内排屑深孔钻削-滚压复合加工实验装置研制

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。