大型鍛件轉(zhuǎn)子零件深孔加工工藝研究
深孔加工是指孔的長(zhǎng)度與孔的直徑比大于6mm的孔的加工。由于深孔加工存在難以排屑、冷卻效果差、形位公差難以控制以及效率低等問題，因此需要特別注意其加工方法和工藝優(yōu)化策略。在進(jìn)行深孔加工時(shí)，需要選擇合適的刀具、鉆頭和切削參數(shù)，并制定合理的工藝流程和操作規(guī)程，以確保加工質(zhì)量和效率。深孔加工在重型機(jī)械制造領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，如能源、航空航天、軍事等領(lǐng)域。因此，對(duì)深孔加工技術(shù)的研究具有重要的實(shí)際意義。
1/大型鍛件深孔加工特點(diǎn)
在重型機(jī)械中，需要進(jìn)行深孔加工的工件重量較大，通常為幾噸到幾十噸不等，孔深超過5000 mm，形位公差和表面光潔度要求較高，且工件材質(zhì)多為合金鍛件，材料硬度較高，對(duì)加工刀具提出了較高的要求。大型鍛件深孔加工的特點(diǎn)主要是刀桿剛性差、冷卻困難、不易排屑、鉆尖冷卻困難、切削速度變化大、轉(zhuǎn)矩和軸向力大、工件材質(zhì)不均勻等。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要針對(duì)這些特點(diǎn)選擇合適的加工方法和工藝優(yōu)化策略，以提高深孔加工的精度和質(zhì)量。
2/常用深孔加工方法
深孔加工的方法需要根據(jù)工件材質(zhì)、硬度、孔徑大小、孔深度、精度要求以及生產(chǎn)批量等因素進(jìn)行綜合考慮，以確保工件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，常用的深孔加工方法有槍鉆深孔加工法、BTA 鉆深孔加工法和噴吸鉆深孔加工法等。
2.1 槍鉆深孔加工
槍鉆是一種常用的深孔加工刀具，適用于加工直徑2~50 mm，孔深與直徑之比大于100 的深孔，最大可加工孔深達(dá)到3000 mm。槍鉆結(jié)構(gòu)如圖1 所示。槍鉆在深孔加工中具有高精度和高效率的特點(diǎn)，其加工精度可達(dá)IT6—IT7級(jí)，表面粗糙度Ra可達(dá)0.4~1.6μm，孔的位置精度和直線度、同軸度高，且具有很高的重復(fù)性。槍鉆一般采用外排屑方式進(jìn)行排屑，通過高壓切削液從鉆柄進(jìn)入槍鉆內(nèi)孔到達(dá)切削區(qū)對(duì)鉆刃進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑，同時(shí)將鐵屑和切削液從鉆桿的V 型槽中排出。采用適宜的深孔加工機(jī)床和切削參數(shù)，可以使加工效果達(dá)到最佳。
2.2 BTA 鉆深孔加工
BTA 鉆深孔加工是一種機(jī)械加工方法，主要用于鉆削直徑大于12 mm 的深孔，如圖2 所示。該方法采用內(nèi)排屑方式，切削液通過授油器從鉆桿外壁與工件已加工表面之間進(jìn)入，到達(dá)刀具頭部進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑，并將切屑由鉆桿內(nèi)部推出。這種加工方法由于切削液壓力高，冷卻潤(rùn)滑效果好，可以延長(zhǎng)刀具使用壽命，而且切屑通過鉆桿內(nèi)部排出，不會(huì)劃傷已加工表面，加工精度高，表面質(zhì)量好。
2.3 噴吸鉆深孔加工
噴吸鉆深孔加工是另一種常用的深孔加工技術(shù)，噴吸鉆由刀桿、刀頭和導(dǎo)孔等組成。在鉆孔時(shí)，切削液通過導(dǎo)孔進(jìn)入刀桿，對(duì)刀頭進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑，然后將切屑從刀頭上的小孔中吸出，通過負(fù)壓和正壓的轉(zhuǎn)換，使切屑連續(xù)不斷地被清除。
噴吸鉆適用于直徑為16~60mm 的孔的加工，加工精度可達(dá)H7-H9級(jí)，表面粗糙度值Ra為0.4~1.6μm。其優(yōu)點(diǎn)在于能夠提高生產(chǎn)效率、降低刀具磨損、提高加工質(zhì)量，同時(shí)減少了切削液的使用量，降低了成本。噴吸鉆結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
3/刀具材料的選擇
不同的加工材料，其切削性能有著很大的差距，尤其是深孔加工過程是非開放，操作者不能直觀的觀察整個(gè)切削過程，如果刀具材料選擇不當(dāng)，容易造成刀具磨損、斷屑不良、粗糙度差、刀具壽命低等問題，從而導(dǎo)致深孔加工的失敗，所以如何正確選擇深孔加工刀具的材料，是深孔加工成敗的關(guān)鍵。
深孔加工刀具材料的選擇不僅要考慮被加工工件的材料，還要全面考慮加工設(shè)備的性能、工件特征、切削參數(shù)、排屑冷卻、加工成本以及加工效率等因素，只有這樣才能充分發(fā)揮刀具材料的能力，既高效又經(jīng)濟(jì)的達(dá)到加工要求。同時(shí)還要考慮與被加工對(duì)象的物理性能和化學(xué)性能的匹配問題。物理性能匹配是指刀具與被加工材料的熔點(diǎn)、彈性模量、熱導(dǎo)系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、抗沖擊性能等物理特性要匹配?；瘜W(xué)性能匹配是指切削刀具材料與被加工材料在親和性、擴(kuò)散、溶解和化學(xué)反應(yīng)等化學(xué)特性要匹配，不同化學(xué)成份的刀具具有不同的化學(xué)特性，在選擇刀具材料時(shí)，要選擇與被加工材料相匹配的材料，避免在加工過程中兩者發(fā)生反應(yīng)，影響加工質(zhì)量。
4/大型轉(zhuǎn)子深孔加工
4.1 工件分析
以某大型電站轉(zhuǎn)子為例分析重型零件深孔加工工藝。該轉(zhuǎn)子深孔長(zhǎng)度12 000mm，深孔直徑Φ100mm，長(zhǎng)徑比1∶120，直線度要求2 mm，圓度要求0.12 mm，見圖4。轉(zhuǎn)子材質(zhì)為26CrNi4MoV，由于含Ni元素，導(dǎo)致工件黏性大，可加工性差，給深孔加工帶來較大難度。
4.2 深孔加工工藝分析
轉(zhuǎn)子的深孔加工工藝通常為套料—擴(kuò)孔—鏜孔—珩磨，下面將對(duì)各工序分別做介紹。
4.2.1 套料
套料工序（見圖5）在轉(zhuǎn)子調(diào)質(zhì)處理工序之后，其目的一是減少調(diào)質(zhì)處理時(shí)轉(zhuǎn)子的變形程度；二是采用深孔套料加工，可以取出轉(zhuǎn)子全部長(zhǎng)度上的芯棒，更加真實(shí)的反映出轉(zhuǎn)子的芯部質(zhì)量。深孔套料的主要工藝難點(diǎn)有鉆桿長(zhǎng)徑比大，剛性差，加工時(shí)存在振動(dòng)；套料過程中芯棒由于彎曲下?lián)希c鉆桿發(fā)生碰撞，影響加工精度；深孔長(zhǎng)度大，易出現(xiàn)冷卻不充分和排屑不暢等。
為解決上述問題，在深孔加工時(shí)選用Φ95 mm 內(nèi)排屑套料刀，增加了鉆桿直徑，以提高鉆桿剛性，減少鉆桿彎曲和振動(dòng)，鉆屑在高壓切削液的作用下由鉆桿內(nèi)部排出，減少了切屑與已加工面的摩擦和破壞，同時(shí)較高壓力的切削液在鉆桿和芯棒之間起到支撐作用，減少芯棒彎曲下?lián)?，減輕加工振動(dòng)。
4.2.2 擴(kuò)孔
擴(kuò)孔是在完成套料工序后進(jìn)行的一道半精加工，擴(kuò)孔加工采用鏜削加工的方式，擴(kuò)孔一方面是去除更多的深孔余量，提高精加工的效率；另一方面是改善套料深孔直線度、圓度等形位公差差超的問題，擴(kuò)孔是保證深孔最終直線度的關(guān)鍵工序。采用鏜削擴(kuò)孔加工時(shí)應(yīng)在鏜頭上設(shè)置具有一定彈性的導(dǎo)向支撐裝置，提高鏜頭減震效果。同時(shí)，為提高擴(kuò)孔后的深孔直線度，一般采用工件轉(zhuǎn)動(dòng)，鏜刀不轉(zhuǎn)（僅做軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)）的加工方式。另外，由于深孔長(zhǎng)，潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)要有足夠的壓力，保證切削過程得到充分冷卻和潤(rùn)滑。
4.2.3 精加工
精加工是深孔加工最后一道加工工序，精加工的質(zhì)量決定了深孔加工的成敗，深孔的精加工采用的浮動(dòng)鏜削加工，浮動(dòng)鏜頭前后分別裝有兩把浮動(dòng)刀，兩把鏜刀互成80°，前一把浮動(dòng)鏜刀切除75%的余量，后一把浮動(dòng)鏜刀切除25%的余量，為提高刀具的耐磨性，精加工刀具采用的是硬質(zhì)合金材質(zhì)。經(jīng)過長(zhǎng)期的實(shí)踐驗(yàn)證，當(dāng)工件轉(zhuǎn)速為8~10 r/min，進(jìn)給量為5~6 mm/min，背吃刀量為0.4~0.6 mm 時(shí)，采用浮動(dòng)鏜削加工后的深孔表面光潔度Ra可達(dá)到3.2 甚至1.6。
如果需要進(jìn)一步提高深孔的光潔度，則可采用珩磨、滾壓、拋光等加工方式，光潔度Ra可提高至0.4或以上。
5/結(jié)論
大型鍛件轉(zhuǎn)子的深孔加工一直是機(jī)加工專業(yè)的難題，通過多年的研究與試驗(yàn)，已成功完成了幾十件大型轉(zhuǎn)子的深孔加工，形成了一套完整的加工工藝方案。隨著深孔加工設(shè)備、加工刀具、先進(jìn)制造工藝和新材料地不斷發(fā)展，智能化加工、柔性化加工、高精密加工和難加工材料的加工，將成為今后從事深孔加工相關(guān)工作的技術(shù)人員所研究的重點(diǎn)方向。
