硬質(zhì)合金鉆頭鉆削鋁合金的切削力實驗研究*

王丹丹，黃立新

(上海工程技術(shù)大學(xué)先進(jìn)制造中心，上海 201620)

0 引言

鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優(yōu)質(zhì)鋼，塑形好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用。而鋁合金零件在鉆削中受力時易產(chǎn)生變形。因此，可以明顯減小鉆削受力的高速鉆削方法被越來越廣泛地應(yīng)用于鋁合金的鉆削加工中。同時，由于鋁合金在鉆削加工中刀具受高溫作用，材料易粘結(jié)在刀具鉆削刃上而使刀具切削性能下降，因此，具有高硬度、高抗彎強度、低韌性和抗冷焊性及較好導(dǎo)熱和熱膨脹能力的硬質(zhì)合金刀具在鋁合金高速鉆削中廣泛使用。

由于鉆削加工刀具均在工件內(nèi)表面鉆削，工作部分處于加工表面包圍之中，刀具的強度、剛度、導(dǎo)向、容屑、排屑及冷卻潤滑等都比切削外表面時問題更突出。因此，基于現(xiàn)場的鉆削試驗數(shù)據(jù)，研究鋁合金薄壁件受力規(guī)律，結(jié)合試驗定量分析不同的鉆削參數(shù)下切削力的變化對生產(chǎn)更具有指導(dǎo)意義。筆者對鋁合金鉆削時的受力及其規(guī)律等反映鉆削性能的指標(biāo)展開理論與試驗研究，以得到對實際生產(chǎn)具有較強指導(dǎo)意義的研究結(jié)論。

1 切削試驗設(shè)計

切削力試驗是在南京第二機(jī)床廠的XH715加工中心上進(jìn)行，硬質(zhì)合金鉆頭直徑為16 cm，工件材料為ZL104，厚度為25 cm，除鋁外其他成分所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。

表1 ZL104鋁合金其他化學(xué)成分及所占質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%

試驗過程中使用冷卻液，測力儀安裝在機(jī)床工作臺上，可測量作用在工件上的反作用力，與刀具位置無關(guān)。切削力采集使用大連理工三向測力儀、電荷放大器、電腦、PCI數(shù)據(jù)采集卡、Dynoware鉆削力測量系統(tǒng)。

以最小切削力為優(yōu)化目標(biāo)的試驗，考察主軸轉(zhuǎn)速n(A)、進(jìn)給量f(B)兩個因素，因素水平如表2所示，每個因素取三個水平。選用三水平四因素正交表L9(34)來進(jìn)行表頭設(shè)計，因素A、B分別占第一、二列，第三、四列作為空白列，每個因素的三個水平分別用“1”、“2”、“3”來表示。

表2 因素水平表

2 切削用量對鉆削力的影響

正交試驗為兩因素三水平正交試驗，根據(jù)項目中實際加工需要，鉆削力正交試驗參數(shù)如下:主抽轉(zhuǎn)速為 600 r/min、800 r/min、1000 r/min，進(jìn)給量為 0.1 mm/r、0.2 mm/r、0.3 mm/r。

這是一個2因素3水平問題，把3個因素依次放在表的前2列，把各列的水平和該列相應(yīng)因素的具體水平對應(yīng)起來，按照這個方案進(jìn)行試驗，測出需要檢驗的指標(biāo)的結(jié)果，然后用直觀分析法對每個指標(biāo)分別進(jìn)行計算分析。

對鉆削力的三個影響指標(biāo)分別進(jìn)行分析，如表3所示。由極差分析結(jié)果可知:影響鉆削力的因素主次順序是:鉆削進(jìn)給量、鉆削轉(zhuǎn)速。得出的三個方案都是A3B1，即主軸轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，進(jìn)給量為 0.1 mm/r為最佳方案。

表3 正交試驗鉆削力的極差分析

如圖1所示，橫坐標(biāo)代表刀具切削工件的位置，從橫坐標(biāo)左端開始依次為刀具切入工件、切削過程及切出工件，縱坐標(biāo)代表對應(yīng)每一個刀具位置的切削力大小。圖示曲線表示切削力的變化趨勢，測力的軟件系統(tǒng)可以顯示最大的切削力，如試驗表3所列。

圖1 切削力的變化趨勢圖

由測試系統(tǒng)所得的切削力的變化趨勢圖上可以看出切入的力為緩慢變化，切出的力則產(chǎn)生突變，從而可以推斷出，切出的工件表面要比切入的工件表面質(zhì)量較差，毛刺較嚴(yán)重。如試驗后的工件圖2對比所示。

圖2 試驗后的工件

3 切削用量對切屑的影響

鉆削過程中形成帶狀切屑，且這些切屑極易纏繞在大鉆上。在鉆頭切削刃和前刀面的擠壓刮削下，在鉆頭前刀面形成環(huán)切屑，并有較大的側(cè)卷和上卷而形成螺旋切屑，在被后續(xù)切屑沿螺旋槽擠出的過程中，隨鉆頭旋轉(zhuǎn)。隨著切削的繼續(xù)進(jìn)行，螺旋切屑越來越長，越來越多，而纏繞在鉆頭上如圖3(b)。

由于鋁合金塑形大，加上在切削過程中，金屬變形和摩擦，會產(chǎn)生大量的熱，因而使工件(鋁合金)表面的一層金屬變軟，接近于熔化的溫度。這層變軟了的鋁合金，在一定的溫度下，會停留在刀尖上，這樣就形成了“粘刀”現(xiàn)象如圖3(c)?！罢车丁爆F(xiàn)象是在一定的溫度下才產(chǎn)生的，如果溫度太高，這層金屬就熔化了;而溫度太低時，工件的金屬組織還很緊密，不容易分離出來。所以溫度太高和太低都不會產(chǎn)生“粘刀”。

圖3 試驗中的鉆屑形態(tài)

圖4 放大5倍下的切屑形態(tài)

試驗后的切屑進(jìn)行微觀形態(tài)分析，如圖5所示為切屑在掃描電鏡下的微觀形態(tài)，可以看出上面一組切屑形態(tài)為片狀，隨著放大倍數(shù)增大，可以清晰地看出切削的褶皺現(xiàn)象，此形狀為容屑系數(shù)較小的切屑，排屑過程順利;下面一組為切屑由于熔化而表現(xiàn)出的部分區(qū)域團(tuán)聚現(xiàn)象，隨著放大倍數(shù)的逐漸增大，可以清晰的看出加工過程中，由于溫度升高而導(dǎo)致的切削熔化現(xiàn)象。

圖5 掃描電鏡下的切屑形貌

圖6 能譜分析

對圖3(c)粘刀鉆屑進(jìn)行能譜分析，能譜分析結(jié)果如圖6所示，所得結(jié)果顯示了切屑中的化學(xué)成分及含量，對照表1所列ZL104鋁合金其他化學(xué)成分及所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以看出，切屑中碳的含量為5.2%，這是加工過程中的粘刀所致，切屑中含有刀具成分，可以得出鋁合金塑形大，為難加工材料的結(jié)論。

4 結(jié)論

(1)切削力主要受進(jìn)給量的影響，隨進(jìn)給量的增加而總體呈升高趨勢，而隨主軸轉(zhuǎn)速的提高總體呈下降趨勢;但主軸轉(zhuǎn)速太大，摩擦熱來不及向切屑和刀具內(nèi)部傳導(dǎo)會使切削溫度升高，刀具磨損加快，還會產(chǎn)生粘刀。

(2)鋁合金鉆屑由于其粘附性強，鉆屑不易分離，鉆削過程中有時會黏附在刀刃上，這對鉆頭的磨損和排屑造成影響。如果鉆屑太軟，不足以克服與孔壁的摩擦力，則產(chǎn)生緊密折迭的迭皺鉆屑。鉆屑的卷曲程度較大，不易斷裂，鋁會在旋轉(zhuǎn)槽中滯留，排屑速度比較慢。

(3)在一定范圍內(nèi)，進(jìn)給量與毛刺高度是正相關(guān)的，即進(jìn)給量越大，出口毛刺越高，進(jìn)給量越小，出口毛刺越低。所以減小進(jìn)給量，有利于改善出口毛刺。

(4)由能譜分析可以看出切屑中碳的含量過多，這是加工過程中的粘刀所致，切屑中含有刀具成分，可以得出鋁合金塑形大，為難加工材料的結(jié)論。

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