基于形成机理及材质不均匀性的深孔缺陷分析与对策

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深孑L加工存在许多 困难与加工缺 陷，如深 孔钻的断排 屑、走偏与折断钻头等 ，除此之外 ，还有孔径的扩大和缩孝不圆度误差、孔轴线偏差、刀具加速磨损等难以消除的缺陷 ，由于这些缺陷的存在 ，不能满足高精 度、高质量、高效率、低消耗的现代化机器制造业的要求。因此，针对各类深孔缺陷进行研究就很有必要。

1 内孔挤压与孔径误差形成机理分析在深孔加工理论研究中，国内外-些学者进行了大量的工作 。在借鉴前人的基础上，对内孔挤压与孔径误差形成机理进行 了长期 的深入研究 ，发现导向块”具有挤压作用，这个作用导致内孑L表面粗糙度高于钻削表面并引起孔径扩大。

1.1 深孔内表面挤压形成机理在孔加工中，采 用了导向与快速落刀”两种新技术 ，导向技术是为 了防止深孔钻偏 ，通过设置导 向装置，改善钻具的受力情况 ，以减小作用在钻具上 的力偏离钻具轴线 的程度 ，从而减 卸 向力达到减小钻具的弯曲变形 的 目的；快速落刀技 术是 为了观察到切削区域 附近表层金属 的性状。研究表明 ，孔壁上和导向块接触过的表面比只经过切削刃切削的表面硬度高得多，这说明导向块不只是对孔壁有摩擦作用 ，还具有挤压作用 ，其结果-是提高了挤压表面的硬度 ，二是降低了表现粗糙度 。其 挤压形 的机理如图 1所示 ，图中的 A为导向块 的倒棱 角， 为倒锥角。导向块的前倒棱以-定的滞后量跟在切削刃之收稿 日期 ：2012-09-14作者简介：杨顺田(1962-)，男，N J FI大竹人，oU Jtl工程职业技术学院教授，研究方向为孔加工技术与数控编程，(E-mail)d-yst###163·com。

2013年 4月 杨顺 田，等：基于形成机理及材质不均匀性的深孔缺陷分析与对策 ·41·后，对已切削的表面进行挤压加工，当钻杆以每转 s的进给量推进时，图中的阴影线部分就是挤压面积。

被挤压的材料在接触 区的前后产生弹性--塑性变形 ，后部变形 量很小 ，在前 导棱 的前面 变形量 大得多，堆起很高的壁瘤，壁瘤的大部分被切削刃的圆周刃带切除∽壁便扩大了6深度(单边)，导向块挤压后所获得的内孔表面，其表面粗糙度 Ra值可达3.2 m，明显低于钻削表面的 12.5～6.3 m。

切削刃切削面 变形区域 导向块图 1 导 向 块 的 挤 压 过 程1.2 孔径误差形成机理钻削有外排屑钻与 内排屑钻之分。外排屑钻有枪钻、深孔扁钻和深孔麻花钻等；内排屑钻有 BTA、DF深孔钻 、喷射钻等。枪钻和 BTA钻头 由于切削刃所受到的径 向力始终 指向中心 ，且由导 向块支持，因此不会对孔壁过度切 削，它加工 出来 的孔 比麻 花钻之类的双刃刀具加工的孔直径精度高得多，偏差在5～ 1 m之间，相 比之下 ，枪钻 比BTA钻孔的精度要差些 ，若采用麻花钻要想得到偏差在 50 m以下的孑L是非常困难的 。

产生误差的原因很多，如刀瘤的伸出使钻头实际直径增大 ，加工出扩大孔 ，加工时切削热引起工件膨胀 ，冷却后便成为缩凶 ，以及前面提到过 的导向块 的挤压作用所引起 的孔的扩大等 。

2 主要缺陷引起的误差分析2.1 材质不均对孔轴线误差的影响材质的不均匀往往造成零件各部 的强度 、硬度的不-致 ，在钻削过程 中，因材质 的不均匀性 ，钻头会向软的-侧偏移。采用单刃 BTA钻 头，钻削两边有硬度差的材料如 图 2a所示 。倾 斜与弯 曲过程分析如下：第-步刀刃处在软质材料 CDA-侧，在切削力 F 。的作用 下 ，刀具 向第-导块方向移 动 ，如 图2b所示。当刀具转到第二步位置时，刀 刃开始进入硬质材料 ABC-侧 ，在切削力 F 的作用下 ，刀具 向第二导 向块方向移动 ，由于切削软材料的 F 。小于切削硬材料的 ， ，造成刀具向软材料-侧偏移 ，这就使刀刃在硬 材料 -侧 少切去-些余量 ，当刀具进入第三步位置时，进-步造成孔的倾斜及扩大，转完-圈之后，刀具又回到了第-步的起点位置，继续重复这-过程。

2.2 孔壁不均导致径 向力对孔轴线误差的影响孔壁不均匀的工件十分 常见 ，如图 3a所示 ，孔的-侧壁厚 为 e，钻孔时，孔轴线偏差会随孔的深度增加而增加 ，造成孔 的轴线有 向薄壁侧弯 曲的趋向如图 3b所示 。这是因为当第二个导 向块经过薄壁侧时会产生径向力，使薄壁 发生弹性变形 e 即产生所谓的让刀”现象 ，如图 4所示 ，因此要 留出让刀余量。当切削刀刃转到薄壁侧时，该余量使切削刃挤 向薄壁侧 ，因圆周刃带给薄壁侧 的压力小 ，这是单刃和多刃结构对各种致偏因素的反应。只产生 e 的弹性变形量，差值 e：e，e 便是过度切去的部分，每转重复此过程 ，钻头便向薄壁侧倾斜 。

日嘟账哥偏移方 向l2jIj堡暴第-步 第二步 第三步b1图 2 材质 不均匀对 孔轴 线误 差的影 响孔深度 (mm)(b)图 3 孔壁不均引起的孑L深与偏 差图 4 径向力使薄壁发生弹性变形2.3 刀刃形式对孔轴线误差的影响刀刃形式对轴线偏斜的影响有两个方面 。-研究发现 ，在加工具有硬度差 的材料 和壁厚不 等的材料时，多刃刀具 比单刃刀的偏斜量要小得多，这是因为多刃刀具的切削力大部分相互抵消了，因而通· 42· 组合机床与自动化加工技术 第 4期过导向块加在孑L壁上 的力 比单刃刀具小得多了 ，在切削过程中所引起的扩孔量 (软材料 )或弹性变形量(薄壁侧)也比单刃刀具小得多，所以偏斜量也校由于加在导 向块上的力较小 ，切 削不稳定 ，孑L有扩大的趋向，这是设计多刃深孔钻头时要注意的；另- 方面是切削刃角的影响，通过不同内外刃角的枪钻进行钻孔 试验 ，结果表 明：当外 刃角 比内刃角大时，孔的轴线偏差增大。若内外刃角相等，则轴线偏差变小，但孑L的尺寸偏差大。

2.4 不同旋转方式对孔轴线误差的影响采用工件单独旋转或刀具单独旋转或工件 与钻头同时旋转 的三种方式进行实验♂果表明，延迟工件停止转动的时间，对轴线偏差的改善并没什么效果。在钻孔过程 中，钻头是沿着其轴线方 向前进的，切入阶段能否保证初钻孔的正确方向至关重要。

对于材料不均匀(如存在预钻孑L偏心、硬度不等、壁厚不均等)所引起的轴线偏差 ，则不论是钻头转动还是工件转 动，都不 能消除 ，当工件 与钻头 同时旋转时 ，并让二者的相对转速保持不变 ，则轴线 的偏差会显著减校2.5 多边孔现象对不圆度误差的影响深孔加工的不圆度误差主要表现为三角或五角形的多边孔 。如图 5所示 ，当用麻花钻、铰刀之类的多刃等分齿刀具加工孑乙时 ，往往产生 Sn Z±l的多角形孔 ，式 中 n为整数 ，z为刀齿数。枪钻 或BTA钻头 的切削刃与导向块互成 90。配置 相当于Z 4图 5 产 生 多 边 孔 的 机 理出现多角形 的原 因是 因为钻头偏心 、切削力变动等引起轴线作圆周摆动 ，孔面上便 出现凹凸面 ，当后续刀齿或导向块便沿着先行的刀刃切出的凹凸面运动并重复其轨迹 ，最终表现为多角形。

当 n：1时 ，S：6或 3多刃等分齿工具钻孔时 ，设 为钻头的 自转角速度 ， 为公转角速度 ，则 /n z，其轨迹是为具有棱数 Sn Z±1的凸棱多角形，钻头的刀齿或导向块沿此多边形运动，更加剧了轴线摆动的幅度 ，形成 自激振动。

3 深孔缺陷预防与切削条件的优化3.1 轴线偏差的预防(1)提高引钻孑L与端面的垂直精度 ；(2)轴向力与轴线尽量平行防止产生径向分力 ；(3)增强钻孔工艺系统的整体刚性；(4)提高导向装置的精度 。

3.2 多边孔的预防(1)在车床上，增加定位止口，按止口圆找正，误差控制在 0.031Tim以内；(2)在外圈磨床上 ，重磨导 向键外圆、止 口圆与顶尖孔 ，提高三者的同轴度 ；(3)在镗床上，先在长镗杆上安装导向键，然后将镗头装到长镗杆上进行推镗 。

3.3 优化导向块几何形状 ，减凶径误差如图 6所示 ，导 向块 的挤压作用所 引起 的孔 的扩大 ，其扩大量 AD为 ：， K D 1、AD t 82I -c 寺)s g(s- )( )式中：D为刀具直径，为钻杆转速，K H O.9为相关系数，C.S互为倒数 ，A为导 向块 的倒棱 角，8为倒 锥角。要使 AD最小 ，导向块的几 何形状必须优化 设计 ，即导向块的倒棱角与倒锥角趋向-致。

Ot. fa1 - 广---二 l州 。 D -图 6 导 向块 的扩孔作用3.4 依据导向块 ，优化刀具重磨时间与重磨次数- 般金属切削加工经济性 的数学模型也适用于深孔加工 ，无论是 BTA套料还是扩孑L都存在着满足最低成本或最高生产率的最佳切削参数 。深孔加工中刀具重磨的时间与次数与导向块的磨损情况息息相关 ，后刀面的磨损值决定 了刀具的重磨时间 ，导向块的磨损程度决定了刀具的重磨次数。为了获得高质量的孔 ，刀具重磨时不仅要磨刀刃 ，也要重磨导向块 ，直到它 们都重新 获得原来 的几何形状 为止。

此外，还预 留导向块的滞后量 ，在 刀具的寿命期 内保持不变 ，设刀具的可重磨次数为 n，导 向块的原长为，最小长度为 ，每次重磨的磨损长度为 ，则重磨次数 ：n( - )/ (2)对要求不高 的孔 ，将后刀面 的磨损程度作 为确定刀具重磨的时间标准，而重磨量则 由刃带上的轴向磨损量 来确定，以消除刃带上的磨损为原则。

由于必须保持滞后量不变 ，所 以导 向块上仍 留下-段原磨损区域，这时，刀具的可重磨次数 n就等于：n(L-Lmin)/IV (3)由于 .< 。，重磨次数增加了，磨损速度就减缓了，降低了成本，但导向块上的-段末被消除的原磨损区域，也会降低孔的加工质量。

2013年4月 杨顺田，等：基于形成机理及材质不均匀性的深孔缺陷分析与对策 ·43·以导向块的磨损为依据，刀具的耐用度 t 与切削速度 和进给量 F存在如下关系 ：tK， Vo F (4)式中：系数 K，0.016，指数 。-1.88，b-1.21。

根据对导向块 的磨 损研究可 以得 出，第二 导向块上的磨损程度总比第-导向块严重，其重磨量为 ：L， K F (5)式中：系数 Kr0.0253， -0.659，Y：0.2923。

重磨时间 t由装卸刀具等 固定时间 t 和磨去所需的时间组成 ，设磨去 1mm所需时间为 t 。则重磨时间为 ：t t t lL t，t l K， F (6)由此可以求出钻孔生产率 P与生产成本 c的优化数学模型 ：， (L， ) (7)，. 木啊 dCXm P (c r-c，) ( )式 中：t 为调整时间，Ⅳ为工件 批量 ， ，为辅助时间，t 为换刀时间，d为钻头直径 ，L 为孔深 ， ，为进给行程 ，C。为刀具成本 ，c，为钻头价格 ， 为大于 1的成本系数 。

利用上面的数学模型可按最大生产率或最低成本选择切削用量，达到优化切削条件的目标值。

4 应用效果4.1 深径比在 100以上的深孔加工如图 7所示 的铰直辊 ，工件 总长 6500mm，内孔655 mm，深径 比L/D5700/55：13.6≥100。

图 7 铰直辊 0的 内孔的加工根据零件特点选择数控深孔钻床，该机床钻杆箱主轴转速范围在 500-2000r/min，用 BTA深 喷射钻进行加 工。先用 中心钻引钻-段孔 以钻头导人 ，同时采用导向块导向技术可有效防止钻偏及折断钻头，并让工件与钻头 同时旋转 且二者的相对转速保持不变 ，轴 线偏 差显著 减校钻孔循 环深 度、进 给量、断排屑 时间及冷 却液 的开停 等均 由程序 控制。

为了防止导向块 的挤压造成孔径扩 大，采用 了程序补偿技术 。由于导 向块挤压作用 ，内孑L表面 比单纯钻削更加光滑，具有较高的表面质量，加工效率及精度也明显提高。

4.2 大直径特殊孔的加工如图 8所示 ，是 5000mm 中厚板 大型轧 钢机机架 ，其大直径孔为 &950mm，孔深 1960mm，选择数控龙门铣床加工。采用直角铣头与 NC600电子径向铣镗头，如图 9所示 ，其组合总长可达 2100mm，可加工2050mm以内的水平深孔 。

图 8 950mm 大直径孑L图 9 No8角 度 铣 头 电子 径 向铣 镗 头为了预防多边孔 ，先在径 向镗头的滑座上安装导向装置 ，然 后将镗 头装 到直角铣 头上进行 推镗。

因导向块的挤 压作 用会引起孔径扩大 ，设计导 向块时，其倒棱角与倒锥角相接近，以减小孑L径误差；为了观察到大孑L切削区域金属 的性状 ，采用 了快 速落刀技术 ；由于该孔的深径比(1960/950 2.06)较小 ，尽管镗孑L系统采用的是-端固定(角度铣头)，-端悬臂的梁(镗刀)，其轴线也不会出现明显弯曲，不必考虑孔轴线误差；因刀具加工 的总面积大 ，且是单刃镗削，又是连续 工作且 时间很长 ，中途不宜换刀 ，其耐用度就成 了关 注的重点 ，通过采用大功率风冷 方式 ，来提高刀具的耐用度。

采取上述各种措施后 ，950mm大直径的压下孔- 次获得成功。

5 结束语近十年来，作者在孔加工方面做了-些专业性研究，继可变切深、断屑式深孑L加工 、深孔钻断排屑机理与变切深加工数控宏程序研究 。、燃汽轮机缸体倾斜孔数控铣削加工参数化编程 轧钢机压下孔根部数控加工 程序设计 ”、等 系列研究之后，再着眼于深孔 内表面形成机理研究 ，进-步分析常见缺 陷、刀具加速磨损等产生 的原 因。经过长期的、系列的深孔研究 ，部分 掌握 了深孔加工中的某些规律 ，成功地解决 了深径 比在 100以上 的深孔与 900mm以上的大直径特殊孔 的加工 ，取得 了满意的效果。

深孔加工历来都是机械加工中的难点之-，孔加工缺陷严重影响产品质量，各种误差形成机理还有许多不明，仍在不断的探索之中。 (下转第47页)2013年 4月 赵 萍，等：滚珠丝杠 副滚珠循环系统的热机耦合分析 ·47·图 9为冲击频率 70Hz，在不 同滑动速度下接触面的等效应力分布。最大冲击力幅值 70N，摩擦系数0.25。当考虑热效应时 ，等效应力 不再呈对称分布 ，随着滑动速度 的增 加，不对称度趋 于显著 。同时可以看出 ，热效应并没有加剧接触 区表面的等效应力水平 ，相反在-定程度上 降低 了接触区表面的等效应力。由于热 效应 ，最大等效应力 点随着 滑动速度的增加逐渐 向接 触 区右侧 移 动 ，在速 度 为 5.0m/s时，最大等效应力点位于接触区边缘。

皇 赣 -- O.5m/l- 皤 -v1.5In/《§-v3.0m/m -喝 -v5 0m/lf 哺图 9 不同滑动速度下接触面等效应力分布4 结论由于冲击 滑动 接触 中摩 擦副 问 的瞬态 相互作用 ，对材料产生强烈 的热冲击 ，当滑动速度较大 时，热冲击变得非常剧烈 。每个 冲击周次后接触区会存在较大的残余温度∠高的冲击频率更容易导致接触区摩擦生热的积聚。由于摩擦产生的热应力与机械应 力叠加 ，在接触 区左侧会降低接触区表面 方向的拉应力 ，在接触区右侧将增加 方 向的压应力 。

切向摩擦力对接触表面 方向的正应力分布有较大的影响。热影 响区很 薄，仅在表层至表层下方 发生较大作用。热效应并没有增加接触区表面及沿深度方向分布的等效应力 ，但增加 了沿深度方 向分布 的等效应力梯度。热-机耦合作用下，最大等效应力 比纯机械作用下的最大等效应力更接近接触表层。