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(2)刀具結(jié)構(gòu)的選取及優(yōu)化設(shè)計(jì)
深孔加工刀具的型式主要分為外排屑和內(nèi)排屑兩種。外排屑方式用于槍鉆系統(tǒng)，適合加工小直徑(一般φ<20mm)深孔。內(nèi)排屑方式常用于BTA系統(tǒng)、噴吸鉆系統(tǒng)和DF系統(tǒng)。噴吸鉆系統(tǒng)和DF系統(tǒng)的功效相同，但由于噴吸鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，排屑空間受到雙鉆桿的限制，因此目前已較少使用。DF系統(tǒng)主要利用雙進(jìn)油裝置對切屑進(jìn)行推、吸雙重作用，促使其順暢排出。在排屑效果相同時(shí)，可減小密封壓力，提高加工精度。BTA深孔鉆頭分為單齒和多齒兩種，單齒刀具適用的孔徑范圍為φ6～φ25mm，多齒刀具則適合加工較大直徑(φ25mm以上)的深孔。
在本試驗(yàn)中，我們選擇了BTA單齒鉆頭。在鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，考慮到亞干式深孔加工的特點(diǎn)，在傳統(tǒng)的BTA單齒鉆頭的基礎(chǔ)上進(jìn)行了部分優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：
①適當(dāng)增大刀體與孔壁之間的間隙h(即進(jìn)氣間隙)以減小空氣阻力，使壓縮空氣和霧化液能迅速到達(dá)切削區(qū)進(jìn)行潤滑和冷卻。
②適當(dāng)增大刀具排屑口，排屑口形成倒錐型，使切屑能快速而順暢地進(jìn)入排屑通道，不易堵屑；同時(shí)在排屑入口處形成“噴吸效應(yīng)”，增大排屑速度。
③增多分屑刃，加寬斷屑臺，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制分屑和斷屑，使切屑變窄及易于折斷，有助于排屑和散熱。
在刀具幾何角度方面也進(jìn)行了一些改進(jìn)，主要表現(xiàn)為：
①適當(dāng)增大刀刃前角γo，以減小刀具前刀面與切屑的接觸面積，保障壓縮空氣及霧化切削液能充分進(jìn)入切削區(qū)對刀具進(jìn)行冷卻潤滑。由于內(nèi)刃在切削中主要承受軸向擠壓力，為了增加內(nèi)刃強(qiáng)度，可適當(dāng)加大內(nèi)刃前角。
②適當(dāng)增大刀刃后角αo，以減小刀具后刀面與已加工表面之間的摩擦，也使刀具更容易切入工件，可減小刀具磨損，提高刀具耐用度。
③增大斷屑臺寬度和圓角半徑，加長切屑卷曲變形時(shí)間，減小切屑與前刀面的摩擦及切屑對斷屑凸臺的沖擊力，使切屑順利流過斷屑臺，在過渡圓角處增加一部分附加變形，使材料失去一些塑性，然后彎曲頂?shù)降?，在彎矩作用下再次變形，最后斷屑，這樣可減小切屑變形，使切削熱、切削沖擊力、摩擦力等都發(fā)生改變，控制切屑形成細(xì)小“C”型排出。
(3)刀片材料的選取
目前用于干式加工的刀具材料很多，如超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金、CBN、PCD、陶瓷和金屬陶瓷、各種涂層硬質(zhì)刀具等，但這些刀具材料大多僅應(yīng)用于普通的干式車削和干式銑削中。目前國內(nèi)在深孔加工中使用較多的主要是焊接式深孔鉆頭，其刀片材料主要采用國產(chǎn)刀片如YD15、YG8、YW1、YT726、YT798等，這些材料的化學(xué)成分和物理性能各不相同，適用范圍也有區(qū)別。我們試圖通過切削試驗(yàn)從中選出比較適合亞干式深孔加工的刀片材料。
采用的切削試驗(yàn)方案為：用上述5種刀片材料的鉆頭，在刀具結(jié)構(gòu)及幾何參數(shù)均相同的條件下分別加工45鋼(調(diào)質(zhì)硬度HRC28)，檢測在亞干式切削條件下各刀具的受力及切屑狀態(tài)，測量刀具后刀面磨損量、內(nèi)孔表面質(zhì)量等，選出最適合加工45鋼的亞干式刀具材料。
采用的切削試驗(yàn)條件為：加工孔徑：20.2mm，工件長度：1000mm，主軸轉(zhuǎn)速v=800r/min，刀具軸向進(jìn)給量f=0.01mm/r，切削液：德國亞倫斯乳化液5號。
由各種刀片材料深孔鉆頭的切削性能及外齒后刀面磨損情況可以看出，在這5種刀片材料的深孔鉆頭中，YD15的后刀面磨損值最小，軸向力、扭矩和內(nèi)孔表面粗糙度值也最?。黄浯问?/span>YG8。反映出YD15刀片具有較高的耐熱性和良好的耐磨性，加工穩(wěn)定性和加工質(zhì)量良好。因此，YD15比較適合45鋼類工件材料的亞干式深孔加工；YG8的加工效果相對稍差一些；而其它幾種材料由于磨損較嚴(yán)重，不適合亞干式深孔加工。試驗(yàn)結(jié)果與刀具材料性能也比較吻合：YD15紅硬性好、耐磨性好、抗彎強(qiáng)度高，尤其適合加工高溫合金材料。此外，從加工過程中可以看出，亞干式深孔加工系統(tǒng)的排屑效果良好，幾乎無堵屑現(xiàn)象發(fā)生，且排出的切屑溫度較低(無燒熱感)，呈銀白色，說明霧化及冷卻效果良好，可以滿足亞干式深孔加工的要求。
4亞干式深孔加工與傳統(tǒng)深孔加工的性能比較
通過上述試驗(yàn)分析，可以確定YD15刀片材料比較適合中碳鋼的亞干式深孔加工。但是，其加工性能和刀具耐用度與濕式深孔加工相比是否有差別，將是亞干式深孔加工技術(shù)能否獲得推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。為此，我們進(jìn)行了一個(gè)對比切削試驗(yàn)，即在傳統(tǒng)的深孔加工條件下，采用YD15和YG8深孔鉆頭(刀具幾何參數(shù)相同)鉆削同樣長度的45鋼工件(v=800r/min，f=0.01mm/r，10#機(jī)械油冷卻潤滑)。由測得的各項(xiàng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，用傳統(tǒng)方法加工時(shí)，刀具的后刀面磨損和切削力均比在亞干式加工條件下要小，這表明亞干式加工時(shí)刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦力比傳統(tǒng)加工時(shí)更大，即切削液的潤滑性能較差，這與所使用的切削液有關(guān)。亞干式加工中采用的是水基乳化液(其霧化性優(yōu)于切削油)，而傳統(tǒng)加工中使用的是切削油(其潤滑性更好)。這也為我們今后的研究確定了方向，即需要找到一種既有良好的霧化性，又有較好潤滑性的切削液。另外，兩種加工方式的刀具磨損量差距并不很大，說明在亞干式深孔加工條件下也能保證一定的刀具耐用度。
將用兩種方式加工的試件剖開后進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔表面硬度幾乎沒有差異，而亞干式加工的內(nèi)孔表面粗糙度值更小，即表面質(zhì)量更好。這也說明在亞干式深孔加工中，內(nèi)孔表面的冷卻效果良好，切削溫度并不高。此外，由于采用了特殊配方的乳化液，具有一定的耐擠壓效果，因此鉆頭的導(dǎo)向塊并未出現(xiàn)撕裂磨損，也保證了內(nèi)孔表面加工質(zhì)量。
5結(jié)論
通過上述切削試驗(yàn)及對結(jié)果的對比分析，可得出如下結(jié)論：
(1)所設(shè)計(jì)的亞干式深孔加工系統(tǒng)可較好完成深孔加工過程，并能得到滿意的加工效果，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
(2)通過對幾種常用深孔加工刀具材料的切削試驗(yàn)，確定了在亞干式深孔加工方式下，YD15材料比較適合加工45鋼類工件材料，并有較好的加工效果。對于其它工件材料，也可通過試驗(yàn)方法找到適用的刀具材料。
(3)通過對干、濕兩種加工方式下刀具的切削性能試驗(yàn)及分析，可以看出亞干式深孔加工能夠?qū)崿F(xiàn)較高的刀具耐用度和較好的加工效果。
(4)針對亞干式深孔加工中刀具磨損較大的問題，也可采用低溫冷風(fēng)或增加冷卻液油性的方法，以提高冷卻和潤滑效果，減少刀具磨損。
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