電主軸高速鉆削不銹鋼微小孔

廣州航海學(xué)院船舶工程學(xué)院 (廣東 510725) 唐振宇

廣州市敏嘉制造技術(shù)有限公司 (廣東 511453) 謝政平

電主軸高速鉆削不銹鋼微小孔

廣州航海學(xué)院船舶工程學(xué)院 (廣東 510725) 唐振宇

廣州市敏嘉制造技術(shù)有限公司 (廣東 511453) 謝政平

隨著科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，不銹鋼材料被越來(lái)越廣泛應(yīng)用于航空、化工、建筑及食品等各行各業(yè)中。通常把含鉻量＞11.7%或含鎳量＞8%的合金鋼稱(chēng)為不銹鋼，按化學(xué)成分可分為鉻不銹鋼和鉻鎳不銹鋼。不銹鋼屬于難加工材料，與碳鋼相比，其加工性能表現(xiàn)為塑性大、粘附性強(qiáng)、表面硬化嚴(yán)重、切削熱大、尺寸精度和表面粗糙度難以保證等，而不銹鋼小孔尤其難加工。微小孔一般定義為直徑為0.5～3.0 mm，長(zhǎng)度數(shù)倍于孔徑尺寸的小孔。不銹鋼微小孔鉆削屬于半封閉式加工，排屑困難，加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，切削溫度高，鉆頭磨損嚴(yán)重。在鉆床、數(shù)控銑床和加工中心上采用普通高速鋼麻花鉆鉆削時(shí)，容易出現(xiàn)鉆頭易折斷、排屑不暢、切削熱大等問(wèn)題。因此不銹鋼小孔鉆削必須有適合其特點(diǎn)的加工要素，以適應(yīng)數(shù)控機(jī)床自動(dòng)加工的要求，提高加工效率和刀具壽命。

1.高速電主軸不銹鋼鉆削試驗(yàn)

采用鉆削電主軸進(jìn)行項(xiàng)目試驗(yàn)是本研究的關(guān)鍵。電主軸的變速范圍由變頻交流電動(dòng)機(jī)控制，具有調(diào)速范圍寬、響應(yīng)快、速度高等優(yōu)點(diǎn)。在鉆削難加工不銹鋼材料時(shí)，可根據(jù)不同的材料性能、加工要求，快速地選擇合理的切削用量。根據(jù)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于主軸系統(tǒng)的固有角頻率時(shí)，能夠提高主軸旋轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，起到自動(dòng)對(duì)心的作用，可提高鉆孔的入鉆定位精度。鉆削電主軸具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、振動(dòng)小，主軸跳動(dòng)精度高等優(yōu)點(diǎn)，明顯提高了鉆孔的加工精度和表面質(zhì)量 (如表面粗糙度和圓度)。電主軸是機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)、實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”的一種高速主軸。

(1)不銹鋼鉆削試驗(yàn) 試驗(yàn)平臺(tái)為德國(guó)DMU60T高速加工中心 (選用 SFM3542B—12/0.4TMP的電主軸，其額定功率為400 W，最高轉(zhuǎn)速為12000 r/min，轉(zhuǎn)速可在0～12000 r/min之間調(diào)速)、加速度傳感器、YDM―Ⅲ99測(cè)力儀、電荷放大器和計(jì)算機(jī)等組成，如圖1所示。鉆削試驗(yàn)的工件為3 mm厚不銹鋼板1Cr18Ni9Ti，試驗(yàn)中對(duì)該工件鉆削1.2 mm通孔，在試驗(yàn)平臺(tái)上采用單因素法，只改變鉆頭材料、進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速其中一個(gè)因素，進(jìn)行鉆削力和轉(zhuǎn)矩的試驗(yàn)，YDM―Ⅲ99型整體式測(cè)力儀可以測(cè)量X、Y和Z向切削分力，同時(shí)測(cè)力儀的力信號(hào)運(yùn)用計(jì)算機(jī)里的測(cè)力儀集成軟件處理后，可以得到切削力、轉(zhuǎn)矩等相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此探討切削力、切削功率等規(guī)律。鉆削試驗(yàn)參數(shù)如附表所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2、圖3所示。

圖1 不銹鋼鉆孔試驗(yàn)平臺(tái)

鉆削試驗(yàn)參數(shù)表

圖2 切削力F與鉆削速度v的關(guān)系

圖3 轉(zhuǎn)矩M與鉆削速度v的關(guān)系

(2)試驗(yàn)結(jié)果及分析 ①鉆頭材料的影響。在圖2和圖3中給出了采用直徑為1.2 mm的硬質(zhì)合金鉆頭和含鈷高速鋼鉆頭鉆削不銹鋼板，在不同進(jìn)給量下 F—v和 M—v的關(guān)系。經(jīng)分析可知，不銹鋼1Cr18Ni9Ti鉆削的切削力F和轉(zhuǎn)矩M隨著鉆頭材料的不同會(huì)出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的變化，使用含鈷高速鋼鉆頭的F和M分別比硬質(zhì)合金鉆頭大7%～25%和10%～40%。究其原因是，硬質(zhì)合金鉆頭比含鈷高速鋼鉆頭具有更好的導(dǎo)熱性和耐熱性、更高的硬度和剛度。隨著鉆頭材料硬度和剛度的提高，其切削力F和轉(zhuǎn)矩M也會(huì)相應(yīng)地減小。②進(jìn)給量f的影響。由圖2、圖3可知，鉆削不銹鋼1Cr18Ni9Ti時(shí)，F(xiàn)和M均隨著f增大而增大。究其原因是，隨著f的增大，切削刃的切削厚度成正比增大，切削面積也相應(yīng)地增大，因此F和M增大。不論是采用硬質(zhì)合金或是含鈷不銹鋼鉆頭，F(xiàn)和M隨著f增大而增大的趨勢(shì)均是一致的。③鉆削速度 v的影響。由圖2、圖3給出的1Cr18Ni9Ti鉆削試驗(yàn)F—v和M—v的關(guān)系分析，F(xiàn)和M均隨著 v的增大而增大;當(dāng) v＞34 m/min、f＞0.05 mm/r時(shí)，F(xiàn)和M增大的趨勢(shì)更加明顯。究其原因是，隨著切削速度和進(jìn)給量的提高，鉆削過(guò)程中產(chǎn)生的鉆屑跟鉆頭發(fā)生粘結(jié)，使得排屑不暢，引起F和M的急劇增大。鉆削后工件如圖4所示，可以看出，當(dāng)v=34 m/min、f=0.1 mm/r時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的排屑不暢，使得鉆孔穿孔時(shí)帶有明顯的飛邊和毛刺。

圖4 鉆孔后的工件

2.不銹鋼小孔鉆削的工藝對(duì)策

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)不銹鋼小深孔鉆削的難點(diǎn)，結(jié)合不銹鋼小孔加工的特點(diǎn)，提出以下工藝對(duì)策。

(1)鉆頭材料的選擇 常用的刀具材料有硬質(zhì)合金和高速鋼兩大類(lèi)。因高速鋼切削不銹鋼時(shí)的切削速度不高，影響了加工效率的提高，但高速鋼比硬質(zhì)合金的成本低，耐沖擊韌性強(qiáng)，所以目前大多數(shù)小孔鉆削加工還采用高速鋼刀具。硬質(zhì)合金刀具材料主要有YG(鎢鈷)類(lèi)、YT(鎢鈷鈦)類(lèi)和YW通用類(lèi)。YG類(lèi)和YT類(lèi)硬質(zhì)合金的導(dǎo)熱性、耐磨性、耐熱性及硬度方面都較好，適合不銹鋼材料的切削。正因?yàn)橛操|(zhì)合金刀具在耐熱性、硬度上都優(yōu)于高速鋼，其對(duì)不銹鋼小孔加工的鉆削力小，鉆削溫度較低，易切削。因此，為解決鉆頭直徑小、易斷的問(wèn)題，提高小直徑鉆頭的硬度和剛度，降低其鉆孔加工的鉆削力，可選用高性能硬質(zhì)合金鉆頭。

(2)合理的切削用量 小直徑孔的加工如果仍采用傳統(tǒng)的低速鉆削方式，據(jù)切削加工理論分析，會(huì)出現(xiàn)單位時(shí)間內(nèi)材料的切除率非常低，造成切削加工時(shí)間長(zhǎng)，加工效率低等。切削速度對(duì)鉆削溫度和鉆頭壽命的影響最大，進(jìn)給量次之，吃刀量影響最小。因此采用高速電主軸的鉆削加工方式對(duì)不銹鋼進(jìn)行小孔加工，選擇合理的切削用量非常重要。

(3)適當(dāng)?shù)那邢饕?針對(duì)不銹鋼鉆削加工切削熱的問(wèn)題，實(shí)踐中常采用合理的切削液來(lái)解決。本試驗(yàn)中選用添加了極壓物質(zhì)SP的極壓乳化液與水按重量比1∶20混合而成的切削液，該切削液潤(rùn)滑性能好，滲透能力強(qiáng)，特別適合不銹鋼小孔鉆削加工。常用于加工不銹鋼的切削液還有硫化油、硫化豆油、煤油加油酸或植物油、四氯化碳加礦物油、極壓乳化液等。

(4)采用步進(jìn)鉆孔加工工藝 針對(duì)深孔鉆孔排屑困難和易斷屑的加工問(wèn)題，采用步進(jìn)鉆孔的方法即啄孔的方式來(lái)解決。步進(jìn)鉆削是一種非常有效的小深孔加工手段，由于鉆頭反復(fù)回退需消耗大量時(shí)間，加工效率偏低，試驗(yàn)也證明選擇高速電主軸高切削速度切削下，可以適當(dāng)增加切削進(jìn)給量，提高加工效率。

20140321)