深孔加工廣泛應用于航空航天、汽車、船舶等領域。由于產品需求多樣化和小規模化的要求，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，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生磨損，將會引起鉆削過程中切屑的變化，影響孔的加工質量，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。秦國華等針對切削參數對刀具磨損狀況和使用壽命的影響，研究了基于神經網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對槍鉆磨損的影響卻很少有文獻給出規律。本文通過試驗，研究了槍鉆加工工藝參數對切削力和槍鉆磨損的影響。

       1  槍鉆加工系統

       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。槍鉆加工系統由槍鉆刀具和機床系統組成。槍鉆的加工方式有：①工件旋轉，刀具旋轉并進給；②工件固定，刀具旋轉并進給；③工件旋轉，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，所以采用刀具旋轉并進給的加工方式進行鉆削加工。

       槍鉆結構見圖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)整體結構

圖1槍鉆結構

       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。

       根據李保國等的研究，本次試驗選取的轉速范圍為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定速度。本次試驗對每一個影響因素進行試驗，試驗數據記錄如表1所示。

表1  試驗數據記錄

       3  結果分析

       （1）加工工藝參數對切削力的影響

       由表1繪制出的加工工藝參數對切削力的影響規律見圖2。

圖2  不同轉速、進給速度下的切削力

       由圖可以看出，在同一進給速度下，隨著轉速的增加，切削力在逐漸變小。選用不同進給速度時，隨著轉速的增加，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；同一轉速時，隨著進給速度的增加，切削力增大。在轉速高于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）加工工藝參數對后刀面磨損的影響

       圖3為根據表1中數據繪制出的加工工藝參數對槍鉆后刀面磨損的影響規律。

圖3  不同轉速、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，在轉速超過3000r/min后，后刀面的磨損值隨著轉速的繼續增加而增大。同一轉速時，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

       （1）試驗說明，切削力隨轉速的增大而減小，隨進給速度的增大而增大。進給速度很大的情況下，轉速是影響切削力的主要因素；低轉速時，進給速度是影響切削力的主要因素；轉速高于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速的變化而變化，轉速大于3000r/min時，高進給速度下的后刀面磨損值隨轉速的增大而增大，鉆削加工時要恰當的選擇轉速；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生一定的影響。切削力的變化導致在加工過程中發生振動，使加工時刀具與所加工孔之間的接觸力變得不穩定，隨著加工的繼續進行導致刀具發生磨損。這說明加工過程中產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。