（机械工程专业论文）柴油机主油道孔枪钻工艺的研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 现代深孔加工技术的发展，面临着多品种、小批量、新型工程材料及愈来愈高的精 度要求的挑战，如何进一步提高劳动生产率、降低生产成本成为深孔加工技术的中心课 题之一。柴油机主油道孔属于精密难加工的深孔，它对深孔加工技术的挑战，在于要求 提高传统深孔加工方法的水平，开发新的制造技术与工艺方法。由此可见，对柴油机主 油道孔枪钻工艺的研究就显得尤为重要了。 论文结合企业相关技改项目，在分析了国内外深孔加工技术与枪钻工艺发展现状及 存在问题的基础上，针对企业现有6 l1 0 系列柴油机主油道孔加工工艺的不足之处，对 现有枪钻刀具开展了设计与加工工艺研制工作，主要研究内容和取得的成果如下： 通过对柴油机主油道孔长期存在加工质量的对比分析，找出主油道孔粗糙度及主油 道孔内偏移不合格项，进而从机床、夹具、刀具、导向装置、切削用量、切削液几方面 分析，确定了粗糙度不合格和主油道孔内偏移的原因。在此基础上对主油道孔加工质量 至关重要的枪钻刀具进行了结构设计与优化，使刀具的结构更趋合理，不仅能够确保加 工精度，而且能够避免切削时的诸多不利因素。为确保研制的枪钻刀具成功，避免出现 加工中报废零件的损失，对枪钻刀具进行了切削力分析、对导向套切削过程进行了受力 分析，以及主轴回转中心与导向套同轴度、刀具导向部分与导向套间隙进行了分析，据 此确定了导向块的合理位置，提出了提高导向装置导向精度的方法。最后根据工件和刀 具材料，在保证刀具合理耐用度前提下制定了合理的切削用量和选择了合理的切削液。 本论文研究的深孔加工工艺成果不仅满足了企业的生产需求，而且加工质量及刀具 耐用度都有显著提高，减少了不合格品率及换刀频次，提高了工作效率，降低企业生产 成本。 关键词：枪钻；柴油机；主油道孔；深孔加工 柴油机主油道孔枪钻工艺的研究 s t u d yo fg u nd r i l lp r o c e s sf o rd i e s e le n g i n em a i no i lp a s s a g eh o l e a b s tr a c t t h ep r e s e n td e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fd e e ph o l em a c h i n i n gi sf a c i n gc h a l l e n g e so f m u l t i s p e c i f i c a t i o n ，s m a l lb a t c h ，n e we n g i n e e r i n gm a t e r i a la n dh i g h e ra c c u r a c y i m p r o v i n g w o r k i n ge f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gc o s th a v eb e c o m eo n eo ft h em a i ns u b j e c t so fd e e ph o l e m a c h i n i n g m a i no i lp a s s a g eh o l eo fd i e s e le n g i n ei sa c c u r a t ea n dh a r dt ob em a c h i n e d t h e c h a l l e n g eo fd e e ph o l em a c h i n i n gt e c h n i q u ei st oi m p r o v et h el e v e lo ft r a d i t i o n a lm a c h i n i n g m e t h o da n dt od e v e l o pn e wm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e i nt h i sw a y ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt o s t u d yg u nd r i l l i n gp r o c e s sf o rm a i no i lp a s s a g eh o l eo fd i e s e le n g i n e c o m b i n e dw i t ht h er e l a t i v et e c h n i c a lr e f o r m i n gp r o j e c to ft h ec o m p a n y ，t h em e r i ta n d s h o r t c o m i n go ft h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld e e ph o l em a c h i n i n gt e c h n o l o g y ，d e v e l o p m e n t o fg u nd r i l l i n gp r o c e s sa n de x i s t i n gp r o b l e m sa r ef i r s ta n a l y z e di nt h et h e s e s ，a n dt h e nt h e m a c h i n i n gp r o c e s so fe x i t i n gg u nd r i l l i n gt o o l si sd e s i g n e da n da n a l y z e di no r d e rt oo v e r c o m e e x i s t i n gs h o r t a g eo fm a c h i n i n gp r o c e s so fm a i no i lp a s s a g eh o l eo f6110s e r i a ld i e s e le n g i n e i no u rc o m p a n y t h em a i nr e s e a r c hw o r ki ss h o w na sf o l l o w s ： f i r s t ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fc o m p a r i n gt h el o n gt i m ee x i s t i n gq u a l i t yp r o b l e m sf o r m a i no i lp a s s a g eh o l eo fd i e s e le n g i n e ，t h eu n q u a l i f i e dr o u g h n e s sa n dd e v i a t i o np a r to ft h e m a i no i lp a s s a g eh o l ea r ef o u n d a n dt h er e a s o no ft h eu n q u a l i f i e dr o u g h n e s sa n dd e v i a t i o n a r ea n a l y z e df r o mt h em a c h i n et o o l ，c l a m p i n g t o o l s ，c u t t i n gt o o l s ，g u i d ed e v i c e ，c u t t i n g q u a n t i t y ，c u t t i n gf l u i d t h e nt h ei m p o r t a n tg u nd r i l l i n gt o o l ss t r u c t u r ei si m p r o v e dt oa v o i d d i s a d v a n t a g e sa n dt oa s s u r et h em a c h i n i n ga c c u r a c y i no r d e rt oi n s u r et h ed e v e l o p m e n to ft h e g u nd r i l l i n gi m p r o v e m e n ts u c c e s s ，t h ec u t t i n gs t r e n g t ho ft h eg t md r i l l i n gt o o l s ，g u i d es l e e v e c u t t i n gp r o c e s sa n dc o a x i a l i t yo ns p i n d l ec e n t e r ，g u i d es l e e v ea n dg a po nt o o lg u i d i n gp a r ta n d g u i d i n gs l e e v ea r ea n a l y z e da n dt h er e a s o n a b l ep o s i t i o no fg u i d ep a d sa r ef i x e da n dt h e m e t h o d st oi m p r o v eg u i d ea c c u r a c yo fg u i d ed e v i c ea r es h o w ni nt h et h e s e s ，m a k e sf o r c e a n a l y s i so na n dt h ep r o b l e m si nd e v e l o p i n gp r o c e s sa r ea n a l y z e d f u r t h e rm o r et h ec u t t i n g q u a n t i t ya n df l u i dr e a s o n a b l ys e l e c to nt h eb a s i so fe n s u r i n gr e a s o n a b l ec u t t i n gt o o ll i f e a c c o r d i n gt ow o r k p i e c ea n dc u t t i n gt o o lm a t e r i a l t h ed e e ph o l em a c h i n i n ga c h i e v e m e n t ss t u d i e di nt h et h e s i s n o to n l ym e e tt h e m a n u f a c t u r i n gr e q u i r e m e n to fd a l i a nd a j ia u t o m o b i l ee n g i n ec o m p a n yl t d ，b u ta l s o i r e p r o v et h em a c h i n i n gq u a l i t ya n dc u t t i n gt o o ll i f e n ew a s t er a t eo fm a c h i n e dh o l e 、t h et o o l c h a n g et i m ea n dt h em a n u f a c t u r i n gc o s ta r ea l s or e d u c e dm a r k e d l y 大连理工大学专业学位硕士学位论文 k e yw o r d s ：g u nd r i l l ；d i e s e le n g i n e ；m a i no i lp a s s a g eh o l e ；d e e ph o l em a c h i n i n g - i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：笪柴渔狃圭渔道塾捡盐三苎鲍叠壅滏 作者签名： 到亟丝 日期： 丝丝年止月日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名： 日期：鲨翌艺年坐月上日 日期：卑年旦月上日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1绪论 1 1深孔加工技术概述 在机器制造中，一般孔的深径比l d 大于5 时称为深孔，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，1 8 6 0 年美国人对扁钻做了改进，发明了麻花钻，在 钻孔领域迈出了重要的一步i l j 。但用麻花钻钻孔时，不便于冷却与排屑，生产效率很 低。随着枪炮生产的迅速发展，在2 0 世纪初期，德、英、美等国家的军事工业部门先 后发明了单刀钻孔工具，即为枪钻【2 】。枪钻钻杆为非对称形，故扭转强度差。只能传递 有限扭矩，适用于小孔零件加工生产，效率较低。 在第一次世界大战前和战争期间，由于战争的需要，枪钻已不能满足高生产效率 的要求，在1 9 4 3 年，德国海勒公司研制出毕斯涅耳加工系统( 即我国常称的内排屑深孔 钻削系统) p j 。战后，英国的维克曼公司、瑞典的卡尔斯德特公司、德国的海勒公司、 美国的孔加工协会、法国的现代设备商会等联合组成了深孔加工国际孔加工协会 ( b o r i n ga n dt r e p a n n i n ga s s o c i a t i o n ) ，简称b t a 协会1 4 j 。经过他们的努力、这种特殊的 加工方法又有了新的发展，并被定名为b t a 法，在世界各国普遍应用。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【5 1 。 b t a 法存在着切削液压力较高，密封困难等缺点，为克服这些不足，1 9 6 3 年山特 维克公司发明了喷吸钻法【5 】。这是一种巧妙应用喷吸效应的方法，可以采用较低的切削 液压力，使切屑在锥、吸效应下容易排出，有利于系统的密封。但是喷吸钻法本身也 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 。由于 特殊的切削液供给方式，缺乏了b t a 法中切削液对钻杆振动的抑制作用，刀杆易擦 伤，其系统刚性和加工精度要略低于b t a 法。 2 0 世纪7 0 年代中期，日本冶金股份有限公司研制出的d f ( d o u b l ef e e d e 0 法为单管 双进油装置，进油装置，它是把b t a 法与喷吸钻法两者的优点结合起来的一种加工方 法，用于生产后得到了满意的结果，目前广泛应用于中、小直径内排屑深孔钻削【6 】。 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了广泛的应用。2 0 世纪5 0 年代群钻的研制成功，使钻孑l 效率大为提高。1 9 5 8 年b t a 钻头在我国开始使 用，在此之后，7 0 年代初，我国开始研制和推广喷吸钻，到1 9 7 8 年d f 法已在我国设 计完成并于1 9 7 9 年正式用于生产，现广泛应用于中、小直径内排屑深孔钻削。国内几 家重型机器制造厂相继研制和采用了深孔套料钻，已成功地加工出1 2 m 长的发电机转子 柴油机主油道孔枪钻工艺的研究 内孔【_ 7 1 。西安石油大学于1 9 8 9 年成功地将喷吸效应原形应用到外排屑枪钻系统，使枪钻 的加工性能大大提高；1 9 9 4 年又研制成功多尖齿内排屑深孑l 钻，使深孔钻削的稳定性 和耐用度大大提蒯引。 深孔加工机床现在多采用常规机床，有深孔钻镗床、深孔磨床、珩磨机及通用车 床改造成的深孔钻镗床。近年来，已出现数控深孔钻镗床( c n c ) 。 现代深孔加工技术的发展，面临着多品种、小批量、新型工程材料及愈来愈高的 精度要求的挑战。由于机械工业产品多品种、小批量的比重日益增加，提高劳动生产 率、降低生产成本成为深：f l 力i 工技术的中心课题。发展成组技术和开展计算机辅助设 计及计算机辅助制造( c a d c a m ) 、实现自动化生产是提高深孔加工劳动生产率和经 济效益的根本途径。新型工程材料对深孔加工技术的挑战，在于要求提高传统深孔加 工方法的水平，开发新的制造技术与工艺方法。愈来愈高的精度要求，需要发展深孔 精密加工技术，并相应地发展精密测量及精密机械设计。在实现深孔加工自动化生产 中，需要解决加工中异常情况的监控及自动检测。目前，深孔加工中的这些问题虽然 落后于车削、铣削，但已有一些国家在开发研制，进行解决。本文主要对外排屑( 枪 钻) 深孔加工工艺的研究。 1 2 深孔加工的特点 深孔加工是处于封闭或半封闭状态下进行的，具有以下特点： ( 1 ) 不能直接观察到刀具的切削情况。目前只能凭经验，通过听声音、看切屑、观察 机床负荷及压力表、触摸振动等外观现象来判断切削过程是否正常。 ( 2 ) 切削热不易传散。一般切削过程中8 0 的切削热被切屑带走，而深孔钻削只有 4 0 刀具占切削热的比例较大扩散迟、易过热，刃口的切削温度可达6 0 0 ，必须 果用强制有效的冷却方式。 ( 3 ) 切屑不易排出。由于孔深、切屑经过的路线长，容易发生阻塞，造成钻头崩刃。 此，切屑的长短和形状要加以控制，并要进行强制性排屑。 4 ) 工艺系统刚性差。因受孔径尺寸限制，孔的长径比较大，钻杆细而长、刚性 差易产生振动，钻孔易走偏，因而支承导向极为重要。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 3 枪钻的加工原理与特点 在深孔钻削中，枪钻是比较常用的一种孔加工方法，单刃外排屑深孔钻因最初用 于加工枪管，故又名枪钻，主要用来加工直径为3 2 0n l m 的孔，孔深与直径之比可超过 1 0 0 ，加工出的孔的精度为i t 8 i t l 0 ，加工表面粗糙度为r a 3 2 0 8 1 t m ，孔的直线性良 好。 专业的枪钻系统由深孔钻机、单刃或双刃的枪钻及高压冷却系统组成。枪钻柄部 被夹持在机床主轴上，钻头通过导引孔或导套进入工件表面，进入后，钻刃的独特结 构起到自导向的作用，保证了切削精度。这时冷却液通过钻头中间的通道到达切削部 位，并将切屑从排屑槽带出工件表面，同时对钻刃进行冷却和对背部的支撑凸台进行 润滑，从而获良好的加工表面和加工质量。 枪钻由带有v 形切削刃和一个切削液孔的钻头、钻杆及适用于某种设备而设计的 钻柄组成。高压切削液通过钻杆和钻头中的小孔被送到切削区域内，进行冷却、润 滑，并冲出切屑，然后再将切屑与切削液顺着v 形槽排入油箱中，如图1 1 所示。 枪钻加工具有如下特点： ( 1 ) 排屑通畅。枪钻在加工深孔时，具有一定压力的切削液通过枪杆和刀头，在孔 内能良好地分屑、卷屑和断屑，并同时将切屑强制排出。 ( 2 ) 冷却和润滑充分。在钻削过程中，具有一定压力的切削液不仅能将高速时产生 的热量带走，而且还有润滑作用和防腐性能。 ( 3 ) 良好的加工精度和表面粗糙度。为了防止钻头工作时偏斜和振动，枪钻都采用 了精确的前导向装置，枪钻加工出孔的精度为i t 8 i t l 0 ，表面粗糙度为r a 3 2 0 8l a m ，而且孔的直线度也比较好。 ( 4 ) 加工效率高，劳动强度低。因枪钻切削速度和进给量都比普通切削加工快，铁 屑由切削液强制排出，不存在加工中倒屑现象，所以效率很高，而枪钻机床属于半自 动控制机床，这大大降低了工人劳动强度。 柴油机主油道孔枪钻工艺的研究 一切削液入l 图1 1 枪钻工作原理图 f i g 1 1w o r k i n gp r i n c i p l eo fg u nd r i l l 1 3 1 枪钻的结构 ( 1 ) 钻刃 钻刃是整个枪钻的关键部分，其独特科学的组合结构保证在完成切削工作同时还 起到自导向的作用，可以通过一次贯穿得到一个高精度的深孔。钻刃有两个基本度， 可以根据被切削工件的材料及形式来选择最恰当的组合，以便于工作更好的平衡切削 力和断屑，并将切削力传递给支撑凸肩，保证良好的直线度和同轴度。钻刃有很小的 倒锥度并且直径较刀身略大，可以保证钻身可以在切削孔内自由旋转而不会磨擦孔内 壁的切削表面，根据不同要求，刃部有单圆孔、肾型孔和双圆孔的通道同刀身的油道 连接，高压的冷却液可以通过此通道到达切削点，并将切屑带出工件。钻刃支撑的几 种主要的外圆轮廓形式如下： r 1 型：标准肩部形式，适用于碳钢、不锈钢、镍合金及铝等一般切削，工作时， 刀具同被切削面的挤压作用最小； r 2 型：适用于铰孔与非铁金属切削； r 3 型：高陆式支撑肩部，更好的控制加工尺寸，被加工面的光洁度要求很高时采 用； r 4 型：高陆式支撑，尾部加高，适用于交叉孔、盲孔、扩孔的加工； 大连理工大学专业学位硕士学位论文 r 6 型：高陆式支撑、尾部加高铰刀式，同铰刀组合，用于扩孑l ；b n 工，导向性好； r 9 型：高陆式不连接支撑肩部，更好的控制加工尺寸。 ( 2 ) 刀身 刀身采用专用合金钢材并经热处理制成，刀身有11 0 - - 1 6 5 0 的v 型槽，高压切削冷 却液经驱动柄、刀身油孔到达刃部后从此v 型槽排出孔外，并将切屑带走，为保证切削 的直线度和同轴度，刀身必须有足够的强度以便在较小的扭转变形下提供切削所需的扭 矩，同时刀身也必须有足够的韧性，这样才能吸收刀身高速旋转产生的震动。 ( 3 ) 高压冷却系统 高压冷却雾化装置是整个枪钻系统关键的一个系统，它在加工过程中起到润滑、冷 却、排屑的作用。输入系统的压缩空气一部分驱动脉冲泵形成喷雾，另一部分空气连续 驱动活塞泵，通过双路管线和高流量喷雾装置加压给切削液，将切削液输送至钻头切削 区，被雾化后的切削液吸收切削区的热量，冷却、润滑枪钻刀头，并将切屑强制吹出工 作物外。 1 4 枪钻工艺国内外发展现状和存在问题 枪钻最早是由西德、英、美国家兵工厂用于制造精密枪管和炮筒的，故名为枪钻。 枪钻是外排屑深孔钻的代表。也是小直径( 1 8i n l l l 以下) 深孑l j j n 工的常用方法。目前， 硬质合金枪钻的最小直径为l m m ；钻孔深度与直径之比超过1 0 0 ，最大可至2 5 0 ；钻孔 精度为i t 7 一i t 9 ；钻孔表面粗糙度r a 为3 2 0 4l am 。 枪钻具有一次钻削就获得良好精度利表面粗糙度低的特点，近几年来，已用于密浅 孔和特殊孑l ；b n 工。以美国为例，1 9 6 3 年枪钻加工的代表深度为2 5 0 3 0 0 m m ，1 9 6 8 年 降到1 0 0n l l l l ，进入2 0 世纪7 0 年代已降至2 5 3 7 m m l 9 j 。枪钻的使用范围也在不断扩大， 不仅用于加工通孔，还可以加工盲孔、阶梯孔、斜孔、半圆孔、断续孔和叠层板孔等。 经过一个多世纪发展，枪钻已广泛应用于机械加工领域；特别是在飞速发展的内 燃机制造业，高精度、高效率、自动化程度高的枪钻工艺广泛用于连杆、缸体、缸 盖、凸轮轴等精密深孔加工。 柴油机的主油道孔属于精密难加工的深孔，我厂加工的6 1 1 0 系列柴油机的气缸 体，其主油道孔直径( i ) 1 8 咖，深8 2 5l l l m ，孔深径比大于4 5 ，精度等级为i t 7 i t 8 ，加工 表面粗糙度为r a 3 2 1 6l am ，目前国内厂家如一汽、二汽、上柴等都采用了枪钻主油 道孔新工艺，效果很好。潍坊柴油机厂6 1 6 0 柴油机主油道孔加工就采用了枪钻工艺， 与过去使用二工位组合钻床相比，加工精度和生产效率明显提高。 柴油机主油道孔枪钻工艺的研究 虽然枪钻工艺发展很快，但也存在不少未解决的问题。国外进口的枪钻机床设备 精度高，工作稳定，故障率低，但价格昂贵，仅有实力雄厚的国内大企业采用，而国 产枪钻机床，设备精度低，工作不稳定，故障率高，尤其是刀具制造方面与国外厂家 相差甚远，这些因素制约了我国枪钻工艺技术的发展，因此学习国外先进技术，提高 枪钻工艺水平，降低生产成本，对我国内燃机制造厂家是很有必要的。 本人在很多实验条件限制的情况下，查阅国内外相关资料，结合本人这几年积累 的实践经验，采纳了很多高级技术人员和工人师傅在设计和研究方面的建议，从改造 主油道孔枪钻机床入手，对枪钻加工工艺进行了一系列研究，采用比较的方法分析论 证各种因素对加工质量及工作效率的影响。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 企业原有柴油机缸体主油道孔加工存在的问题分析 2 1 柴油机主油道孑l 的功用与制造要求 柴油机主油道孔俗称机油孔，在气缸体中起到润滑和冷却的作用见图2 1 所示。它 是气缸体中最重要的油孔，就如同人体的主动脉血管一样，缸体的内部结构非常复 杂，水孔和油孔也很多，所有的油孔都会直接或间接与主油孔相连。一旦主油孔位置 偏移与水孔相通，就会发生油水混合，降低其润滑及冷却的作用，严重时可导致整个 气缸体乃至发动机起火，造成事故的发生。 我厂加工的6 1 1 0 系列柴油机气缸体主油道孔属于典型的大深径比孔，其主油道孔 直径0 1 8m i l l ，深8 2 5 哪，孔的深径比大于4 5 ，精度等级为i t 7 i t 8 ，加工表面粗糙度为 r a 3 2 1 6pm ，加工难度大、精度要求高，见图2 1 所示。 输送方向 主油道孔 图2 1柴油机气缸体主油道孔加工工序图 f i g 2 1w o r k i n gp r o c e d u r eo fc y l i n d e rb l o c k s “ n 露 姆 a o 鼍 2 2 柴油机主油道孑l 枪钻组合机床工作原理与特点 企业原有的国产d u 4 4 7 8 单面卧式柴油机缸体主油道孔枪钻组合机床最早是由大 连组合机床研究所制造的。机床型号d u 4 4 7 8 ，见图2 2 所示。用于6 1 1 0 系列柴油机缸 体主油道孔的加工。机床单件加工工时为3 8 5 分，每小时加工件数为1 5 件。机床结构 柴油机主油道孔枪钻工艺的研究 为单面卧式单轴枪钻机床，床身、底座一体，采用s e m e 4 0 0 力h 长到1 2 5 0 机械滑台， 专用钻削头及专用皮带减速器，活动插销，液压夹紧，工件输送用输送带。机床设有 纸带过滤机和磁性排屑机，枪钻供油装置，设有单独液压站。电气采用p c 控制，空中 走线，中高防护。机床工作循环为半自动的，另外还有一个调整循环，这两种循环是 通过电气控制液压系统进行的。按“启动 按钮，油泵电机工作，装入工件后再按 “夹紧 ( 回转、向前) 按钮，机床进入自动循环。 图2 2 机床示意图 f i g 2 2 m a c h i n et o o ld r a w i n g 操作者将工件放在输送带上，人工装工件按“有料开关”一摆杆摆起一输送带进 一定位销上一工件被夹紧一前后导套上一高压供油一动力头工进( 枪钻主油道孔) ，同 时摆杆落、输送带返回一动力头快退一前后导套退一工件松开一定位销拔出取出工件 一个循环完成。 本夹具是升降式夹具，除工件定位是手动之外，工件夹紧及夹具升降均是液压自 动夹紧。 本机床操纵方式为：工件装卸是人工的，按压夹紧按钮后，机床自动完成一个循 环，如将工作循环选择开关旋到调整位置，操纵各按钮可进行单个动作的调整。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 3 柴油机主油道孑l 枪钻加工存在的问题分析 该机床购进后，承制单位经过多次调试，加工的样件仍然不能完全达到气缸体加 工工序图图纸要求，导致机床闲置多年。试切样件经检测情况如下： 主油道孔表面粗糙度r a 8 0 9 m ，要求r a 3 2 1 t i n ，不合格。 主油道孔出现钻漏即与其它水孔通透，不合格。 主油道孔尺寸要求1 8m ，实测1 8 0 3 衄，合格。 主油道孔位置度1 8 4 0 2 5i n t o ，2 2 8 3 0 2 5f i l m ，实测1 8 4 1 21 1 1 1 1 1 ，2 2 8 1 6 衄合格。 在调试之后，对该机床的加工工艺做出改变，因主油道孔深度太深( 原为8 5 0 m i l l ) ， 导致钻头在8 2 5m m 左右发生偏移，致使主油道孔与附近水孔通透，使工件报废率提高， 给公司造成严重损失。根据企业产品生产需要，需要把闲置的设备重新进行改造并使 之发挥作用，包括重新订制加工工艺，设计刀具，选择合理的切削参数、切削液等技 改工作。在第三章中，作者将从各个角度分析造成两种不合格项的原因，为下一步的 设计提供依据。 柴油机主油道孔枪钻工艺的研究 3 影响主油道孔加工质量的因素 3 1主油道孑l 表面粗糙度分析 切削加工时，已加工表面粗糙度主要决定于残留面积高度的几何因素和切削过程 中的不稳定因素。因本工序为枪钻加工，所以只能从枪钻入手分析这两种因素对气缸 体主油道孔的表面粗糙度的影响。 3 1 1枪钻刀具工作部分主要几何参数的影响 在枪钻刀具工作部分几何参数中，影响表面粗糙度的主要主偏角心和刃带b a l 。 ( 1 ) 主偏角i o 心过大会使切削部分长度太短，造成孔径尺寸超差，表面粗糙度太粗；k r 过小会 使切削宽度加大，切削厚度变小，径向力加大，易使钻头发生振动，反而使表面粗 糙。加工铸铁等脆性材料时，一般取k r = - 3 0 。 - 4 0 。【lo j ；原枪钻刀k r = - 2 0 。- 一2 5 。，显 然主偏角k r 偏小。 ( 2 ) 刃带b a l 枪钻刀切削部分磨尖而校准部分留刃带，刃带能保证良好导向和修光内孔作用， 提高加工表面质量及枪钻寿命，但为了减少刃带与孔壁的摩擦，刃带宽度不宜过大， 一般取b a l = 0 3 0 - 0 5 0 衄】，原枪钻b 。l = 0 4 0 - - - 0 5 0l l l m 尚可。 3 1 2 机床一夹具刀具系统刚性影响 机床采用组合机床，各部件都是标准件，刚性好。 夹具采用液压夹紧，工件定位面大，夹紧牢固。 枪钻刀细而长刚性不足，切削过程中发生振动，在已加工表面上形成振纹。因此 在切削条件允许的情况下，应增大刀杆横截面积，原枪钻刀杆( i ) 1 5 衄可加大到( i ) 1 7m l n 。 3 1 3 切削用量的影响 切削速度v 与进给量f 切削用量的选择与切削过程以及切屑的形成有关，同时也与被加工零件材料、精 度要求和机床特性有关，进给量f 取值主要受工艺系统( 刀具、工件和机床等) 刚度和强 度的限制，此外，还受到加工表面质量、排屑效果和切削液的性质因素的影响。日前， 高速钢枪钻常取f 为o 0 1 0 0 3 2 r a m r ，直径大者取上限。钻削进给量过大，则孔的精 度不高，表面粗糙，钻头耐用度降低；进给量过小，则影响切削效率，用硬质合金枪 大连理工大学专业学位硕士学位论文 钻加工铸铁，切削速度v = i 0 - - 1 6 7 m s 进给量仁1 2 5 - 2 5 0m m i n t 9 1 ，原枪钻速度取 v = o 6 m s ，f = - 2 8m a m i n ，显然是不恰当的。 3 1 4 切削液的影响 枪钻时正确选择和使用切削液是很重要的。它不仅是进行润滑冷却，提高加工孔的 表面质量和刀具耐用度，而且还能起到削减躁声、减轻振动、强制排屑的作用。如采用 深孔钻切削油，不仅能使钻孔表面粗糙度降低，还能提高钻刀的耐用度。本机床选用8 1 0 深孔钻切肖0 油是正确的。 通过以上四个方面分析，钻头主偏角心偏小，枪钻刀杆刚性差、切削速度v 和进 给量f 选择不当造成了气缸体主油道孔表面粗糙度超差。 3 2 主油道孔内偏移量分析 主油道孔内偏移造成油孑l 与水孔通透，属于严重的质量事故，其精度主要取决于夹 具、刀具、导套等的设计、制造和调试。下面从夹具、刀具、导向装置三个方面进行分 析。 3 2 1 导向装置的影响 从机床合格证书检验记录单记录上发现，枪钻导向装置中导向套中心线与主轴回转 中心线同轴度为0 0 1 5 1 5 0 脚，正好在最大允差线上，而实测为0 0 2 0 1 5 0 卿，同轴度出 现超差。这对于刚性差的枪钻来说是很不利的，而枪钻与导向套间隙实测为o 0 2 0m m ， 从实践经验来看设计间隙应为0 0 0 1 o 0 0 3m m 之间最合适。因此导向装置超差是其原因 之一。 3 2 2 夹具的影响 气缸体在夹具上定位夹紧后，机床主轴的回转中心线应与气缸体结合面垂直，经测 量二者垂直度为o 0 0 81 1 1 1 1 ，夹具是合格的。 3 2 3 刀具的影响 因主油道孔孔深为8 5 0m i d ，而枪钻细而长刚性不足，钻成的孔直线度超差不直。在 枪钻的几何参数中，钻尖的内外刃对钻孔的直线度影响最大。所以先分析其合理性。 枪钻切削部分只有一个主切削刃，分内刃( a c 段) 和外刃( a b 段) 。作用在a b 段的径 向力凡略大于作用在a e 段的径向力晶，即凡 r ，如图3 1 【1 2 1 。 鉴迪! 堕塑望三! 丝笪三茎竺竺窒 l 一 图3 1 枪钻结构受力图 f i g 3 1 f o r c ed r a wi n go f g u nd r i l l 使钻头在钻削过程中能始终紧贴向支承面较大导向块d ，以保证加工孔的直线性， 具体凡与只f 公式如下【1 0 l ： 兄：，k s i n 彳：厂i 拿一p ) s i n 么 ：黝津一p ) f n = f m s i n b - p f e s i n b f w i = p f e 其中，e 为钻尖位置，p 、分别为比切削力和进给量，a 、b 分别为外、内角。 原钻头a = 3 0 。，伊2 0 。，e - 4 4m m ，d o = 1 8l l m l ，代入( 3 1 ) 公式中可得如下： ( 3 1 ) 大连理工大学专业学位硕士学位论文 吒：s i n a ：髟撰一4 4 ) s i n 3 0 0 ：2 3 7 f 最= s i n b = p f 4 4 s i n 2 0 。= 1 5 矽 因为外刃径向力大于内刃径向力凡 r ，所以枪钻内外刃设计是合理的。 在前期经过大量测量发现，在加工到8 2 51 1 1 1 1 1 左右枪钻开始偏移，后将加工深度改为 8 2 5 衄，余下没钻透的2 5 姗由后序加工，工艺要求8 2 5 衄处中心偏差1 衄，可以完全达 到要求。 以上分析来看主油道孔内偏移是由导向装置不合理和工艺设计不合理造成的。因为 考虑到工艺设计确实不够合理，将工艺调整后问题减轻不少，关于导向装置在第五章再 进行研究。 柴油机主油道孔枪钻工艺的研究 一_ _ _ 一 4 主油道孑l 枪钻刀具的设计 4 1枪钻结构与技术要求 枪钻由切削部分、刀杆和刀柄组成，如图4 1 所示。切削部分一般用硬质合金或高 速钢制造。内有一个或两个冷却孔，外有一个v 型排屑槽，两个导向块。刀杆通常是 用无缝钢管轧出v 型排屑沟槽，刀柄是与主轴连接的部分。切削部分与刀杆、刀杆与 刀柄一般采用焊接结构。高压切削液从刀柄孔、刀杆孔和切削部分油孔进入切削区以 冷却润滑钻头并把切屑经切削部分和钻杆上的v 型槽冲刷出来。 虫 5 ：1 酒 将 。 图4 1 枪钻结构图 f i g 4 1 s t r u c t u r ed i a g r a mo fg u nd r i l l 枪钻的主要技术要求包括： ( 1 ) 刀杆和刀柄材料选为4 0 c r ，硬度为4 0 , - 。4 5 h r c 。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 2 ) 两导向块和外刃刃带刀柄轴线径向圆跳动公差选为8 级0 0 2 0 衄。 ( 3 ) 柄部表面粗糙度为r a 0 4 p m ，刀头前刀面、后刀面r a 为0 4 1 t m 。杆部、v 型r a 为o 8 p m ，导向块r a 为0 1p m 。 ( 4 ) 枪钻刀刃不允许有碰伤、崩刃、裂纹、毛刺等缺陷，刀头与刀杆、刀杆与刀柄 要焊接牢固。 4 。2 枪钻刀片材料的选择 枪钻刀片材料的选择很重要。因为枪钻是深孔加工，切削时产生振动与冲击，切 削速度较高，进给量较大。这就要求选择刀片材料抗弯强度较高。而刀头与导向套要 有较小的配合间隙，以保证钻孔的直线度，所以耐磨性要好。现选择德国波德克公司 研制的新型刀片w h n 5 3 与传统刀片w h n 3 3 作比较，见表4 1 1 1 3 1 。 表4 1w h n 3 3 与w h n 5 3 比较表 f i g 4 1c o m p a r i s o no f w h n 3 3a n dw h n 5 3 从表中可以看出，w h n 5 3 用途与w h n 3 3 一样，但机械性能比w h n 3 3 要好得多。 刀片w h n 5 3 是一种重型粗加工的高速强力切削牌号，它连续切削时寿命比w h n 3 3 提 高l 5 倍，精度保持性也很高。 对于h t 2 0 0 ( 硬度18 0 2 3 0 h b ) 铸铁气缸体而言，选择w h n 5 3 比较合适。并采用整 体全为硬质合金制造。 柴油机主油道孔枪钻工艺的研究 4 3 枪钻刀头设计 钻头的设计及几何参数的选择，直接影响加工质量和工作情况。枪钻是由两个切 削刃组成的，两个切削刃相交处为钻尖，两个切削刃分别称为内刃和外刃，分别具有 内角和外角。 ( 1 ) 内、外刃的内、外角与钻尖位置的关系 枪钻切削部分要素如图4 2 所示。 在设计上必须保证钻孔时径向力接近平衡，并使切削力的合力分布在钻头的两导 向块之间，因此，由( 3 1 ) 公式可得作用在内、外刃上的径向力分别为r 与e ，。 刀 k 向 轴肩 图4 2 枪钻切削部分要素 f i g 4 2c u t t i n ga s p e c t so fg u nd r i l l 粤一p ) s i n a = 膨s i n b d os i na e = 2 ( s i n a + s i n b ) 翻= & 贝u e d 4 0 一 糊 d 4 0 大连理工大学专业学位硕士学位论文 由此可见，彳、b 、e 的选择相当重要的，它决定着切削刃的受力状态。 若外刃的径向力过大，使作用于导向块的挤压力加大，摩擦增大使加工表面恶化 热量增多。 若内刃的径向力过大，会引起加工孔的的直线性偏差加大和孔径超差，加工表面 粗糙度下降，切削刃带过早磨损。 最好的情况是内、外刃径向力相等，但这种情况不存在。较好情况是外刃径向力 稍大于内刃径向力，使径向合力始终指向导向块d ，保证钻削时孔的直线度。而e = d o 4 时工作状况良好，加工铸铁外角内角的选取范围为a = 3 0 。 - - 4 0 。庐2 0 。 - 2 5 。取e ： d o 4 ，a = 3 0 。，b = - 2 0 。 ( 2 ) 主切削刃相对中心线位置 枪钻内外刃基本上位于钻头轴线上，设计时v 型槽中心交点应略低于轴线，这样 切削时会形成柱形芯，而柱形芯有利于钻头的导向及切削稳定性，如图4 3 。若v 型槽 中心交点过低则形成的柱形芯过粗，不宜折断，可能导致钻头蹩断；若v 型槽中心交 点高于钻头轴线，则中心一点的切削刃将积压加工表面，增大切削力，有可能造成崩 刃或钻杆弯曲，芯径一般不大于0 4l r d n 。取偏移中心量o 1 o 0 5m m 。 c 广 ( 3 ) 几何参数的确定 l c c _ 厉勤 遂 图4 3 柱形芯 f i g 4 3c y l i n d r i c a lc e n t e r 柴油机主油道孔枪钻工艺的研究 内、外刃的前角丫。一般取为0 。，这种平面型前角，便于制造，可简化刃磨，使重 磨次数增加。内刃后角咖l 和外刃后角伍0 2 一般为1 0 。 2 0 。f r e 与f r i ，硬材料取小值， 软材料取大值，钻尖也应磨成后角c 0 3 一般为1 0 。 - 2 0 。，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。 取c m = 1 2 。，c t 0 2 = 1 8 。，a 0 3 = 2 0 。 为了减少钻头和孔壁的摩擦，保证两导向块和外切削刃三点定圆，自行引导的作 用，需将外刃的外侧磨有后角q p = 1 5 。 - 一2 5 。，并留有刃带宽度，一般刃带宽度取在 0 4 - - - - 0 6i 1 i n 之间，以便防止钻头划破油膜。太宽可能使钻头挤住在孔中，太小钻头寿命 又将变短。取0 【d _ 2 0 。，刃带宽为0 5 衄。 ( 4 ) 枪钻切削部分的倒锥值心 枪钻倒锥度的作用： 减少钻头于被加工工件孔壁接触之间的摩擦，从而减少钻头发热； 保证有冷却润滑液薄膜润滑，防止钻头导向块与切削刃表面磨损。 钻头切削部分直径从头部向尾部逐渐减少称为倒锥度。倒锥越大，沿着长度方向 的磨损越小，刀具耐用度越高，但太大导向块导向作用就小，孔的直线度不好。一般 在1 0 0 衄长度上倒锥度按下式计算【1 4 j ： 髟= 0 0 0 2 c o ( 4 1 ) 其中，而为钻头直径，取k 声o 0 3 一0 0 4r m 1 0 0 ( 5 ) 切削液间隙 切削部分与切削刃相对的另一侧是过油通道，为增加切削液空间，在钻头内刃的 延长线上磨出切削液的间隙角。为保证顺利排屑，避免切削堆积，使切削液易于流向 刀槽，还要磨出与径向成1 5 。 - 3 0 。，宽度为0 2m m 的窄倒角，如图4