VENTEC 深孔鉆系統(tǒng)的應(yīng)用分析
2019-10-29 來(lái)源：中北大學(xué) 山西省深孔加工研究中心 作者：馬騰 沈興全 高偉佳 雷韶
摘要: 針對(duì)深孔加工成本高、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，應(yīng)用英國(guó)哈鏝公司( HAMMOND) 設(shè)計(jì)的 VENTEC 深孔鉆系統(tǒng)，可簡(jiǎn)化深孔加工的設(shè)備結(jié)構(gòu)并降低加工成本。通過(guò)理論分析和實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)，對(duì) VENTEC 深孔鉆系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理以及在應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析，論證其在實(shí)際生產(chǎn)中的意義。
關(guān)鍵詞: 深孔加工; VENTEC 深孔鉆系統(tǒng)
1 、引言
由相關(guān)的資料統(tǒng)計(jì)可知，孔加工在機(jī)械制造行業(yè)中占全部機(jī)械加工的三分之一左右，而深孔加工又占到孔加工的 40% 以上。由于深孔加工是在封閉或半封閉的空間內(nèi)進(jìn)行的特殊性加工，具有排屑難、冷卻難、潤(rùn)滑難和工具系統(tǒng)剛度低等特點(diǎn)。
這些難點(diǎn)不僅長(zhǎng)期困擾著深孔加工行業(yè)，而且在一定程度上限制了深孔加工的應(yīng)用范圍，也限制了深孔加工的理論及技術(shù)向其他領(lǐng)域拓展的能力，使深孔加工成為制造技術(shù)門(mén)類(lèi)中設(shè)備機(jī)構(gòu)復(fù)雜且加工成本昂貴的技術(shù)之一。
目前，國(guó)內(nèi)外常用的深孔加工系統(tǒng)有槍鉆系統(tǒng)、BTA 系統(tǒng)、噴吸鉆系統(tǒng)和 DF 系統(tǒng)。其中，噴吸鉆系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)噴和吸兩個(gè)效果，結(jié)構(gòu)上更加復(fù)雜，使其最小加工孔徑受限，加工成本更高; DF 系統(tǒng)是在 BTA系統(tǒng)上安裝負(fù)壓排屑裝置，結(jié)合了 BTA 系統(tǒng)和噴吸鉆系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，克服其不足，但其結(jié)構(gòu)較 BTA 系統(tǒng)復(fù)雜。
2 、深孔加工技術(shù)分析
根據(jù)排屑方式的不同，簡(jiǎn)要分析外排屑方式的槍鉆系統(tǒng)和內(nèi)排屑方式的 BTA 系統(tǒng)。槍鉆系統(tǒng)屬于外排屑方式，主要由中心架、扶正器、鉆桿聯(lián)結(jié)器和冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)等組成( 見(jiàn)圖 1)
槍鉆系統(tǒng)的工作原理: 切削液通過(guò)尾架上的輸油入口進(jìn)入鉆桿內(nèi)部，到達(dá)鉆頭頭部進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑，并將切屑從鉆頭外部 V 型槽中排出。由于切屑由鉆頭和鉆桿外部排出，容易擦傷已加工孔表面，加工質(zhì)量低于內(nèi)排屑方式的系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于小直徑( 孔徑小于 20mm) 的深孔加工。
如圖 2 所示，BTA 系統(tǒng)屬于內(nèi)排屑方式，主要由中心架、授油器、鉆桿聯(lián)結(jié)器和冷卻潤(rùn)滑油路系統(tǒng)等組成。
BTA 系統(tǒng)的工作原理: 切削液通過(guò)授油器從鉆桿外壁與已加工表面之間的環(huán)形空間進(jìn)入，在刀具頭部進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑，經(jīng)鉆桿內(nèi)部推出切屑。該系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，但受鉆桿內(nèi)孔排泄空間的限制，主要用于直徑大于 12mm 的深孔加工。由以上分析可知，無(wú)論那種排屑方式均由工件、刀具、專(zhuān)用輔具、機(jī)床和控制系統(tǒng)等要素組成。其中，專(zhuān)用輔具取決于所采取的切削液供給方式、排屑方式和工件與刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式?？梢?jiàn)，深孔加工需要專(zhuān)用設(shè)備和專(zhuān)用輔具，因此其設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本昂貴。
3 、深孔鉆系統(tǒng)分析
3. 1 深孔鉆系統(tǒng)簡(jiǎn)介
深孔鉆系統(tǒng)最早由國(guó)外深孔技術(shù)企業(yè)提出，目前在國(guó)內(nèi)也有多家企業(yè)生產(chǎn)該系統(tǒng)。由于其具有適用范圍廣、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)便和成本低等特點(diǎn)，無(wú)論在歐美市場(chǎng)還是在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)都被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中。用戶只需一臺(tái)普通機(jī)床、一件設(shè)計(jì)正確的工裝夾具、一套完整的 QYZ 深孔鉆系統(tǒng)和一支高品質(zhì)的硬質(zhì)合金槍鉆，便可以極低的成本、簡(jiǎn)便的操作提供高效率、
高精度和高一致性的深孔鉆削加工方式。
作為機(jī)床附件，系統(tǒng)各部分的安裝拆卸簡(jiǎn)單便捷，大部分情況下無(wú)需對(duì)機(jī)床做任何改動(dòng)，使現(xiàn)代槍鉆技術(shù)在普通機(jī)床上的應(yīng)用成為了現(xiàn)實(shí)。
3. 2 深孔鉆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖3 所示，深孔鉆系統(tǒng)包括儲(chǔ)液槽、壓縮空氣接口、空氣壓力表、霧化氣體壓力表、調(diào)節(jié)閥、導(dǎo)管動(dòng)、動(dòng)力接頭、夾具和深孔鉆等部分。其中，夾具可根據(jù)實(shí)際加工情況更換。
在普通車(chē)床上安裝深孔鉆系統(tǒng)具體步驟:
①將儲(chǔ)液槽固定在便于操作且不易發(fā)生碰撞的地方。通過(guò)壓縮空氣接口將空氣壓縮機(jī)接入，并將空氣的供給壓力控制在一定的范圍內(nèi)，然后在儲(chǔ)液槽中按照正確的比例混合好專(zhuān)用的冷卻液;
②應(yīng)用刻度盤(pán)千分表調(diào)節(jié)夾具，使夾具的各邊和頂部與機(jī)床運(yùn)動(dòng)方向平行;
③校準(zhǔn)刀夾中心線與機(jī)床主軸中心線，使其可以對(duì)齊，在機(jī)床主軸上安裝千分表，便于加工時(shí)的觀察;
④在夾具上安裝 VENTEC 鉆頭，保證切削面垂直于機(jī)床的尾部;
⑤加工前，應(yīng)根據(jù)所要加工的深孔孔徑加工相應(yīng)的引導(dǎo)孔;
⑥根據(jù)加工孔徑和設(shè)備要求的參數(shù)設(shè)置好機(jī)床的進(jìn)給速度及轉(zhuǎn)速;
⑦固定橫向移動(dòng)和垂直方向移動(dòng)，以保證系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性;
⑧調(diào)節(jié)閥門(mén)，使冷卻液呈氣霧狀噴出;
⑨驅(qū)動(dòng)機(jī)床，進(jìn)行深孔加工。
3. 3 深孔鉆系統(tǒng)原理分析
在槍鉆原有結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，得到的深孔鉆系統(tǒng)采用 VENTEC 鉆頭，其工作原理與槍鉆類(lèi)似。加工時(shí)使用導(dǎo)向套或?qū)蚩讈?lái)定位，加工開(kāi)始后，加工出來(lái)的孔對(duì)刀口起到支撐的作用，形成鉆頭的自引導(dǎo)特性。VENTEC 鉆刀頭外部凸肋可以產(chǎn)生使鉆頭偏向中心的力，產(chǎn)生的摩擦可使鉆頭對(duì)孔的表面進(jìn)行輕輕拋光。
該結(jié)構(gòu)對(duì)成孔有積極影響: ①在摩擦力的作用下，成孔的粗糙度得到有效控制; ②在鉆頭自引導(dǎo)作用下，即使加工比較深的孔，也可以保證鉆頭正確的鉆孔軸線。這意味著深孔鉆系統(tǒng)的 VENTEC鉆可以用于加工高精度且長(zhǎng)徑比較大的孔。應(yīng)用深孔鉆系統(tǒng)加工深孔時(shí)，切削區(qū)的冷卻排屑十分重要。
深孔鉆系統(tǒng)采用準(zhǔn)干式的冷卻和排屑方法，即應(yīng)用壓縮的氣液混合物冷卻切削鉆頭并排出切屑，其工作原理為: 冷卻液在噴霧系統(tǒng)( 儲(chǔ)液槽) 中被外部供給的壓縮空氣加壓，并與高壓空氣一起送入可調(diào)整流量的噴霧混合頭內(nèi)，經(jīng)導(dǎo)管再送入專(zhuān)用的夾具內(nèi)，而后通過(guò) VENTEC 鉆頭的中間通道到達(dá)切削區(qū)域。
冷卻液效果的好壞直接影響深孔加工的過(guò)程。深孔鉆系統(tǒng)的冷卻液由特殊的乳化油和水混合而成，其主要作用:
①使 VENTEC 鉆頭的拋光凸肋和切屑刃得到充分潤(rùn)滑，減小鉆削過(guò)程中鉆頭、切屑以及工件之間的摩擦;
②壓縮空氣能有效推動(dòng)霧化冷卻液流動(dòng)，使切屑沿排屑槽快速排出;
③準(zhǔn)干式冷卻方法可以提供強(qiáng)大的冷卻效果。
水和壓縮空氣的混合物是一種理想的冷卻介質(zhì)，其冷卻效果優(yōu)于純液體，能夠在鉆削加工過(guò)程中，有效控制鉆頭刃部溫度，從而提升其加工效率
。
4 、深孔鉆系統(tǒng)應(yīng)用
4. 1 條件設(shè)置
受條件限制僅做簡(jiǎn)單的對(duì)比試驗(yàn)以及成孔質(zhì)量分析。試驗(yàn)設(shè)備包括普通車(chē)床、VENTEC 深孔鉆系統(tǒng)、粗糙度檢測(cè)儀、圓度檢測(cè)儀和紅外熱像儀。試驗(yàn)材料為車(chē)軸鋼。試驗(yàn) 參 數(shù) 為 孔 徑 10mm 和 孔 徑30mm、深度 1500mm 的深孔。
4. 2 切削溫度分析
應(yīng)用紅外熱像儀檢測(cè)加工時(shí)的工件溫度可在一定程度上反映切削區(qū)的大致溫度。加工孔徑 10mm深孔時(shí)，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn) 圖 4 和表 1; 加 工 孔 徑為30mm 深孔時(shí)，其檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖 5 和表 2。
分析以上熱象圖可知，深孔鉆系統(tǒng)在加工深孔的過(guò)程中，如切削區(qū)域的溫度保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，其冷卻系統(tǒng)效果顯著。因?yàn)樵撓到y(tǒng)采用壓縮的氣液混合物冷卻切削鉆頭并排出切屑，冷卻作用顯著，可有效控制切削區(qū)的溫度，高壓空氣能更有效地推動(dòng)切屑排出。對(duì)加工完成的深孔進(jìn)行檢測(cè)，檢驗(yàn)深孔鉆系統(tǒng)的成孔質(zhì)量，其結(jié)果見(jiàn)表 3。
分析檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，深孔鉆系統(tǒng)的成孔質(zhì)量比較高，VENTEC 鉆頭的結(jié)構(gòu)對(duì)成孔質(zhì)量有積極的影響，能滿足實(shí)際生產(chǎn)的要求。因?yàn)樵谠撓到y(tǒng)中，鉆頭通過(guò)導(dǎo)向孔給鉆頭定位，形成加工過(guò)程的自引導(dǎo)，保證了孔的加工質(zhì)量，刀頭部的拋光凸肋能進(jìn)一步優(yōu)化成孔質(zhì)量。
5 、結(jié)語(yǔ)
國(guó)內(nèi)深孔加工主要應(yīng)用于專(zhuān)業(yè)的大型深孔鉆床，其設(shè)備結(jié)構(gòu)和加工成本都限制了深孔的應(yīng)用。大多數(shù)情況下，設(shè)計(jì)師不得不對(duì)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)做出妥協(xié)，不能達(dá)到結(jié)構(gòu)最優(yōu)。通過(guò)對(duì)英國(guó)哈鏝 VENTEC深孔鉆系統(tǒng)的研究，可知其在適用性、成孔質(zhì)量與設(shè)備結(jié)構(gòu)等方面均有一定的優(yōu)勢(shì)，易于安裝、維護(hù)、保養(yǎng)和檢修，且加工效率較高。在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用深孔鉆系統(tǒng)可以有效解決深孔加工成本高等問(wèn)題。
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