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深孔刀具之亞幹式深孔加工刀具技術的研究

深孔刀具亞幹式深孔加工刀具技術的研究
1引言

    深孔加工是機械加工中難度較大、技術含量較高、專業性較強、加工成本較高的一種孔加工技術。在深孔加工中,為了達到排屑和冷卻、潤滑刀具的目的,通常需要使用大量切削液(如專用深孔切削液或機油),尤其是使用内排屑深孔鑽頭的中、大直徑深孔加工(D≥30mm)對切削液的消耗量相當大(主要被切屑帶走),這不僅會對加工場所造成較大污染,還威脅到操作人員的身體健康,同時帶油切屑的處理又會增加生産成本和造成環境污染。據不完全統計,在深孔加工中,切削液的相關費用占到加工總成本的15%~20%。因此,實現不使用切削液的幹式加工或使用微量切削液的亞幹式加工是深孔加工技術的重要發展方向和研究課題。

    2亞幹式深孔加工系統

    根據深孔鑽削加工的特點,采用完全幹式切削(即完全不使用切削液)的加工方式在實際生産中一般很難實現。因為深孔鑽削加工不同于普通的車削、銑削加工,它是在封閉狀況下進行,單位時間所産生的切削熱量大,排屑通道長,切屑和切削熱不易及時排出;此外,刀具在深孔加工中是依靠導向塊完成定心和導向作用,導向塊與孔壁之間會因長時間接觸擠壓而産生較大摩擦,而切削液(切削油)可以在導向塊與孔壁之間形成一層油膜,起到潤滑和減摩作用,如無油膜,導向塊将很快被磨損和撕裂,從而引起切削振動或打刀。因此,選擇采用少量切削液的亞幹式切削方式比較适合深孔加工的實際情況。

    采用的亞幹式切削加工方案主要是利用壓縮空氣進行排屑和冷卻,使用霧化切削液進行潤滑,其加工系統主要由内排屑深孔鑽床、空氣壓縮機、霧化器、氣液混合噴頭等組成,其工作流程為:空氣壓縮機提供具有一定壓力(約0.5~0.6MPa)的空氣,在出口處分為兩路,其中一路通過霧化器帶出一定量的切削液形成汽液混合物,在噴頭處與另一路壓縮空氣相遇,汽液混合物通過噴頭時被加速并向進氣裝置的空腔中噴出,形成高壓、高速的霧化切削液,較後經過鑽杆外壁與孔壁之間的通道被傳送到鑽頭的切削部位,冷卻、潤滑刀具并将切屑從鑽杆内部向後吹出。

    由于亞幹式深孔加工系統采用霧化切削液潤滑、冷卻刀具,用壓縮空氣進行排屑降溫,既克服了傳統深孔加工中大量循環使用切削液所帶來的諸多弊病,大大減少了切削液使用量,又确保了導向塊與内孔表面之間、刀具前後刀面與切屑之間的切削液潤滑層,同時切削液在霧化狀态下吸熱充分、潤滑均勻,能更好地發揮作用;使用連續的壓縮空氣排屑既可增大排屑空間(相對于使用高壓油),又能迅速将切屑從切削區吹出,縮短了切屑傳熱時間,并可将部分熱量直接帶出,降低了切削區溫度。

    3亞幹式深孔鑽頭的設計

    深孔鑽削刀具的設計開發是成功實現亞幹式深孔加工的關鍵技術之一,直接影響到整個加工系統的穩定性和可靠性,是深孔加工順利進行的重要保證。刀具的幾何參數對于刀具的受力、斷屑、耐用度、加工表面質量等起着重要作用;而刀具材料對于刀具的切削效率、工作壽命、刀具與工件的親和性等起着決定性影響。亞幹式深孔加工的切削特性與傳統的深孔加工有所區别,因此對深孔鑽頭的設計要求也有其特殊性。

1)亞幹式深孔加工對刀具的要求

    ①由于深孔切削加工是在封閉狀态下進行,又沒有循環切削油冷卻、潤滑刀具,進行熱量交換,因此切削區溫度較高,這就要求刀片材料必須具有較高的強度、硬度以及良好的耐熱性、紅硬性和抗沖擊性,同時刀具與切屑之間的摩擦系數應盡可能小。

    ②在深孔加工中,刀具的排屑通道較長,切屑不易順暢排出,對于采用空氣排屑的亞幹式加工而言,這一問題更為突出。為了保證排屑順暢和迅速散熱,必須增大排屑出口,減少空氣阻力,加快排屑速度,縮短切屑停留時間。

    ③亞幹式深孔加工采用壓縮空氣排屑和霧化切削液冷卻,因此切屑形狀不能太寬太長。為防止切屑堵塞,較好是形成細小的“C”型切屑;為使切屑更快脫離刀面,刀具與切屑的接觸面不宜過大,為此可采用分屑刃或強制斷屑措施。

    針對以上幾點要求,我們對刀具進行了結構分析和優化設計,使其滿足系統的加工要求。

    (2)刀具結構的選取及優化設計

    深孔加工刀具的型式主要分為外排屑和内排屑兩種。外排屑方式用于槍鑽系統,适合加工小直徑(一般φ<20mm)深孔。内排屑方式常用于BTA系統、噴吸鑽系統和DF系統。噴吸鑽系統和DF系統的功效相同,但由于噴吸鑽系統結構較複雜,排屑空間受到雙鑽杆的限制,因此目前已較少使用。DF系統主要利用雙進油裝置對切屑進行推、吸雙重作用,促使其順暢排出。在排屑效果相同時,可減小密封壓力,提高加工精度。BTA深孔鑽頭分為單齒和多齒兩種,單齒刀具适用的孔徑範圍為φ6~φ25mm,多齒刀具則适合加工較大直徑(φ25mm以上)的深孔。

    在本試驗中,我們選擇了BTA單齒鑽頭。在鑽頭結構設計上,考慮到亞幹式深孔加工的特點,在傳統的BTA單齒鑽頭的基礎上進行了部分優化設計,主要體現在以下幾點:

    ①适當增大刀體與孔壁之間的間隙h(即進氣間隙)以減小空氣阻力,使壓縮空氣和霧化液能迅速到達切削區進行潤滑和冷卻。

    ②适當增大刀具排屑口,排屑口形成倒錐型,使切屑能快速而順暢地進入排屑通道,不易堵屑;同時在排屑入口處形成“噴吸效應”,增大排屑速度。

    ③增多分屑刃,加寬斷屑台,實現強制分屑和斷屑,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行了一些改進,主要表現為:

    ①适當增大刀刃前角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入切削區對刀具進行冷卻潤滑。由于内刃在切削中主要承受軸向擠壓力,為了增加内刃強度,可适當加大内刃前角。

    ②适當增大刀刃後角αo,以減小刀具後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增大斷屑台寬度和圓角半徑,加長切屑卷曲變形時間,減小切屑與前刀面的摩擦及切屑對斷屑凸台的沖擊力,使切屑順利流過斷屑台,在過渡圓角處增加一部分附加變形,使材料失去一些塑性,然後彎曲頂到底,在彎矩作用下再次變形,較後斷屑,這樣可減小切屑變形,使切削熱、切削沖擊力、摩擦力等都發生改變,控制切屑形成細小“C”型排出。
本新聞未完待續……

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