CBN 超硬磨具磨鉆鈦合金微小孔加工研究?

厲 鵬，張平寬，孫王路

（太原科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

孔是組成機械零件的基本形面，是實現(xiàn)零件功能的一種基本結(jié)構(gòu)，雖然沒有資料統(tǒng)計有孔零件占零件總數(shù)的比例，但有資料統(tǒng)計孔加工的金屬切除量約占整個機械加工金屬切除量的20%，孔加工刀具的消耗量約占整個機械加工刀具消耗量的60%，說明孔的加工難度較大?，F(xiàn)代高科技產(chǎn)品中無不存在著大量孔加工任務(wù)，因此研究新的孔加工技術(shù)對高科技產(chǎn)品研制與升級換代具有極其重要的意義。

在現(xiàn)代航空、航天、軍用、民用的各個領(lǐng)域中，各種產(chǎn)品發(fā)展的一個重要方向是小型化，組成這些產(chǎn)品的重要零件及零件上的各種形面則更小，其上的孔加工則多為小孔加工；另外，為了保證這些產(chǎn)品的可靠性、智能化，要求所用的零件質(zhì)量很高，那么制造零件的材料多為特殊材料，一般情況下其加工性能較差，用傳統(tǒng)的孔加工方法很難達到加工要求，常使得孔加工問題成為某產(chǎn)品制造的關(guān)鍵問題和技術(shù)。

針對現(xiàn)在出現(xiàn)的各種難加工材料上小孔加工問題，已經(jīng)有激光加工、電火花加工、束流加工、超聲波加工等許多加工方法，但由于其各自的一些特點，不能滿足某些情況下的小孔加工要求。尤其是對有較高精度要求的孔，目前仍然采用鉆削的方法，以保證其加工質(zhì)量［1］。本文在綜述目前常用的微小孔加工方法的基礎(chǔ)上對一種新的加工難加工材料微小孔的理論進行了探索。

1 CBN超硬磨具磨鉆鈦合金微小孔加工研究

微小孔加工的方法按加工原理分為兩大類：機械加工和特種加工。機械加工包括鉆削、沖孔、研磨、磨料流精加工等；特種加工包括電火花加工、電子束加工、電化學(xué)加工、等離子束加工、化學(xué)加工、激光加工、超聲波加工、電成形加工、水噴射加工、輻射腐蝕加工等。此外，復(fù)合加工也是目前的一種趨勢，常用的有微細電解－電火花復(fù)合加工、微細電解－研磨復(fù)合加工、微細超聲－電火花復(fù)合加工、微細超聲－研磨復(fù)合加工、微細激光－超聲復(fù)合加工、微細激光－電火花復(fù)合加工、微細鉆削－超聲復(fù)合加工等［2］。

1．1 微小孔加工的問題

在微小孔加工過程中容易出現(xiàn)的問題有［3］：①深孔加工排屑困難，一旦切屑阻塞，極易損壞刀具，而且鉆削扭矩將急劇增加，嚴重時會出現(xiàn)斷鉆頭情況，必須合理選擇切削速度和進給速度，以保證斷屑可靠、排屑通暢；②微小直徑深孔加工散熱很困難，冷卻潤滑液極不易進入鉆削區(qū)，必須采用有效、可靠的冷卻液和冷卻方式；③加工時容易發(fā)生偏斜，必須保證鉆頭主切削刃的對稱性以及其他要素的合理性，加工前必須采取導(dǎo)向措施。

1．2 CBN的性能

CBN的密度約為3．5×103kg／m3，為面心立方晶體結(jié)構(gòu)，與鐵族元素之間有著很大的惰性，到1 300℃也不會發(fā)生顯著的化學(xué)作用；對酸堿都是穩(wěn)定的；耐磨性極強。CBN與硬質(zhì)合金性能比較見表1。

CBN硬度為HV8 000～HV9 000，是一般硬質(zhì)合金的4倍；導(dǎo)熱系數(shù)為1 300W／（m·K），具有良好的導(dǎo)熱性，是硬質(zhì)合金的25倍；線膨脹系數(shù)為（2．1～2．3）×10－6／K，與硬質(zhì)合金相比較小，是其的1／3；彈性模量為720GPa，比硬質(zhì)合金高；摩擦系數(shù)為0．3，是硬質(zhì)合金的1／2。

表1 CBN與硬質(zhì)合金性能比較

1．3 磨鉆理論探究與磨具結(jié)構(gòu)設(shè)計

小孔的磨鉆加工技術(shù)是建立在刀具高速旋轉(zhuǎn)基礎(chǔ)上的一種新型小孔加工技術(shù)。其基本金屬去除原理是磨削，即刀具由含高硬磨料金剛石顆粒或立方氮化硼（CBN）顆粒的材料制成，整個刀具類似于高硬磨具，加工時由于刀具高速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)磨料與工件之間的高速相對運動，完成切削加工工作。

磨具采用整體式，磨料為CBN－982，粘結(jié)劑為金屬結(jié)合劑。磨料磨粒的排列方式如圖1所示，可有效抑制磨削沖擊與振動。當(dāng)行間距為0．9μm，行中磨粒緊密排布時，單位平方厘米的顆粒數(shù)約為630，磨粒直徑為50μm～80μm。磨具結(jié)構(gòu)如圖2所示，鉆頭采用類似槍鉆的單刃結(jié)構(gòu)，可有效避免磨削時中心轉(zhuǎn)速為零。

圖1 磨粒排列方式

圖2 磨具結(jié)構(gòu)

超高速磨鉆是在高速度、大應(yīng)變、快速成屑的條件下進行的，是一個極其復(fù)雜的過程，影響磨鉆的因素很多，而且難于控制；由于超高速磨鉆的整個過程是準絕熱的，因此沒有足夠的時間把磨粒對材料的高速沖擊能以能量的形式傳導(dǎo)和擴散出磨粒接觸區(qū)，使磨粒刃下方的材料在短時間內(nèi)達到高溫并軟化、產(chǎn)生塑性流動甚至出現(xiàn)準流動相。所以超高速磨削區(qū)材料的表層溫度接近材料的熔化溫度，從而使材料在瞬間失穩(wěn)、剪切極限強度下降，使超高速磨鉆磨屑的生成更加容易，材料磨除率大幅度提高，導(dǎo)致了去除單位體積材料耗能下降［4，5］。

2 利用ANSYS軟件進行仿真

首先在Pro／E 5．0中建立刀具的三維模型，刀具的刀頭長度為0．5mm、直徑為Φ0．5mm，并且在刀具兩側(cè)對應(yīng)開直槽。其次建立一塊長、寬、高分別為100 mm、100mm、10mm的被加工板料。創(chuàng)建2個材料模型：刀具材料為立方氮化硼（CBN），其彈性模量為720GPa，摩擦系數(shù)為0．3，泊松比為0．3；被加工板料為厚度10mm的鈦合金薄板，其彈性模量為108 GPa，摩擦系數(shù)為0．34，泊松比為0．34。磨具的轉(zhuǎn)速定為30 000r／min～50 000r／min。

利用ANSYS軟件進行仿真，磨具加工的有限元模型見圖3，仿真得到的應(yīng)力云圖見圖4。

圖3 磨具加工的有限元模型

圖4 磨具加工的應(yīng)力云圖

查看分析結(jié)果，采用不同刀具尖角時的最大位移和應(yīng)變值見表2。

經(jīng)分析，刀尖角度為120°時的最大位移較小，最大應(yīng)變值小，所以刀具尖角取120°較合理。針對刀具尖角取120°的刀具，當(dāng)采用不同偏心量時的最大位移和應(yīng)變值見表3。

表2 采用不同刀具尖角時的最大位移和應(yīng)變值

表3 采用不同刀具偏心量時的最大位移和應(yīng)變值

由表3可知，偏心量為0．1μm的最大位移量較小，最大應(yīng)變值較小，故較合理。根據(jù)分析結(jié)果，磨鉆取鉆頭錐角為120°，偏心量為0．1μm為最佳。

3 總結(jié)

本文對現(xiàn)有的難加工材料微小孔加工的工藝進行了分析，總結(jié)了各種方法的優(yōu)缺點，并對難加工材料微小孔加工的工藝進行了探索，提出了一種新的加工方法——磨鉆。在提出磨鉆機理的基礎(chǔ)上，利用ANSYS軟件對磨具鉆頭的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化，對磨鉆加工進行了初步的探索。

［1］ 馬星輝，高國富，趙波，等．精密微小孔加工技術(shù)進展［D］．焦作：河南理工大學(xué)，2008：56－60．

［2］ 鄭袖．深小孔加工的幾種方法［J］．機械工程師，2011（8）：139．

［3］ 楊彥濤，李自鵬，黃志偉，等．特種加工技術(shù)在微小孔加工中的應(yīng)用［J］．黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2010（1）：49－51．

［4］ 李國發(fā)，王龍山，張衛(wèi)波．磨削過程優(yōu)化及其計算機仿真［J］．中國機械工程，2002（6）：501－505．

［5］ 張波，張偉，張占陽，等．加工42CrMo深孔中槍鉆鉆尖的幾何參數(shù)改進［J］．大連工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008（3）：274－277．