（机械制造及其自动化专业论文）中等孔径亚干式深孔钻削技术研究.pdf

中文摘要 论文题瞬： 专业： 硕士生： 指导教师： 中等孔径亚干式深孔钻肖0 技术研究 麓械制造及其自动化 宋万成( 签名) 彭海( 签名)一 摘要 本课题研究的目的，是为了研究中等孔径亚干式深孔钻削技术，降低深孔加工中因 使髑润滑油带来的环境污染和产生的成本压力；研究亚干式深孔钻削机理，为亚干式深 孔钻削技术的工业应用作一定的理论的探索。 本课题根据气体动力学理论，推导了空气压缩机的实际空气流量；应用喷射器理论， 设计了合适的喷雾装置，用该喷雾装置顺利地抽吸并雾化了切削液。 在传统的b t a 内摊屑深孔钴海l 系统基础上，增加喷雾装置，建立了亚于式深孔钻测 系统。 本课题分别在湿式、亚干式两种条件下进行由3 0 、巾3 7 m m 孔径的深孔钻削试验， 得出结论：亚干式深孔钻削能提高切屑断属范围；风压增加，有利于断褐和排属； 孔径增加，切券热增加，风速降低，不利于断属和排屑。 研究了亚于式深孔钻削机理，认为： a ) 亚干式深孔钻削因为切削液气化及高速空气的动能作用，使微量切削液能很好地渗 入磨擦面中，发挥较好的润滑效果。 b ) 亚干式深孔钻削时切削液泡状气化能带走大量切肖l 热，另一方蘧大量空气楔带切削 液对切削区的强化换热效应，使冷却效果更好； c ) 亚干式深孔钻潮由于强化换热、切屑脆性化趋势、切屑单面受压使切屑较湿式钻削 加工更易于断瘸。毒于易断震、空气流速大、排属空间大使亚于式深孔钻削的摊震 能力较好。 关键词；亚干式切削深孔加王深孔钻削雾化 论文类型：应用技术研究 l l s u b j e c t ：n e a rd r yd r i l l i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c ho nd e e ph o l e m a c h i n i n gw h o s e d i a m e t e ri sm i d d l eo rb i g s p e c i a l i t y ：m a c h i n em a n u f a c t u r e a n da u t o m a t i o n n a m e ： s o n gw a n c h e n g ( s i g n a t u r e i n s t r u c t o r ：p e n gh a l ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c i t h er e s e a r c hg o a lo ft h i st o p i ci st os t u d ym e d i u ma p e r t u r en e a rd r yt y p ed e e ph o l e d r i l l i n gt e c h n o l o g y , r or e d u c e st h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n d t h ec o s tp r e s s u r ew h i c hi s p r o d u c e dt h r o u g hu s i n gl u b r i c a t i n go i li nt h ed e e ph o l ep r o c e s s i n g ，a n ds t u d yn e a rd r yt y p e d e e ph o l ed r i l l i n gm e c h a n i s m ，a n dm a k e c e r t a i nt h e o r ye x p l o r a t i o nf o rn e a rd r yt y p ed e e p h o l ed r i l l i n gt e c h n o l o g y si n d u s t r i a la p p l i c a t i o n 。 t h i st o p i cb a s i sa e r o d y n a m i c st h e o r y , h a si n f e r r e da i rc o m p r e s s o r sa c t u a la i rf l o w ；u s i n g t h ee j e c t o rt h e o r y , h a sd e s i g n e dt h ea p p r o p r i a t ea t o m i z i n gd e v i c e ，p u m p e da n da t o m i z e dt h e c u t t i n gc o m p o u n ds m o o t h l yw i t ht h i sa t o m i z i n g d e v i c e i nt r a d i t i o n a lb t ae s c a p eo fc h i p sd e e pd r i l l i n gp r o c e s ss y s t e mf o u n d a t i o n ，i n c r e a s e st h e a t o m i z i n gd e v i c e ，h a se s t a b l i s h e dn e a rd r yt y p ed e e p d e e ph o l ed r i l l i n gs y s t e m u n d e rt h ew e ta n dt h en e a rd r yc u t t i n gc o n d i t i o n s ，t h ep a p e rd r i l l e d ( p 3 0 ，q ) 3 7 m md e e p h o l es e p a r a t e l y , a n dd r a w st h ec o n c l u s i o n ：o n e a rd r yt y p ed e e ph o l ed r i l l i n gc a ne n h a n c e t h es c r a pc h i pb r e a k i n gs c o p e ；m a tt h ew i n dp r e s s u r ei n c r e a s e si sa d v a n t a g e o u st ot h ec h i p b r e a k i n ga n dt h ee s c a p eo fc h i p s ；t h ea p e r t u r ei n c r e a s e s ，c u t sh e a ti n c r e a s e s ，t h ew i n d s p e e dr e d u c e s w h i c hd o e sn o tf a v o r t h ec h i pb r e a k i n ga n dt h ee s c a p eo fc h i p s t h i sp a p e rh a ss t u d i e dn e a rd r yt y p ed e e ph o l ed r i l l i n gm e c h a n i s m ，a n dt h o u g h t ： 曲b e c a u s eo fg a s i f i c a t i o no ft h ec u t t i n gc o m p o u n da n dt h eh i g hs p e e da i r sk i n e t i ce n e r g y f u n c t i o n ，n e a rd r yt y p ed e e ph o l ed r i l l i n gs y s t e mc a nm a k et h em i c r oc u t t i n gc o m p o u n d t o p e r m e a t ei nt h er u b b i n gs u r f a c ew e l l ，d i s p l a yl u b r i c a t i o ne f f e c t ，a n dr e d u c et h ef r i c t i o n a l f o r c e t h i sp o i n tc a nb eo b t a i n e df r o mt h a tt h ec h i pc a n b eb r o k e ne a s i l yi nt h en e a rd r y t y p ed e e ph o l ed r i l l i n gp r o c e s s i n g ； b ) w h e nd o i n gn e a rd r yt y p ed e e ph o l ed r i l l i n g ，t h ev a c u o l es h a p eg a s i f i c a t i o nc a nc a r r y o f f t h em a s s i v ec u t t i n gh e a t ，o nt h eo t h e rh a n dt h em a s s i v ea i rw i t hc u t t i n gc o m p o u n d c 1 s t r e n g t h e nt h eh e a tt r a n s f e r e f f e c tt o p e r f o r m a n c e t ob eb e t t e r ； t h e c u t t i n ga r e a , w h i c h c a u s e st h ec o o l i n g b e c a u s eo ft h es t r e n g t h e n e dh e a tt r a n s f e r , t h es c r a pb r i t t l e n e s st e n d e n c 5t h es c r a p o n e s i d e db e a r i n g ，t h ec h i pc a l lb eb r o k e ne a s i l i e ri nt h en e a rd r yt y p ed e e ph o l ed r i l l i n g p r o c e s s i n gt h a nt h ew e td e e ph o l ep r o c e s s i n g b e c a u s eo f t h ee a s yc h i pb r e a k i n g ，t h ea i r l i 英文摘要 s p e e do ff l o wt ob eb i g g e r , t h es p a c eo fe s c a p ec h i p st ob eb i g g e r , t h ea b i l i t yo fe s c a p e c h i p si nt h en e a rd r yt y p ed e e ph o l ed r i l l i n gp r o c e s s i n gi sg o o d k e y w o r d s ：t h en e a r - d r y m a c h i n i n gt h e - d e e p - h o l e sm a c h i n i n g t h e d e e ph o l ed r i l l i n g p r o c e s s i n g a t o m i z a t i o n t h e s i s ：a p p l i e dt e c h n o l o g yr e s e a r c h 主要符号表 主要符号表 p 1 ：截面1 处流体压力，p a ； p 2 ：截面2 处流体压力，p a ； p ：流体密度，k g m 3 ； h 1 、1 1 2 ：流体在流动时的不同高度，m ； 、a 2 ：截面1 、截面2 的动能修正系数； y 1 、y 2 ：截面1 、截面2 的不同速度，m s ； 6 p ：液体流动时的压力损失，p a ； ip 一在喷射器前工作流体的焓( 千焦耳公斤，大卡公斤) i h 在喷射器前引射流体的焓( 千焦耳公斤，大卡公斤) ic - - 在喷射器之后混合流体的焓( 千焦耳公斤，大卡公斤) u = g h g p - - 喷射系数，即引射流体的质量流量与工作流体的质量流量之比 g p 一工作流体的质量流量，公斤秒 g h 一引射流体的质量流量，公斤秒 g c 一混合流体的质量流量，公斤秒 a p 每米管长的气体压力损失，p a ； q m 质量流量，i c g s ，； d 管径，m ； 九沿程阻力系数 p 空气密度，k g m 3 ； v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：望趣 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名：垒王亟 导师签名： 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 中等孔径亚干式深孔钻削技术研究的意义 金属切削加工是通过刀具和工件的相对运动来完成材料的移除。切削时会产生大量 的切削热，使刀具、工件甚至机床的温度升高。为了减少刀具磨损、降低加工部位的温 升，通常使用大量的切削液。切削液在加工中的作用主要有：润滑作用、冷却作用、清 洗和排屑作用，有时还起减振的作用。但是，使用切削液作为冷却润滑剂会造成很多问 题。首先是环境问题：在加工过程中产生大量油雾、飞溅的油沫以及泄漏的切削液，它 是车间4 房的主要污染源，对工人身体健康也有一定程度的危害；使用后的切削液往往 随废水排入江河，污染环境；粘附在切屑上的油污很难清除，在切屑回收过程中，使用 燃烧或化学处理方法清除油污，不仅增加了回收成本，而且再次污染环境。全球每年消 耗的切削液的总量大约在7 0 0 0 0 0 8 5 0 0 0 0 t a ，对环境是一个巨大的负担【l 】。为了提高切 削液性能，往往都添加含有s ( 硫) 、p ( 磷) 、c l ( 氯) 等化学元素的极压添加剂，这些 物质污染环境并对人体有害。使用过的废切削液中，还有的含有大量的矿物油及乳化剂。 乳化剂易被植物吸收，不少乳化剂有增加致癌物的作用。在我国，多年来工厂的废切削 液是不经过任何处理而直接向下水道排放的，严重地污染了水资源和环境； 其次是成本问题：据德国v d m a 和日本精密工程协会的研究表明，在切削加工中， 刀具使用费约占总成本的2 4 ，而与切削液有关的费用则高达生产加工总费用的1 5 1 7 ( 包括油料采购费、油料管理费、废油料处理费、油料循环设施耗电费、油雾处理费 等) 【l 】。 干式切削加工技术是一种不用或少用切削液进行加工的生产技术，是绿色制造实施 的具体体现，作为一种“绿色加工”技术，将成为未来切削加工的发展趋势。它的推广应 用，可以降低环境污染，一定程度上缓和因使用润滑油作切削液引起的成本压力。因此， 应该积极推广干式切削加工技术( 亚干式切削加工技术是干式切削加工技术的一种) 。 干式切削分为完全干式切削和半干式切削( 又称亚干式切削) 两种，完全干式切肖u 就是在加工中不使用任何切削液的工艺方法，在生产中要通过对机床的性能、刀具结构、 工件材料和工艺参数进行合理的配置、优化来实现。但完全干式切削由于对机床、刀具、 工艺参数有较高的要求，技术要求高，投资大，实现起来难度较大。亚干式切削则是介 于干式切削与传统湿式切削之间的一种切削形式，它是将干式切削与湿式切削的优点结 合，在满足加工要求基础上，使与切削液相关的费用降至最低，污染降至最少，并取得 或接近取得湿式切削的效果。在实际使用时，将少量或微量切削液通过特定设备输送到 工件的加工区域，使刀一屑接触区、刀一工件接触区得到充分冷却和润滑，完成生产加工。 亚干式切削技术与干式切削相比，其微量切削液可大大减少刀具与切屑、刀具与已加工 表面间的摩擦，起到降低切削温度、减少刀具磨损和提高工件表面质量的作用，减少对 环境的污染。由于切削液少，相对清洁干净的切屑更容易回收利用，而系统对刀具和设备 的要求相对完全干式加工要低很多，同时就减少了与此相关的大量生产成本，提高了企业 鼯安石油大学硕士学位论文 的市场竞争力。因此，亚干式切海l 技术在实际生产中使用的较多，董鐾也一般焉在普通车 削和铣削中。这种加工方法既相对保证了生产效率，又减轻了环境污染，是种较为理想 的干式切削方式。 深孔铺削中也主要采用切削液湿式润滑方法，该方法满足了我国不断增长的对深孔 加工的需求，促进了国防、航空、航天、石油等部门的新装备研制的进一步发展，但同 时也应该蓊到，它也同样存在着前述的由于大量使用切削液所存在的弊端。深孔加工幽 于产生的热量及切屑不易排出，一般切屑过程中8 0 的切肖0 热被切削带走，而深孔钻肖8 只有4 0 ，刀具接受的热量占切削热的比例较大，扩数迟、易过热，刃1 3 的切削温度可 达6 0 0 ( 2 ，必须采取强制有效的冷却方式【1 2 。它无法象其他干式加工那样通过提高主轴 转速进行高速干切肖，由于孔深，切屑经过的路线长，排屑空间也不大，单位时间产生 过多的切屑易导致堵属。加上深孔链头上的导彘块与工件接触处也需要润滑，否赡会很 快使导向块磨损引起振动，无法顺利加工。所以深孔加工较难进行于式加工，面采用亚 干式切削中的微量润滑油技术不失为一个好办法。它是将压缩空气与少量的切削液混合 汽化君，再喷射到工件的加工部位，傻刀其及切屑接触区得到冷却和满滑，并辅助排盾。 亚于式切慈8 技术所使耀的微量切海液一般为0 0 3 - - 0 。2 l h ，约为湿切肖i 的六万分之一【l j 。 西安石油大学深孔加工技术研究所在深孔加工方面有定的科研实力，对外加工业 务里中等孔径的深孔加工量较大，一般都采用湿式深孔加工方式，润滑油消耗量大，存 在着环境污染和成本压力。因此，中等孔径亚干式深我钴削技术研究有着重要的意义： 一方面，为了减少深孔钻削加工中的环境污染，降低使用润滑油带来的成本压力；另一 方面，可以逐步完善距干式深孔钻削机理，寻求解决中等孔径在亚干式深孔钻削中可能 出现的薅题，为全面推动该技术的在深孔加工方面的工监度用佟更迸一步的探索。 l 。2 亚于式加工技术的发展现状 贬干式切削加工技术是干式切削加工技术的一种。干式切肖r j ( d r yc u t t i n g ) 技术就是不 使用切削液进行切削加工的一种技术。它是从9 0 年代中鞴以来迅速发展起来的。干切削 技术起源于欧洲，基前在西欧各国也最为盛行。 至u 2 0 0 3 年，德国制造业已有2 0 以上采用干切削技术【l 】。在千切削研究和应用方面，目 前德国处于领先地位。 嚣本也已开发成功不使震切凑l 液的干式加工中心，利篇液氮进行冷却。 美国公司开发了“红月牙”铸铁干切削技术，利用高速切削下热量使刀具前端产生 红热状态，工件热至t j 3 7 0 度屈服强度下降，切削阻力降低，大大提高了生产效率。 我国也菲常重税干切削加工技术的研究工彳譬，已有多个项西得到各种方式的姿助。 如合肥工业大学、哈尔滨工业大学等单位在干切巍4 的刃具材料、刀具设计、刀具涂层、 所使用的机床及加工方式等方面进行了较为系统的研究，积累了一定的研究经验。我国 成都工具研究所、山东工业大学和清华大学等单位对用于干式切削的超硬刀具材料及刀 具涂层技术进行过系统的研究，陶瓷刀具在我国墨翦忍形成了一定的生产熊力，这些都 2 第一章绪论 为干切削技术的研究与应用打下了初步的技术基础。北京机床研究所最近开发成功了能 实现高速干切削的k t 系y i j d n 工中心。 干切削加工技术按冷却措施分类如下： a ) 完全干切削：指不加任何辅助冷却介质，依机床、刀具、工件材料和工艺参数之 间的合理选择、优化，而进行的切削。这类干切削对机床的刚度、刀具材料的硬度、耐 磨性、工艺系统热稳定性、工艺参数要求严格； b ) 风冷干切削：风冷却系统一般由压缩空气源、空气除湿器、空气冷却器、绝热管、 微量润滑油、风嘴、吸尘管和集尘器等组成。其将风制冷的方法有低沸点液体汽化间接 制冷、制冷剂压缩机循环间接制冷、空气绝热膨胀直接制冷、涡流管直接制冷；这里的 微量润滑油主要起防锈作用； c ) 液氮冷却干切削：采用液氮使切削区处于低温冷却状态进行切削加工，一是采用 液氮的自身瓶装压力喷射到切削区进行冷却，二是采用液氮受热蒸发循环，间接使刀具 冷却。 d ) 硬态切削：指利用高性能刀具对淬硬工件( 5 5 - 6 5 h r c ) 的切削加工。主要用在 车削加工中。 e ) 高速干切削：利用高速切削时，切削温度不升反降的现象，大幅度提高生产效率。 纯粹的干切削有时很难进行。它对机床结构、刀具材料、工艺条件都有相对严格的 要求，因而使得完全干式切削实施变得很困难，应用范围受到限制。此时可采用亚干切 削技术。亚干切削使用极少量润滑油，介于干切削与湿切削之间，同时具备干切削和湿 切削的优点，既可以满足加工要求，又可以将切削液相关费用降至很低，减少环境污染。 总的来说，干式和亚干式切削还主要的应用在一般的切削加工中，如车削和铣削，也有 亚干式雾化应用于电火花加工的研究报道。其他亚干切削加工方法有：用水蒸气作冷 却润滑剂的切削加工；射流注液切削；喷雾冷却技术。 据资料检索： 哈尔滨工业大学韩荣第1 2 j 曾在普通车床外圆切削时用水蒸气作润滑剂进行了切削试 验研究，得出结论是切削力比干切削减少1 0 ，比乳化液减少6 ，主要原因在于切削液 的冷却润滑效果不能归结于单纯的对流热迁移，还在于其润滑效应毛细管动力学。根据 “微滴爆炸”模型认为，切削液渗入到毛细管内是分两个阶段的，先是液相渗入，微滴爆 炸蒸发成蒸气；再是蒸气充填毛细管渗入切削区。而水蒸气作冷却润滑剂由于已经是蒸 汽所以只需第二阶段，即蒸气直接充填毛细管实现直接渗入切削区阶段，当然效果要好 于单纯使用乳化液和干切削。 山东临沂技术学院的王金泉提出了一种低温干切削技术的思路【3 】，即把工件在极冷 的温度下冷却一段时间，然后取出，使工件材料在低温状态下进行干切削加工，冰冷的 切屑带走大部分的切削热，切削始终处于低温状态，有效地保持刀具的锋利。 重庆大学的杨颖【4 】通过车削时对比完全干式切削及3 0 低温冷风吹射切削点的研 两安石油大学硕士学位论文 究数据，指出低温冷风在0 2 m p a - - 一0 4 m p a 范围内能扩大被加工材料的断屑区域，随进 给量f 增大其低温冷风断屑效果更好。 华东船舶工业学院的任家隆【5 】采用切削液以滴注方式与2 3 的压缩冷风混合的亚 干式切削方式，对比自然冷却、2 3 风冷、浇注冷却，在外圆车削刀具前刀面上进行试 验，结果亚干式切削热最少，探讨了该种亚干式切削方式的切削机理，认为切削区材料 在低温下存在低温脆性、润滑剂渗透作用强是切削温度低的原因； 1 3 深孔加工技术的现状 深孔加工主要指加工长径比大于5 的深孔。深孔加工的发展大致可分为以下几个阶 段： a ) 扁钻：最早用于加工金属的深孔钻头是扁钻，它发明于1 8 世纪初； b ) 麻花钻：1 8 6 0 年美国人对扁钻进行了改进，发明了麻花钻，但麻花钻在钻深孔时不 便于冷却与排屑，生产效率低； c ) 炮钻：其后出现了具有良好自导向作用，能钻出精密深孔、但不具备供油排屑功能 的半圆形单边切削刃的“炮钻”，它是后面出现的枪钻及内排屑钻的前身； d ) 枪钻：2 0 世纪初期，随着枪炮生产的迅速发展，德英美先后发明了单刃外排屑深孔 钻工具，即枪钻，它能连续排屑，具自导向功能，钻杆为非对称形，故扭转强度差， 只适用于小孔零件加工生产，效率较低； e ) b t a 内排屑深孔钴：1 9 4 3 年，由于战争的需要，枪钻已不能满足高生产效率的要求， 德国海勒公司研制出了内排屑深孔钻削系统，后被命名为b t a 法，后来瑞典的山特 维克公司首先设计出可转位深孔钻及分屑多刃错齿深孔钻，使b t a 法又有了新的飞 跃，它存在着切削压力高，密封困难等缺点。b t a 刀具分实体钻、扩钻、套料钻， 全都是用于初加工； f ) 喷吸钻法( 使用内外两根钻管) ：为克服以上不足，1 9 6 3 年山特维克公司发明了喷吸 钻法，这是一种巧妙应用喷吸效应的方法，可采用较低的切削液压力，使切屑在推 吸效应下容易排出，有利于系统的密封。但它也有缺点，它使用两根钻管，使排屑 空间受到限制，加工孔径一般不能小于1 8 m m ，也缺少了切削液对钻杆振动的抑制 作用，刀杆易擦伤； g ) 2 0 世纪7 0 年代中期，由日本冶金股份有限公司研制出d f ( d o u b l ef e e d e r ) 法为单 管双进油装置，它是把b t a 法与喷吸钻法两者优点结合起来的一种加工方法，目前 广泛应用于中、小直径内排屑深孔钻削。 由于我国机械制造业的迅速发展，深孔加工技术在我国也得到广泛的应用。2 0 世纪 7 0 年代以前，我国枪钻和内排屑深孔钻主要应用于兵器制造业，7 0 年代末才开始建立专 门制造硬质合金枪钻、枪铰刀的军工系统工具厂。8 0 年代后，一大批大中型专业工具厂 开始生产硬质合金枪钻，以填补市场需求的空缺。目前，我国仍是深孔刀具的纯进口国。 b t a 刀具的普及情况更差，直到2 0 世纪8 0 年代，整体高速钢内排屑深孔钻、麻花钻， 4 第一章绪论 甚至扁钻仍然普遍应用于兵工及重型机械制造业。b t a 于7 0 年代末开始引进，但由于 刀具的断屑台不好重磨，使刀具成本无法为企业所承受。同时b t a 实体钻的堵屑问题， 使用户备感困扰，因而迄今普及率甚低。8 0 年代初，双管喷吸钻和d f 系统进入我国少 数企业，这两种技术各有其局限性，至今远未能达到普及。8 0 年代以来，国内机床工业 水平提高较快，相对而言，深孔机床发展相对滞后，在设计水平、品种、精度和专业化 程度等方面与欧、美、日本还有相当大的差距。数控深孔钻床到8 0 年代末才出现，而用 于加工固定工件的深孔钻床还是空白点。 2 0 世纪8 0 年代以来，我国不少高校、研究所和一批企业开展了深孔加工技术的学 术研究、新技术新装置的开发。例如，对d f 系统、双管喷吸钻的移植和改进，单刃深 孔镗铰刀的创新，对枪钻进行喷吸式排屑的研究，数控深孔钻床的开发，深孔加工机理 的探讨等，促进了深孔加工技术的发展。 例如： 西安石油大学的朱林教授【6 j 曾对钛合金t c l l 深孔钻削刀片材料进行了选型研究，用 五种硬质合金刀具材料分别进行钻孔加工，根据刀具外刃磨损值对比，刀片磨损按 y t 7 9 8 、y w l 、y d l 5 、y g 8 、y t 7 2 6 逐渐降低，究其原因，在于y t 7 9 8 属于p 类材料， y w l 属于m 类，后三种属于k 类，p 类和m 类硬质合金含t i c 成分较多，其中的t i 易与钛合金产生亲合性，所以k 类硬质合金是加工钛合金的最佳刀具材料。另外刀具材 料的硬度高也是y t 7 2 6 磨损量较小的原因之一。 西安科技大学史晓娟【_ 7 】设计了一套信号采集装置，对深孔钻削状态进行在线监测与 分析，能一定程度地反映深孔加工时的运行状态，对深孔加工的在线监测进行了探索。 华北工学院王峻教授【8 】在2l 世纪初，完成了s l e d 深孔加工集成技术及装备的研制 开发，其是以单管内排屑喷吸钻为基础，强化改进了起抽吸效应的装置，并对有关钻头 进行改进，使抽吸效应能应用于内外排屑的实体钻、扩钻、铰孔、镗孔及珩磨等，可不 磨断屑台，使刀具简单方便地实现重磨，能很好地加工较小的深孔孔径。 1 4 亚干式深孔加工钻削技术的现状 由于在我国深孔加工技术还不普及，深孔加工难度较高，产生的铁屑及热量不易排 出，加工过程不易观察，技术复杂，造成了不少深孔加工单位对于使用润滑油冷却润滑 的湿式加工尚不能很好地掌握，还有待进一步的完善和发展。而干式加工技术作为绿色 制造的一部分，提出的时间也并不太长，这就使得对于亚干式深孔钻削技术的研究也并 不普遍。 国外对干式加工能否应用于钻孔，也持不同的观点，有主张对钻孔、攻丝、铰孔应 采用湿式加工的【9 1 ，因为其排屑与散热更加困难。国内也有部分院校开展了亚干式深孔 钻削的研究。 据资料检索： 上海电机技术高等专科学校的沈岷山【l o 】利用压缩空气代替切削液在喷吸钻上进行 s 西安石油大学硕十学位论文 干式加工，对钻头结构参数进行一定的修正后可以加工深孔，只是进给速度不高，必要 时可以带入少量的雾化切削液，说明用风可以将切屑带出，遗憾的是该文中没有指出具 体风压值。 陕西国防工业职业技术学院的殷雪艳【】利用深孔枪钻系统，设计了高压风雾化切削 液的装置，并且采用二次雾化强化雾化效果，代替湿式切削液进行加工，用压缩空气进 行排屑，用雾化的切削液进行润滑冷却。她指出刀具寿命与普通深孑l ) j n 工并无区别，冷 却效果也较好，其所使用的压缩空气压力为0 6 0 8 m p a 。其设计思路对本课题具一定的 参考价值。 1 5 本文的主要研究内容 在学习深孔钻削加工技术与干式切削技术的基础上，了解深孔钻削相关知识和机理， 了解干式切削技术的现有研究体系及关键技术，着重建立亚干式深孔钻削加工系统，通 过钻削试验获取加工过程中的力、力矩、切屑形状、刀具结构对加工的影响、孔径与风 压风速对排屑的影响等数据，研究中等孔径亚干式深孔钻削的相关切削理论。 研究内容包括： a ) 在原有b t a 深孔钻床的基础上，建立亚干式深孔钻削系统。重点是根据气体动力学 和喷射器的原理，设计喷雾装置； b 1 研究不同孔径与风压对亚干式深孑l ；b n 工状况的影响； c ) 研究亚干式与湿式深孔加工对加工状况的影响； d ) 亚干式深孔钻削时变形、冷却、润滑、断屑等机理研究； 1 6 本文的创新点 们根据喷射器理论，设计了适用于亚干式深孔加工系统的喷雾装置。在此基础上建立 了亚干式深孔加工系统； b ) 通过湿式和亚干式试验研究，认为亚干式深孔钻削能提高切屑断屑范围； c ) 通过试验，认为在亚干式深孔钻削中：孔径增大不利于冷却润滑和排屑；风压风量 增加有利于排屑和冷却润滑； d ) 研究了亚干式深孔钻削的切削机理。 6 第二章亚干式深孔加工系统的设计 第二章亚干式深孔加工系统的设计 开展中等孔径亚干式深孔钻削技术研究，首先要建立一套亚干式深孔加工系统，确 定深孑l 钻床，选定亚干式切削方式。然后才是利用加工系统，通过试验研究亚干式深孑l 钻削的机理。 2 1 深孔钻床的选定 在中等孔径的深孔钻削加工中，b t a 深孑l 内排屑钻床使用最为广泛。一方面，中等 尺寸孔径的深孔加工，由于受力大，要求钻杆强度和刚度足够大，才能承受相应的轴向 力和扭矩，b t a 深孔钻系统能够很好地满足这一要求。另一方面，内排屑深孔钻的钻头 与钻杆采用方形螺纹连接，装拆方便，钻杆加长也非常方便。同时其排屑空间相对较大， 铁屑从钻杆内部排出，孔表面质量较好。而枪钻外排屑深孔钻床由于其钻杆是非圆形的， 承受的扭矩小，它只适宜d h m d , 直径的深孔。而喷吸钻和d f 深孔钻，由于前者采用内 外两根钻杆，排屑空间小，而后者取得抽吸效应的锥面结构间隙调整困难，操作复杂， 使得二者的使用都不如b t a 深孔钻普及。所以b t a 深孔钻能满足中等孔径亚干式深孑l 钻削研究的需要。 再者，选定深孔钻床还要考虑现有生产条件，以节省经费，并能快速形成亚干式深 孔加工系统。西安石油大学深孔加工研究所采用的是由c d 6 2 5 0 b 普通车床改装的b t a 深孔加工钻床，其钻削最大孔径为由3 7 m m 。所以本次亚干式深孑l 钻削研究就决定采用 该b t a 深孔钻床进行改装。 2 2 亚干式方式的选定 亚干式切削是将干式切削与湿切削两者优点相瓦结合，既可以满足加工需求，又可 以使与切削液相关的费用降至很低，取得接近或甚至超过湿式切削的效果。通常将这种 介于湿切削与干切削之间的加工技术称为准干切削( n e a rd r ym a c h i n i n g - _ n d m ) ，或亚 干切削( s u b - d r ym a c h i n i n g ) ，或最小润滑技术( m i n i m a lq u a n t i t yo f l u b r i c a t i n g ，m q l ) 。 它是将压缩空气与少量的切削液混合雾化后，再喷射到工件的加工部位，使刀具与 切屑及刀具与加工表面之间得到冷却和润滑，减少其磨擦，起到降低切削温度、减小刀 具磨损和提高加工表面质量的作用。理想的亚干切削是以低温或亚低温气体射流为动力， 不但给予切削区最小润滑( 基本满足润滑条件) ，还给予切削区最大冷却( 有限冷却介质 达到沸腾汽化的效果) ，可以提高切削过程中的冷却润滑效果，故也称“最小润滑、最大 冷却技术”。 其他的亚干式切削加工方法有：1 ) 利用水蒸汽作冷却润滑剂的切削加工；2 ) 利用 高压注液法射流注液切削，将切削液射到刀具上，比浇注法能延长刀具的寿命；3 ) 喷雾 冷却技术：其喷射介质和引射介质均为气体，利用雾滴散热的方法来实现冷却。 结合实际情况，为经济可行地形成亚干式深孔加工系统，决定采用最小润滑方式的 亚干式切削。一方面由于深孔加工热量不易排散，深孔钻削中刀具切削刃与工件、导向 块与工件之间的润滑效果需要靠切削液来保证，另一方面该技术需要的空气压缩机在本 两安石油大学硕十学位论文 研究所已经具备，不需另外购置，能最大程度地节省研究费用。另外，本次研究对压缩 空气并未进行冷却，而是用常温状态的空气经空气压缩机加压后即可，所以还不是理想 的亚干式切削。如要进一步加强冷却效果，可以在今后的研究当中，在适当的情况下购 买风冷装置，对压缩空气进行冷却。 采用最小润滑技术的亚干式深孔加工系统，需要进行如下的两项工作： a ) 设计油气混合装置。主要用该装置通过空气压缩机泵出的高压风将少量的润滑油雾 化后混合，保证顺利地输送到钻头切削刃部，起到较好的润滑和冷却效果。称该装 置为雾化装置。 b ) 选定适当的切削液：使之能代替湿式深孑l 钻削加工中的润滑油，起到润滑、冷却、 清洗及防锈的效果。 2 3 亚干式深孔加工系统整体布局及工作原理 r 协么彪 乙i 00p 越掣r 一1 广 l 广。1 _ l ；i n 厂1 1 r0 | i i l 1 jl广 l 1 ，工件2 ，中心架3 、授油器4 、b t a 深孔钻床5 ，钻杆联结器6 、空气压缩机 7 高压风管8 、切削液箱9 ，吸液管l o 、雾化装置1 1 ，钻杆1 2 ，积屑箱 图2 - 1 亚干式深孔钻削系统图 建立的亚干式深孔钻削系统的整体布局如图2 1 所示。其组成及工作原理如下： a ) 把离b t a 深孔钻床不远处的空气压缩机的高压风用内径为巾1 3 毫米的风管引入到 雾化装置。 空气压缩机性能参数为： 型号：3 w - 0 9 7 i风量：0 9 m 3 m i n 额定压力：0 7 m p a功率：7 5 k w b ) 在深孔钻床旁制作安装一个切削液箱。在箱体上固定高压风管，用阀门调节风量， 用压力表以观察压力变化，其示意图见图2 2 ： 第_ 章亚干式深孔加工系统的设计 1 1 2 t m2 ，压力袁3 ，l i ：善4 ，1 1 葺一氕切射毫麓体 图2 2 雾化系统图 c ) 在原b t a 深孔钻床的授油器的进油口处安装雾化装置。高压风高速进入雾化装置后， 产生一定的真空，通过切削液吸液管吸入切削液，空气和切削液在雾化装置中混合 雾化，进入授油器，以一定的速度通过钻杆外壁与加工孔内壁的环形间隙，冲向深 孔钻头刃部起润滑冷却作用，并由高压风将切屑从钻杆内孔排出。 d ) 选用原b t a 深孔钻床的钻头、钻杆，结构参数不作变化。 亚干式深孔钻削试验系统见图2 3 所示： 图2 - 3 亚千式深孔钻床系统实物布置图 9 两安石油大学硕士学位论文 2 4 切削液选型 切削液根据所含主要成分的不同分为油基切削液、水溶性切削液和乳化液三种，各 种切削液的主要组成物质不同，决定了其在加工中发挥的作用不同，适用的条件也各有 差异，下面分别对这三种切削液的组成和性能作简单的讨论： ( 1 ) 油基切削液，是直接用矿物油，动、植物油或两者的混合物，再加入一些特殊 的极压添加剂、油溶性防锈添加剂、油性添加剂等配置而成的切削液，油基切削液具有 良好的润滑性和防锈性，是传统深孑l 加工中最常用的一种切削液，但油基切削液的缺点 也很明显，其冷却性和清洗性较差，污染严重，对操作工人的身体健康危害较大，对加 工场所可形成安全隐患，同时由于油的价格较高而增加加工成本，在现代深孔加工中将 尽可能不使用此类切削液。 ( 2 ) 水溶性切削液，直接在水中添加多种化合物添加剂配置而成的半透明或透明状 的切削液，由于水溶性切削液的主要组成成分是水，在加工中可有效的降低切削区温度， 使工件、刀具不会因高温而变形，能有效的降低工件表面粗糙度和提高工件已加面精度， 延长刀具使用寿命，水溶性切削液的冷却性和清洗作用较强而润滑性能和防锈性能较差， 在深孔加工中，由于切削力较大，刀具与切屑之间的摩擦力较强，为了满足系统抵御大 切削力的要求，一般在使用水溶性切削液时，必须向其中添加特殊极压分子成分，在机 械加工中，由于水溶性切削液低廉的价格，干净的组成，越来越受到企业的推崇，在深 孔加工中，提倡使用水溶性切削液替代油基切削液。 ( 3 ) 乳化液，是由矿物油、乳化剂、防锈添加剂、乳化稳定剂等配置而成的，用水 稀释后，构成作用各异的乳白色或半透明液状的切削液，它具有良好的冷却性和清洗性， 并具有一定的润滑性和防锈性，其性能介于油基切削液与水溶性切削液之间，既具有油 基切削液的部分功能又有水溶性切削液的一些特点，因而是目前机械行业广泛使用的一 种切削液，它的价格比油基切削液低，润滑性比水溶性切削液强，在深孔加工中，这种 切削液是最有可能代替油基切削液的一种切削液。 在切削加工中，切削液除了应具备冷却、润滑、清洗、防锈等作用外，如何将切削 液的副作用降低到最低程度，确保操作者的身心健康和生产安全，保护环境，已成为切 削液开发和使用时必须考虑的问题。切削液的发展趋势之一是进行高性能、长寿命、低 污染切削液的开发研究。目前，我国水基切削液的使用范围越来越大，且已经开始从乳 化液向性能好、寿命长的合成切削液、微乳化液过渡。在发达国家，微乳化液已普遍使 用，并正在大力研究环保型切削液。 深孔钻削加工属粗加工。粗加工时，加工余量较大，会产生大量的切削热，这时润 滑的主要目的是降低切削温度，所以应选用以冷却为主的切削液。硬质合金使用润滑油 时必须连续、充分地浇注，否则处于高温的硬质合金刀片突然遇到切削液，会产生巨大 的内应力而出现裂纹，造成刀片失效。 由于深孔钻削热量产生多，加上由于排屑路径长，切削热被切屑带走的比例小，要 1 0 第二章诬干式深孔加工系统的设计 求切削液具有良好的冷却性。同时，深孑l 加工时钻头导向块与孔径内壁磨擦导向，切削 刃与工件磨擦均需要切削液具有良好的润滑性能。在亚干式深孔加工中，为保证良好的 润滑与冷却作用，切削液又必须具备很好的雾化能力。这就对切削液的比热、极压性能、 比容等性能参数提出了较高的要求。 根据分析对比，选用了牌号为m s d s 亚乳6 号乳化油的切削液进行亚干式深孔加工 试验。 m s d s 亚乳6 号乳化油的性能： 主要成份：植物油、乳化剂、抑制剂的混合物； 闪点：1 8 0 倾点( 表示低温流动性) ： 1 5 ( 一般比凝点高3 5 ) 密度( 2 0 ) ：0 9 5 9 c m 3 蒸汽压 7 使用方法：将原液与水配成不同的体积浓度进行使用。本亚干式深孔钻削试验暂定 为1 0 ，在效果良好的基础上再考虑降低浓度值。 2 5 小结 a ) b t a 钻床钻杆强度、刚度较大，易拆卸，排屑空间大，选定b t a 钻床用于改装 亚干式深孔加工系统； b ) 选定了最小润滑技术作为亚干式加工方式； c ) 由喷雾装置、空气压缩机、b t a 钻床建立了亚干式深孔加工系统； d ) 选定m s d s 亚乳6 号乳化油作为亚干式深孔加工系统用切削液。 两安石油大学硕： 二学位论文 第三章切削液雾化装置设计 建立亚干式深孔钻削系统，雾化装置的设计制造是一个关键环节，只有达到好的雾 化效果才能保证亚干深孔钻削系统正常使用。 一般所说的雾化器，是气液混合后直接通到大气中，出口压力不高，接近大气压。 通过在出口设计非常多的相应直径的小孔及控制流速大小来保证雾滴大小，通过出口面 积和出口通道的方向来保证喷头出雾面积。由于出口压力太小，不能满足亚干式深孔钻 削系统的需要。亚干式深孔钻削系统的喷雾装置，要求一方面能很好地雾化切削液，使 少量切削液以很小的雾滴进入到切削刃及导向块进行良好润滑，另一方面要求混合流在 出口要有一定的正压，足以推动在连续钻削过程中产生的切屑，将其通过较长的钻杆内 孔路径排到积屑箱。如果不能建立起足够的正压，将无法排出切屑，导致堵屑，无法进 行正常的深孔钻削。 从有关深孔钻床产品的资料上了解到，还有一种雾化器，其压缩空气压力为 5 1 2 k g c m 2 ，系统提供的切削液压力为2 0 3 5 k g c m 2 ，二者在雾化器中混合，通过调节风 压和切削液压力，来保证雾化效果，可用于深孔加工中。由于空气和切削液都