高速鉸削淬火鋼精密小孔的工藝研究

雷鴻春 余葭穎

(①西安思源學(xué)院，陜西 西安 710038;②北方特種能源集團(tuán)有限公司西安慶華公司，陜西 西安 710025)

淬火鋼是指金屬經(jīng)過淬火后，組織為馬氏體，硬度高于HRC50 的鋼。它在難切削材料中占有相當(dāng)大的比重。精密孔一般是指精度在H7 級(jí)以上，表面粗糙度Ra值在1.6 μm 以下的孔。淬火鋼的傳統(tǒng)加工方法是研磨或磨削。手工研磨內(nèi)孔，一致性不好，效率低;磨削加工不僅效率低，而且磨小孔用砂輪剛度差，線速度低，表面粗糙度經(jīng)常達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。若用普通的硬質(zhì)合金機(jī)用鉸刀加工淬火鋼精密小孔，生產(chǎn)效率雖然可以提高，但工件的尺寸精度和表面粗糙度難以保證，鉸刀切削刃也極易磨損。

本研究針對(duì)兩種套類零件精密小孔的加工，通過改進(jìn)硬質(zhì)合金機(jī)用鉸刀的結(jié)構(gòu)、選擇合理的切削用量和切削液等，以試驗(yàn)的方法確定合理的工藝參數(shù)，在保證加工質(zhì)量的前提下，提高加工效率和刀具耐用度。

1 高速鉸削用鉸刀結(jié)構(gòu)、幾何參數(shù)

待加工兩種套類零件如圖1 所示，內(nèi)孔表面粗糙度均為Ra1.6 μm，材料為65Si2WA，熱處理52～60HRC。

高速鉸削用鉸刀采用硬質(zhì)合金機(jī)用鉸刀，結(jié)構(gòu)采用鑲片式，硬質(zhì)合金刀片牌號(hào)為YW1。

鉸刀結(jié)構(gòu)與一般鉸刀類似［1］。

1.1 鉸刀的幾何角度

小直徑硬質(zhì)合金鉸刀的齒數(shù)取4 齒，切削錐角15°，切削部分和校準(zhǔn)部分的前角為0°，切削部分后角為8°，校準(zhǔn)部分的后角為12°，校準(zhǔn)部分的刃帶寬度0.2 mm，切削部分與校準(zhǔn)部分的交接處圓滑過渡［2］。

1.2 校準(zhǔn)部分長(zhǎng)度

一般鉸刀校準(zhǔn)部分偏長(zhǎng)，由于機(jī)床的擺動(dòng)，刀具本身的彎曲等會(huì)劃傷已加工表面，經(jīng)多次試驗(yàn)，校準(zhǔn)部分長(zhǎng)度取3 mm，效果較好，使用穩(wěn)定。

1.3 鉸刀外圓表面粗糙度

鉸刀的校準(zhǔn)部位起校準(zhǔn)和壓光作用，只有擠壓才能使內(nèi)孔表面獲得理想的表面粗糙度，因此，鉸刀外圓表面粗糙度Ra≤0.2 μm。

1.4 鉸刀外徑及偏差

高速鉸孔的主要特征是強(qiáng)制切削及擠壓。因而使孔鉸削后有一定的收縮量，其變化規(guī)律與加工條件、材料強(qiáng)度、切削用量、工件形狀、裝夾方式、冷卻潤(rùn)滑等都有一定關(guān)系，通常是加工余量大，工件壁薄，其收縮量偏大，反之偏小。一般在0.003～0.008 mm 之間。如本例加工零件的公差都是0.03 mm，但由于工件壁厚不同，收縮量也不同。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，實(shí)際鉸刀外徑及偏差確定為:鉸削mm 內(nèi)孔的鉸刀外徑為mm。鉸削mm 內(nèi)孔的鉸刀外徑為mm。

改進(jìn)后的鉸刀如圖2 所示。

2 切削用量的確定

淬火鋼硬度高、強(qiáng)度高，切削力大，刀刃易崩碎、磨損;切削溫度高，導(dǎo)熱系數(shù)低，更加劇了刀具磨損。加工如圖1 所示兩種套類零件，內(nèi)孔的尺寸精度可通過改變鉸刀外徑來保證，因此切削用量的確定主要考慮對(duì)加工表面表面粗糙度和刀具耐用度的影響［2］。

2.1 加工余量的確定

加工余量的大小應(yīng)嚴(yán)格控制，否則會(huì)使孔的精度和表面粗糙度極不穩(wěn)定，甚至加工不出合格的產(chǎn)品。加工余量大，刀具磨損嚴(yán)重，容易崩刀。加工余量過小，鉸削時(shí)發(fā)揮不了擠壓作用，不僅達(dá)不到尺寸精度，而且孔的表面粗糙度值也很大。文獻(xiàn)［3］推薦，鉸削余量為0.1～0.25 mm 之間。經(jīng)實(shí)驗(yàn)將雙邊鉸削余量控制在0.5～0.4 mm 之間，能穩(wěn)定地保證加工質(zhì)量。

2.2 進(jìn)給量的確定

鉸孔的表面粗糙度Ra值隨進(jìn)給量的增加而增大。但進(jìn)給量過小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致徑向摩擦力的增大，引起鉸刀顫動(dòng)，使孔的表面變粗糙［3］。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，進(jìn)給量取0.1～0.17 mm/r，效果最好。

2.3 切削速度

鉸削淬火鋼時(shí)，鉸削用量各要素對(duì)鉸孔的表面粗糙度均有影響，其中以鉸削速度影響最大。用圖2 所示鉸刀以不同切削速度加工圖1 所示的兩種套類零件，雙邊鉸削余量控制在0.5～0.4 mm，進(jìn)給量取0.1 mm/r，得到不同切削速度下的表面粗糙度值，如圖3 所示。

當(dāng)切削速度Vc＜30 m/min 時(shí)，切削時(shí)產(chǎn)生的溫度不會(huì)高于400 ℃，這時(shí)硬質(zhì)合金的硬度低于工件材料的硬度，刀具磨損嚴(yán)重，內(nèi)孔表面粗糙度值大。隨著切削速度的提高，淬火鋼溫度高于400 ℃，工件材料的強(qiáng)度開始下降，而硬質(zhì)合金刀具材料仍保持它原有的硬度。刀具磨損情況得到改善，內(nèi)孔表面粗糙度值得以減小。用硬質(zhì)合金切削淬火鋼正是充分利用這一特性。當(dāng)切削速度Vc≥50 m/min 時(shí)，內(nèi)孔表面粗糙度值將顯著地逐漸減小。如圖3 所示，要得到滿意的工件表面粗糙度，以切削速度Vc=50～90 m/min 為最好。但過高的切削速度，會(huì)降低硬質(zhì)合金刀具材料原有的硬度，進(jìn)而降低刀具耐用度。所以最佳的切削速度應(yīng)為Vc=50～60 m/min。

3 切削液

切削液的作用是冷卻和潤(rùn)滑。高速鉸孔的特點(diǎn)是強(qiáng)制切削和擠壓，在鉸削中會(huì)產(chǎn)生較高的溫度。切削液的冷卻作用是主要方面。而乳化液的冷卻效果比切削油好，又有一定的潤(rùn)滑作用［4］。采用極壓乳化油加水稀釋，配制成15%～20%濃度的極壓乳化液，可明顯改善鉸削效果，并能提高刀具耐用度。

4 工藝實(shí)踐

加工圖1 所示兩種套類零件的內(nèi)孔，年產(chǎn)量20 000件。原工藝為淬火后研磨內(nèi)孔。研磨工時(shí)長(zhǎng)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，且手工研磨內(nèi)孔的一致性不好。后改為直接磨到尺寸，但由于磨小孔用砂輪剛度差，線速度低，表面粗糙度經(jīng)常達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。返修率高達(dá)30%;磨小孔平均每件4 min，生產(chǎn)效率也達(dá)不到要求。以高速鉸孔代替磨削加工。經(jīng)多次試驗(yàn)，改進(jìn)了鉸刀結(jié)構(gòu)，確定了合理的工藝參數(shù)。現(xiàn)已加工15 000 件，鉸削小孔平均每件0.45 min，生產(chǎn)效率是是磨削的5倍。刀具耐用度為45 min。實(shí)踐證明用硬質(zhì)合金鉸刀鉸削，加工質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、操作簡(jiǎn)單，效果十分明顯。

5 結(jié)語

淬火鋼精密小孔的加工采用傳統(tǒng)磨削加工，生產(chǎn)效率低，加工質(zhì)量不易保證。金剛石、陶瓷、立方氮化硼等新型刀具的應(yīng)用雖日趨廣泛，但這些刀具耐沖擊韌性差，價(jià)格昂貴，并不完全適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用。通過試驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)有硬質(zhì)合金鉸刀進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和改進(jìn)，并選用正確的工藝參數(shù)，用高速鉸削的方法加工淬火鋼精密小孔，取得了較理想的加工效果。該方法在保證被加工孔的尺寸精度和表面粗糙度的前題下，既能滿足生產(chǎn)效率的要求，刀具耐用度也是可接受的。本例加工方案的確定盡管是個(gè)特例，但也反映了用硬質(zhì)合金刀具加工淬火鋼的一般規(guī)律。為以后研究此類課題提供了思路和依據(jù)。

［1］袁哲俊，劉華明.金屬切削刀具設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］艾興，肖詩(shī)綱.切削用量簡(jiǎn)明手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［3］太原市金屬切削刀具協(xié)會(huì).金屬切削實(shí)用刀具技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［4］彭海，張博.乳化型深孔切削液的切削試驗(yàn)與分析［J］.現(xiàn)代制造工程，2010(3).