深孔加工廣泛應用于航空航天、汽車、船舶等領域。由于產(chǎn)品需求多樣化和小規(guī)模化的要求，小直徑深孔加工變得越來越 普遍。小直徑深孔加工工具首選槍鉆，但槍鉆加工時處于封閉或半封閉的加工狀態(tài)，不能直接觀察到刀具的切削情況，而且切屑容易造成所鉆孔的堵塞，此外，小而深的孔導致冷卻液不容易到達切削區(qū)域，致使鉆削條件惡劣、刀具磨損嚴重。所以槍鉆加工過程中的排屑和刀具磨損問題一直是技術難題。加工過程中刀具一旦發(fā)生磨損，將會引起鉆削過程中切屑的變化，影響孔的加工質(zhì)量，嚴重時會導致刀具失效。因此，槍鉆的刀具磨損問題至關重要。

       近年來，研究人員對刀具的磨損問題做了很多研究。對于刀具磨損的監(jiān)測方法目前有很多種，在小深孔鉆削加工中，一般通過加工過程中的軸向力來表征刀具的磨損狀態(tài)。秦國華等針對切削參數(shù)對刀具磨損狀況和使用壽命的影響，研究了基于神經(jīng)網(wǎng)絡和遺傳算法的刀具磨損檢測與控制方法。宋蕾等通過深孔加工過程中的力和扭矩監(jiān)測刀具磨損。李京濤等通過不同的冷卻潤滑方式，分析和比較了45鋼所受到的切削力以及刀具后刀面磨損狀況。Jung J.等對槍鉆深孔加工進行了力學建模，通過監(jiān)控扭矩的變化來反映刀具的磨損情況。

       從近幾年的研究來看，國內(nèi)外學者對鉆削刀具磨損的研究有很多，其中有很多是通過建立預測模型來研究刀具的磨損情況，但關于槍鉆加工工藝參數(shù)對槍鉆磨損的影響卻很少有文獻給出規(guī)律。本文通過試驗，研究了槍鉆加工工藝參數(shù)對切削力和槍鉆磨損的影響。

       1  槍鉆加工系統(tǒng)

       槍鉆加工是深孔加工中很常見的一種外排屑加工方式。切削液從冷卻孔進入到達鉆頭并進行冷卻潤滑，然后將切屑從V型槽排出。槍鉆加工系統(tǒng)由槍鉆刀具和機床系統(tǒng)組成。槍鉆的加工方式有：①工件旋轉(zhuǎn)，刀具旋轉(zhuǎn)并進給；②工件固定，刀具旋轉(zhuǎn)并進給；③工件旋轉(zhuǎn)，刀具進給。本次試驗中由于加工深度較大，需在鉆頭頭部采用導向套進行導向。并且工件重量偏大，為了得到高精度的加工孔，所以采用刀具旋轉(zhuǎn)并進給的加工方式進行鉆削加工。

       槍鉆結(jié)構見圖1，由鉆頭、鉆桿、鉆柄三部分組成。槍鉆的鉆頭可以由不同的材料制成，鉆頭上有導向塊，用于提高所加工孔的精度；鉆桿上有V型槽用于排屑；鉆柄用來傳遞動力。槍鉆的冷卻液直接影響排屑情況，加工中一般選擇高壓冷卻液。

                           (a)鉆柄                              (b)鉆頭

(c)整體結(jié)構

圖1槍鉆結(jié)構

       2  試驗條件和方法

       在高效深孔鉆鏜床進行試驗，機床型號ZWKA-2108，最大加工直徑φ80mm，最大加工深度3000mm。工件采用45圓鋼棒料，尺寸為20mm×300mm，加工深度為175mm，每一次都采用新刀具進行加工。

       試驗采用硬質(zhì)合金槍鉆，直徑φ6mm，鉆桿長度200mm，鉆桿彈性模量E=6.1e5MPa。軸向力用三向銑削測力儀進行測量，刀具的磨損值用萬能工具顯微鏡進行測量。在槍鉆鉆削加工過程中，外切削刃的磨損比內(nèi)切削刃嚴重，一般采用外切削刃的后刀面磨損量VB作為刀具壽命的評判標準。因此，本次試驗記錄的刀具磨損值是槍鉆外切削刃后刀面的磨損量。

       根據(jù)李保國等的研究，本次試驗選取的轉(zhuǎn)速范圍為2000-3500r/min，進給速度的范圍為30-45mm/min。為確保本次試驗的準確性，對每一個影響因素進行2次試驗，并取平均值。在試驗中，由于槍鉆長徑比大，剛性較差，切削速度和進給速度應逐漸增大至規(guī)定速度。本次試驗對每一個影響因素進行試驗，試驗數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1  試驗數(shù)據(jù)記錄

       3  結(jié)果分析

       （1）加工工藝參數(shù)對切削力的影響

       由表1繪制出的加工工藝參數(shù)對切削力的影響規(guī)律見圖2。

圖2  不同轉(zhuǎn)速、進給速度下的切削力

       由圖可以看出，在同一進給速度下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，切削力在逐漸變小。選用不同進給速度時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，切削力減小的趨勢略有不同；低進給速度時，切削力減小的趨勢較快；同一轉(zhuǎn)速時，隨著進給速度的增加，切削力增大。在轉(zhuǎn)速高于2500r/min時，不同進給速度下的切削力均有下降的趨勢，總的來說，低進給速度下的切削力下降的速度較快。

       （2）加工工藝參數(shù)對后刀面磨損的影響

       圖3為根據(jù)表1中數(shù)據(jù)繪制出的加工工藝參數(shù)對槍鉆后刀面磨損的影響規(guī)律。

圖3  不同轉(zhuǎn)速、進給速度下的外刃后刀面磨損值

       由圖可知，同一進給速度時，隨著轉(zhuǎn)速的增加，后刀面磨損值開始時呈減小趨勢，但進給速度較大時，在轉(zhuǎn)速超過3000r/min后，后刀面的磨損值隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加而增大。同一轉(zhuǎn)速時，隨著進給速度的增加，后刀面的磨損值增加。從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，不同進給速度下后刀面的磨損值都有一定的波動。低的進給速度下后刀面的磨損值變化的范圍小，并且比其他進給速度下后刀面的磨損值小。

       小結(jié)

       （1）試驗說明，切削力隨轉(zhuǎn)速的增大而減小，隨進給速度的增大而增大。進給速度很大的情況下，轉(zhuǎn)速是影響切削力的主要因素；低轉(zhuǎn)速時，進給速度是影響切削力的主要因素；轉(zhuǎn)速高于2500r/min時，不同進給速度下的切削力均呈下降的趨勢。

       （2）試驗說明，后刀面的磨損值隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，轉(zhuǎn)速大于3000r/min時，高進給速度下的后刀面磨損值隨轉(zhuǎn)速的增大而增大，鉆削加工時要恰當?shù)倪x擇轉(zhuǎn)速；后刀面的磨損值隨進給速度的增大而增大，低進給速度下的后刀面磨損值小于高進給速度時后刀面的磨損值，加工孔時要選擇低進給速度。

       （3）試驗說明，影響切削力的因素同時也可以對后刀面的磨損值產(chǎn)生一定的影響。切削力的變化導致在加工過程中發(fā)生振動，使加工時刀具與所加工孔之間的接觸力變得不穩(wěn)定，隨著加工的繼續(xù)進行導致刀具發(fā)生磨損。這說明加工過程中產(chǎn)生的振動和切削力的變化是影響刀具磨損的重要因素。

       （4）通過試驗分析得出，加工過程中切削力的波動小時，加工中的振動也將減小，刀具與孔之間的接觸力變化也將減小，最終刀具的磨損將減小。說明降低加工中的振動、減小切削力的變化都可以減小刀具的磨損。

       （5）通過試驗可知，降低進給速度，適當增大轉(zhuǎn)速，不僅可以降低加工過程中的切削力，也可以減小刀具的磨損。