圖1 深孔鉆削過程中的扭矩變化

1 鉆削穩定性的影響因素

1. 鉆削過程中切削力變化的影響
   通過試驗測得，用?58.4鉆頭鉆削40CrNiMo5材料，切削扭矩變化如圖1所示，可分為五個階段。

   1. 在導向套引導下，各切削刃依次切入工件，切削扭矩迅速增大。這時，切削合力使鉆頭上導向塊緊貼導向套孔壁，起導向作用，見圖1中的OA段。
   2. 鉆頭所有刀齒切入工件后，切削扭矩達到最大。由于導向塊端部與鉆頭外刃刀尖之間的軸向位置之差，導向塊仍然停留在導向套內，這時扭矩不會發生明顯變化，見圖1中的AB段，這段距離亦稱為導向塊滯后量。
   3. 導向塊進入工件后，與孔壁發生摩擦、擠壓。這時扭矩會突然增大，隨著導向塊全部進入，鉆頭定心作用加強，鉆削趨于平穩，扭矩逐漸地減小，見圖1中的BC段。
   4. 鉆頭在已加工表面上穩定導向，切削扭矩沒有明顯的波動，進入穩定鉆削階段，見圖1中的CD段。
   5. 工件快被鉆透時，中心處發生塑性變形，鉆頭中心齒及部分中間齒不起切削作用，只有外齒和部分中間齒在切除殘余部分，因而形成“切削帽”。此時能量瞬時釋放，切削扭矩一下降低趨于零，見圖1中的DE段。
   由此可知，鉆頭的入鉆使切削扭矩驟然產生，鉆頭的出鉆使切削扭矩驟然消失，其變化幅度之大，足以影響工件加工質量和鉆頭耐用度，是鉆削穩定性的主要影響因素。
2. 導向套與鉆頭間隙的影響
   為了正確引導鉆頭入鉆，通常采用在工件上加工出引導孔或采用導向套的方法，前者用于單件加工，后者用于批量生產。入鉆誤差由鉆頭與導向套(引導孔)之間的間隙造成，并隨軸向力的增大而加大。導向套與鉆頭間隙對入鉆誤差的影響如圖2所示。在鉆削開始時，徑向力將鉆頭導向塊壓向導向套孔壁，由于兩者之間有間隙，鉆頭中心相對工件回轉中心發生偏移(見圖2a)，這時鉆出的孔徑小于鉆頭直徑。當導向塊開始進入已加工孔時，在直徑略小的孔壁作用下，將外刃向外擠，使鉆頭中心相對工件回轉中心向相反方向偏移(見圖2b)，使孔徑擴大，并且與導向孔壁擠壓摩擦，使鉆削扭矩迅速增大，這一過程與圖1中的BC段相對應。往往此時鉆頭突然發生抖動，鉆頭容易發生破損。隨著導向塊逐漸進入，定心作用加強，加工孔徑也趨于穩定(見圖2c)。這樣在工件入口處產生一個喇叭口，大端尺寸約等于導向套的內徑，長度約等于導向塊長度。間隙越大，喇叭口也越大，入鉆容易鉆偏，出鉆偏斜更大，鉆削過程振動劇烈；間隙過小，容易發生夾鉆，造成刀具破損。由此可見，導向套與鉆頭的間隙也是鉆削穩定性的主要影響因素之一。 #p#分頁標題#e#
   軸向力將會加大入鉆時的誤差，影響鉆削穩定性。根據材料力學理論，以縱橫彎曲簡支梁的力學模型對深孔鉆削入鉆過程進行研究。在建立力學方程后，可推導出軸向力對鉆頭作用時鉆桿撓度轉角的放大系數X(u)，該系數越大，撓度轉角也越大，即 X(u)=3(tgu-u)/u      u=0.5L(F_x/EI)^½式中：L——鉆桿長度
   F_x——軸向力
   E——彈性模量
   I——慣性矩
   式中E、I為常量，X(u)只與鉆桿長度L和軸向力F_x有關，L，F_x增大，X(u)相應增大。在入鉆時，軸向力F_x從零增加到最大，放大系數X(u)也不斷增加，鉆桿撓度轉角亦不斷地被放大，當切削刃全部切入時，轉角達到最大。由于鉆頭與導向塊之間有間隙，鉆頭相對于工件端面發生傾斜，這就相當于在斜面上鉆孔(見圖2d)，入鉆發生偏斜，鉆頭與鉆桿繞著工件回轉中心轉動，產生周期振動，容易使鉆頭破損，使工件表面產生螺旋溝槽，并隨著鉆孔深度的增加而加大。
   
   圖2 導向套與鉆頭間隙的影響
3. 鉆尖高度的影響
   鉆尖高度是指鉆頭的鉆尖點到導向塊前端的軸向距離，見圖3中的h。鉆尖高度越大，入鉆和出鉆的時間就越長，不穩定鉆削時間也越長。由于位于鉆尖的中心齒切削速度較低，切削力大，擠壓摩擦嚴重，卷屑、斷屑困難，定心、導向較差。入鉆時“單槍匹馬”，搖搖晃晃，容易斷齒或崩刃。出鉆時不易形成“切削帽”，鉆尖首先鉆穿工件，失去孔底的反錐尖定心(見圖4)，鉆削力突然失去平衡，鉆頭晃動突然加劇，非常容易崩刃(特別是外齒)。因此鉆尖的高低直接影響鉆削穩定性、鉆頭耐用度和鉆孔精度。
   
   1.中心齒(YG8) 2.中間平齒(YT798) 3.外齒(YT798) 4.導向塊(YT798) 5.中間尖齒(YT798) 6.減振塊(YT798)
   圖3 尖齒內折線刃深孔鉆
   1.定心反錐 2.定心環形凸筋
   圖4 孔底的形狀
4. 導向塊位置的影響
   深孔鉆利用外齒副刃和兩個導向塊三點定圓自行導向進行切削。導向塊必須始終保持與已加工孔壁接觸，并有一定的壓力存在，才能保證加工過程的穩定性。目前，常采用靜力學中“穩定度”的概念作為合理布置導向塊位置的理論依據。穩定度在這里是指以所要考察的那個導向塊作為支點，使非考察的那個導向塊壓向孔壁的力矩與使非考察的那個導向塊脫離孔壁的力矩的比值。這樣一個鉆頭就有兩個穩定度，對于整個鉆頭的穩定度，應該把兩者中最小的作為該鉆頭的穩定度S，S值越大，鉆削穩定性越好，即
   S＞1時，鉆頭處于穩定狀態；
   S=1時，鉆頭處于臨界狀態；
   S＜1時，鉆頭處于不穩定狀態。

2 提高鉆削穩定性的途徑

1. 降低鉆尖高度
   降低鉆尖高度，可通過加大偏心量、將中心齒的內刃磨成兩條折線刃來實現。其特點是：可以有效地降低鉆尖高度(見圖3中的鉆尖由h′降低到h)，縮短入鉆和出鉆的時間。入鉆時，中心齒和中間齒幾乎同時切入工件(見圖3中的Δh)，入鉆后很快就可以進入正常切削狀態；出鉆時，切削帽減薄，各刀齒上刀削力幾乎同時消失，有效地提高了入鉆和出鉆過程的鉆削穩定性。另外，內折線刃還增大了中心齒的散熱體積和鉆尖強度。#p#分頁標題#e#
2. 改中間齒為尖齒
   為了提高鉆削穩定性，我們將中間齒設計為尖齒(見圖3)。切削時，中間齒在孔底形成環形凸筋，與內折線刃在孔底形成的反錐(見圖4)同時起到定心、穩定鉆削的作用。
3. 增加減振塊
   普通深孔鉆大都采用兩個導向塊，與鉆頭外齒副刃基本上在180°內布置，穩定度S＞1，當切削力波動不大時，可以保證鉆削過程穩定性。但是，由于作導向的已加工孔表面有圓度誤差，以及工件材質不均，特別是入鉆和出鉆，難免在鉆削過程中引起振動，尤其是扭振，使鉆頭以某一個導向塊為支點轉動。這種情況，普通深孔鉆無法抑制。因此，我們在鉆頭體后端增設一減振塊，布置在外齒刀刃上方與之成90°的位置，如圖3所示。在正常切削時，切削合力指向兩導向塊之間，使導向塊緊貼已加工孔壁，起導向作用，而減振塊位于后端，刃磨有倒錐使與已加工孔壁有一定的間隙，不起作用；當鉆削力失去平衡發生振動，產生偏離導向塊方向的位移時，減振塊才起作用，可以減振、消振，保護刀刃和提高加工孔的形狀精度。

3 試驗驗證

1. 試驗條件
   • 試驗設備：C630改裝深孔鉆床。
   • 試驗鉆頭：Ø58.4尖齒內折線刃深孔鉆頭和Ø58.4普通深孔鉆頭各10支。
   • 工件材料：40CrNiMo5 250HB～300HB。
   • 切削用量：主軸轉速n=230 r/min；進給量v_f=0.03mm/r～0.15mm/r。
   • 測量儀器：SD375動態分析儀、Y6D—3 A動態電阻應變儀、LZ3函數記錄儀、測力傳感器和位移傳感器等。
2. 試驗方法
   1. 測量兩種鉆頭切削力值，見表1。 轉速n
      r/min進給量v_f
      mm/r新型鉆頭與普通鉆頭扭矩之比
      %新型鉆頭與普通鉆頭軸向力之比
      %2300.0385.984.32300.0883.576.72300.1578.378.6

      表1 切削力對比試驗數據

      
      
      1.普通深孔鉆 2.尖齒內折線刃深孔鉆
      圖5 鉆桿振幅對比曲線
   2. 測量瞬間軸向力變化情況。
   3. 測量兩種鉆頭在鉆削過程中鉆桿的振幅，對比曲線如圖5所示。
   4. 測量兩種鉆頭的鉆削長度。
   5. 測量兩種鉆頭的鉆孔精度。
3. 試驗結果分析
   1. 由表1可以看出，隨著進給量的增加，兩種鉆頭的軸向力和扭矩相應增大。尖齒內折線刃深孔鉆比普通深孔鉆軸向力平均降低20.1%，扭矩平均降低17.4%，而且隨著進給量增加，新型鉆頭切削力增加較為緩慢。
   2. 根據函數記錄儀所記錄下的軸向力瞬間變化情況，當進給量突然增大時，兩種鉆頭的軸向力均呈周期性變化，但新型鉆頭的波峰值始終小于普通深孔鉆，而且波動幅度也小于普通深孔鉆，這說明尖齒內折線刃深孔鉆的鉆削穩定性優于普通深孔鉆。產生這種效果的主要原因是中間齒是尖齒和有減振塊，加強了定心作用。
   3. 圖5是兩種鉆頭鉆削過程中鉆桿振幅量的對比曲線。圖中A、B、C點分別為中心齒、導向塊、減振塊鉆入時鉆桿的振幅量。顯然，由于尖齒內折線刃深孔鉆鉆尖高度低、中間齒是尖齒，入鉆和整個鉆削過程的振動均小于普通深孔鉆，而且在C點之后，即減振塊進入工件后，鉆頭還有一個減振穩定過程，使鉆削扭矩迅速減弱到正常水平，而普通深孔鉆沒有這一過程。出鉆時，在D、E之間，普通深孔鉆振動加劇，振幅增大，而新型鉆頭由于各刀齒高差小，幾乎同時透鉆，且又有減振塊的保護，可以平穩出鉆，鉆桿振幅很小。 #p#分頁標題#e#
   4. 根據兩種鉆頭鉆削路程長度對比試驗，由于尖齒內折線刃深孔鉆鉆削穩定性好，平均鉆削路程長度達16.16m，高于普通深孔鉆近一倍。
   5. 兩種鉆頭鉆孔精度比較，尖齒內折線刃深孔鉆鉆孔圓度誤差比普通深孔鉆小3µm左右，孔徑誤差小0.04mm，尺寸精度可達IT7級～IT8級。新型鉆頭鉆孔表面質量好，加工表面光滑，無螺旋刀痕，表面粗糙度在R_a1.0～R_a3.2之間。

4 結論

1. 深孔鉆削穩定性直接影響深孔鉆頭的耐用度和鉆孔質量。
2. 深孔鉆削穩定性主要受切削力變化影響，其次還取決于導向套與鉆頭間隙。
3. 鉆尖高度直接影響深孔鉆削入鉆和出鉆的穩定性。
4. 按鉆削穩定性原則設計的尖齒內折線刃深孔鉆，可以有效地提高深孔鉆削的穩定性。經對比試驗證明，鉆削平穩，鉆頭耐用度和鉆孔精度高，其設計思想可作為今后深孔鉆合理設計的參考基礎。