不同鉆尖角下不銹鋼鉆削性能研究

尤鳳青，吳燕，崔西亮，王永國(guó)

（1.上海大眾動(dòng)力總成有限公司，上海 201807；2.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院，上海 200072）

0 引言

通常把含鉻量大于12%或含鎳量大于8%的合金鋼稱為不銹鋼［1］。不銹鋼材料在航空、航天、石油、汽車、化工、建筑等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用，但是由于其屬于難加工材料，出現(xiàn)切削塑性大，易產(chǎn)生加工硬化，加工效率低下等現(xiàn)象，這一直是存在不銹鋼材料加工中的問題。由于添加了Cr、Mo、Ni、Ti 等元素，使得不銹鋼材料具有良好的焊接、抗沖擊、耐高溫、耐化學(xué)品腐蝕和大氣腐蝕的性能。生產(chǎn)實(shí)踐中，鉆削是很常見的不銹鋼加工方法［2］。但由于鉆頭在不銹鋼材質(zhì)的孔加工中不容易斷屑，使其耐用度低，生產(chǎn)效率低［3］，因此鉆削過(guò)程中合理選用切削用量，降低鉆頭的磨損程度，對(duì)斷屑和排屑進(jìn)行研究具有十分重要的意義。目前，關(guān)于鉆頭的研究主要集中于鉆削過(guò)程控制、鉆頭制造工藝、鉆削磨損機(jī)理等方面［4-5］，而對(duì)于鉆頭幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)(鉆尖角)與鉆削性能關(guān)系的研究則比較少。目前在鉆尖角研究方面比較有代表性成果的是A.Sofronas［6］提出的基于調(diào)整和優(yōu)化鉆尖角、進(jìn)給速度、螺旋角、塑性剪切強(qiáng)度及鉆頭直徑，從而控制出口毛刺形態(tài)尺寸的模型。

鉆尖角是鉆頭兩主切削刃在中剖面上投影的夾角，鉆尖角的大小直接關(guān)系到鉆頭主刃偏角的大小。因此，主切削刃的長(zhǎng)度、單位刃長(zhǎng)的切削負(fù)荷、切削層中切削寬度與切削厚度的比例、切削力中軸向力與切向力（轉(zhuǎn)矩）的比例、主切削刃前角的大小、切屑形成與排屑的情況以及外緣轉(zhuǎn)點(diǎn)的散熱條件等都受到鉆尖角的影響。在鉆頭的設(shè)計(jì)和使用中，鉆尖角是一個(gè)十分重要而且變化范圍很大的角度。通常情況下，一般選用鉆尖角118°，但在實(shí)際加工中，需要根據(jù)工件材料、排屑形狀以及工件的幾何形狀來(lái)正確選擇［7］。當(dāng)鉆削高強(qiáng)度鋼或高合金鋼時(shí)，鉆頭會(huì)在孔中卡住并與孔壁產(chǎn)生摩擦而導(dǎo)致熱量增高。通過(guò)增大鉆尖角（本文選用120°，140°，160°）可以減少孔壁與鉆頭的摩擦。

本文在基于鉆削實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選用3 種不同鉆尖角的鉆頭（120°，140°，160°）鉆削高強(qiáng)度不銹鋼。主要研究在不銹鋼鉆削過(guò)程中不同鉆尖角下切屑形貌的變化趨勢(shì)，進(jìn)行不同進(jìn)給、切削速度和鉆尖角下軸向力和鉆削轉(zhuǎn)矩的對(duì)比分析。

1 實(shí)驗(yàn)條件及內(nèi)容

鉆削實(shí)驗(yàn)在GROB GM4057/01 數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行，選擇鉆尖角為120°、140°、160°的硬質(zhì)合金鉆頭各一支，見圖1。工件材料選用高強(qiáng)度不銹鋼0Cr18Ni11Ti，該不銹鋼的相對(duì)加工性為kv=0.05～3.0，由此可知它是一種難加工材料。0Cr18Ni11Ti 的化學(xué)成分見表1［8］，實(shí)驗(yàn)條件見表2。

圖1 不同鉆尖角的鉆頭圖片

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同鉆尖角下的切屑形貌分析

不銹鋼材料的塑性大、韌性高，切屑不易折斷，常纏繞在鉆頭上，排屑、斷屑是不銹鋼鉆削的主要問題之一。圖2～圖4 所示為硬質(zhì)合金鉆頭鉆尖角從120°～140°、再到160°時(shí)，鉆削過(guò)程中切屑的變形過(guò)程。從圖中可以看出，隨著鉆尖角的增大，出口毛刺明顯減輕，加工殘余變少，鉆削質(zhì)量得到很大改善。當(dāng)鉆尖角較小時(shí)，鉆頭的定心性能較好，但是排屑性能差，切屑不可避免地發(fā)生阻塞，而當(dāng)鉆尖角增大到160°時(shí)，切屑立刻沿螺旋溝滑移并迅速排出孔外。這主要是因?yàn)殂@尖角小時(shí)，切屑薄且寬，不易折斷，這些切屑絲在高速旋轉(zhuǎn)的鉆頭作用下，極易形成纏絲，切屑不容易排出。隨著鉆尖角的增大，切屑的厚度和寬度隨之增大，從而使斷屑更加容易。隨著圖2 到圖4 鉆尖角的不斷增大，飛出的切屑完整性高，變得更加光滑，這也與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際加工情況相吻合。綜上所述，增大鉆頭鉆尖角，可以抑制被加工孔的出口部位毛刺，切屑更加平整光滑，完整性增高，并且加工質(zhì)量得到很大的改善。

表1 不銹鋼（0Cr18Ni11Ti）的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%

表2 實(shí)驗(yàn)條件

圖2 鉆頭鉆尖角120°時(shí)切屑變形過(guò)程

圖3 鉆頭鉆尖角140°時(shí)切屑變形過(guò)程

圖4 鉆頭鉆尖角160°時(shí)切屑變形過(guò)程

2.2 鉆削過(guò)程中軸向力和轉(zhuǎn)矩分析

由金屬切削理論可知，鉆尖角增大，進(jìn)給抗力的軸向分力越大，徑向分力越小。圖5、圖6 分別為進(jìn)給抗力（軸向力和鉆削轉(zhuǎn)矩）與切削速度、進(jìn)給、刀尖角的關(guān)系圖。從圖中可以看出，在相同的切削條件下，隨著鉆尖角的增大，鉆削軸向力增大，而鉆削轉(zhuǎn)矩相應(yīng)地減小。這是因?yàn)殡S著鉆尖角的增大，切削刃變短，鉆頭承受的轉(zhuǎn)矩變大。小的鉆尖角，其排屑空間變小，切屑的排出性能低下，切屑容易發(fā)生堵塞，從而導(dǎo)致軸向力增大。鉆削過(guò)程中，隨著鉆尖角的增大，切削厚度增大，切削過(guò)程中的帶狀切屑有向節(jié)狀切屑過(guò)渡的趨勢(shì)，有利于減少纏卷現(xiàn)象。而切屑沿著鉆頭的中心方向排出，切屑的流向與切削刃呈90°，切屑的流向速度Vc在鉆頭中心線方向的分速度Vn=Vcsinη，隨著半頂角（鉆尖角的1/2）η 的增大，Vn增大。當(dāng)2η=120°時(shí)，分速度Vn小，切屑相對(duì)來(lái)說(shuō)容易堵塞；當(dāng)2η=140°時(shí)，Vn更大，切屑更容易沿著螺旋槽方向滑移，并迅速排出孔外。鉆尖角小，軸向抗力變小，徑向抗力變大，不利于鉆相貫孔，不利于在斜面鉆孔。綜上，鉆尖角增大，鉆削軸向力增大，鉆削轉(zhuǎn)矩減小，加工殘余量變少，所以選擇160°鉆尖角。

從圖5 可以看出，在相同的切削速度和鉆尖角下，隨著進(jìn)給量從0.15 mm/r 增大到0.25mm/r 時(shí)，鉆削過(guò)程的軸向力會(huì)增大；在相同的進(jìn)給和鉆尖角下，隨著切削速度從60 m/min 增大到90 m/min 再到120 m/min，軸向力有減小的趨勢(shì)。從圖6看出，在相同的切削速度和鉆尖角下，隨著進(jìn)給量從0.15 mm/r 增大到0.25 mm/r 時(shí)，鉆削轉(zhuǎn)矩增大；在相同的進(jìn)給和鉆尖角下，隨著切削速度從60 m/min 增大到90 m/min再到120 m/min，鉆削轉(zhuǎn)矩有增大的趨勢(shì)。盡管鉆削轉(zhuǎn)矩隨著切削速度的增大而提高，但是軸向力隨著切削速度增大而減小，所以，提高切削速度、降低進(jìn)給將會(huì)達(dá)到最好的切削效果。綜上分析，在切削速度為120 m/min，進(jìn)給量為0.15 mm/r，刀尖角為160°時(shí)，鉆削過(guò)程達(dá)到最佳的狀態(tài)。

圖5 軸向力與切削速度、進(jìn)給、鉆尖角的關(guān)系圖

圖6 鉆削扭矩與切削速度、進(jìn)給、鉆尖角的關(guān)系圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同鉆尖角下不銹鋼(0Cr18Ni11Ti)鉆削性能研究，可得出以下結(jié)論：

1）增大鉆頭鉆尖角，飛出切屑完整性高，同時(shí)可以抑制被加工孔的出口部位毛刺，切屑更加的平整光滑，加工質(zhì)量得到很大的改善。

2）在相同的切削條件下，隨著鉆尖角的增大，鉆削軸向力增大，鉆削轉(zhuǎn)矩減小，加工殘余量變少。

3）提高周速度，降低進(jìn)給將會(huì)達(dá)到最好的切削效果。在切削速度為120 m/min，進(jìn)給量為0.15 mm/r，鉆尖角為160°時(shí)，鉆削質(zhì)量達(dá)到最佳的狀態(tài)。

［1］閆鵬飛.不銹鋼鉆削加工有限元仿真及實(shí)驗(yàn)研究［D］.沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2010.

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