及表面加工质量良好。同时,该实验装置可帮助学生熟悉内排屑深孔加工工艺流程,加深了学生对进给量和转速影响切屑形态作用机制的理解,教学效果良好。

猜你喜欢
进给量内孔钻杆
闸板防喷器-窜动钻杆动态剪切机理研究*
复杂地层定点注浆加固工艺高压密封钻杆的研制
内孔内凹台阶厚壁短筒体成形工艺模拟分析
煤矿坑道钻机大直径钻杆上卸装置设计
弯管内孔氧化皮的去除方法
岩芯钻探复杂孔内事故处理技术
SQ37切丝机刀片进给机构故障分析及对策
切削过程切削表层应力与温度的仿真分析
钢丝刷内孔清洗装置的研制与应用
航空发动机钛合金筒体加工工艺研究