3Cr13馬氏體不銹鋼小深孔加工技術(shù)研究

劉世彬 陳 華 溫 露

(二重(德陽)重型裝備有限公司，四川618000)

軸頭圓盤上的小深孔加工是公司重點項目主要零部件的關(guān)鍵制造技術(shù)之一。零件材質(zhì)為3Cr13馬氏體型不銹鋼，熱處理調(diào)質(zhì)硬度≥300HBW，具有較高的強度、硬度和耐磨性，切削加工性較差，屬難切削加工材料。

深孔加工是機械加工中的關(guān)鍵工序之一，技術(shù)含量高、加工難度大、過程復(fù)雜、工作量大，而高硬度、高強度難加工材料的深孔加工，對深孔加工的質(zhì)量、效率、刀具耐用度都提出了更高的要求。

圖1 軸頭圓盤小深孔結(jié)構(gòu)簡圖Figure 1 Structure of spindle head disc small deep hole

1 不銹鋼小深孔的加工特點

深孔加工是在封閉或半封閉的空間內(nèi)進行的，由于孔深，觀察不便，鉆削條件復(fù)雜，鉆頭散熱條件差、強度低、冷卻潤滑及排屑困難，導(dǎo)致加工過程中鉆頭磨損嚴重，粘結(jié)堵塞，甚至出現(xiàn)鉆頭折斷、孔軸線偏斜、表面產(chǎn)生螺旋溝槽等問題；同時不銹鋼材料具有切削抗力大、塑性大、加工硬化嚴重、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點，大大增加了不銹鋼小深孔加工的難度，直接影響深孔加工的質(zhì)量和效率。

不銹鋼小深孔的主要加工難點如下：

(1)鉆削系統(tǒng)剛性差，加工精度難以控制

深孔孔徑小、深度深，長徑比可達100∶1以上，鉆削系統(tǒng)的刀桿細長、撓度大、強度低，加工過程顫動變形大，極易產(chǎn)生孔軸線偏移、孔壁波紋、孔口錐度及橢圓孔，造成所加工孔的直線度、圓柱度誤差較大，尺寸誤差大，孔表面粗糙度低。

(2)刀具磨損嚴重，耐用度低

深孔加工鉆頭工作環(huán)境封閉，切削液很難到達切削區(qū)，鉆頭工作條件比較惡劣，刀具冷卻、散熱、潤滑條件差，加劇刀具磨損；不銹鋼材料導(dǎo)熱系數(shù)低，切削區(qū)局部溫度高，加劇刀具材料氧化；在高溫、高速、高壓切削區(qū)，工件材料中的合金元素與刀具材料中的硬化物(如碳化鎢、碳化鈦、碳化氮等)、硬質(zhì)合金粘結(jié)劑(如鈷、鎳、鉬等化學元素)發(fā)生化學反應(yīng)，具有較強的親和力，刀具材料中的硬質(zhì)物被破壞，發(fā)生粘結(jié)磨損、化學磨損、擴散磨損；不銹鋼中高硬度碳化物(如TiC)微粒與刀頭產(chǎn)生強烈摩擦，同時伴隨加工硬化現(xiàn)象，加劇刀具磨損；不銹鋼材料顯著的塑性變形導(dǎo)致孔的表面強度、硬度均有很大提高，加工表面急劇硬化，切削抗力增大，刀具磨損加快。

(3)切削區(qū)溫度高，刀具切削性能降低

深孔鉆削加工過程中產(chǎn)生的切屑塑性變形大，工件與刀具之間的摩擦熱、切屑形變熱的70%～80%轉(zhuǎn)化為切削熱，使導(dǎo)熱系數(shù)低(約為45鋼的12～14)的不銹鋼產(chǎn)生的切削熱都集中在切削區(qū)和刀-屑接觸的界面上；深孔鉆削產(chǎn)生的鐵屑僅能帶走切削熱的35%～45%，大部分切削熱集中在切削區(qū)，不易擴散、熱量集中易過熱，刃口局部溫度可達600～630℃，導(dǎo)致刀具的切削性能降低。

(4)材料的線膨脹系數(shù)大，孔徑收縮量大

不銹鋼的線膨脹系數(shù)約為碳鋼的1.5倍，加工時切削熱引起孔徑增大，冷卻后孔徑收縮，尺寸一致性差，導(dǎo)致孔徑超差或未進差。

(5)切屑不易排出，易堵塞損傷已加工表面。

由于孔深，鐵屑易纏繞堵塞，造成鉆頭崩刃；不銹鋼材料韌性好，塑性大(約為45鋼的1.5倍)，切削加工硬化嚴重，硬化層深度達切削層深度的13以上，切屑難折斷形成短螺旋狀，纏繞在鉆頭和鉆桿上，刮傷已加工的工件表面。

(6)加工過程不能直接觀察

鉆削時難以直接觀察切削狀況，要判斷切削加工過程是否正常，主要依靠機床操作者的個人經(jīng)驗，采取聽鉆削聲音、看排出切屑的形態(tài)、觀察機床負荷及壓力表、觸摸鉆桿振動等方法綜合分析評判。

2 加工方案分析

針對3Cr13不銹鋼類零件小深孔加工，結(jié)合深孔加工的特點和馬氏體不銹鋼的難切削加工性，從刀具類型、刀具幾何角度、切削用量、切削液等方面深入研究，解決不銹鋼小深孔加工中存在的難題。

2.1 刀具類型

針對直徑

普通加長麻花鉆適用于碳素鋼類硬度適中、精度要求不高的孔加工。在生產(chǎn)實踐中，為保證切屑順利排出，采用“啄擊”法加工，需多次往復(fù)進退加工、排屑，鉆頭易折斷，加工效率較低，孔軸線易偏斜，尺寸精度低，表面粗糙。

槍鉆適用于硬度較高、精度要求較高或特殊材料如不銹鋼類、高溫合金類零件的深孔加工，該方法一次鉆削就能獲得良好的尺寸精度和低的表面粗糙度，所加工孔的長徑比可達100，尺寸精度達IT7～IT9級，表面粗糙度可達到Ra0.4～3.2 μm。

2.2 刀具角度

槍鉆采用外排屑法，高壓切削液從槍鉆內(nèi)孔注入切削區(qū)，冷卻鉆頭將鐵屑從V型槽排出，適于鉆削直徑

槍鉆最重要的幾何參數(shù)是其內(nèi)角α和外角β，見圖2。內(nèi)、外刃的主偏角對切削刃的受力狀態(tài)、刀尖強度、斷屑及排屑、切屑形成、孔的精度和表面粗糙度有著密切的關(guān)系。

圖2 槍鉆頭部角度示意圖Figure 2 Angle of gun drill head

一般標準型槍鉆頭部的鉆尖偏心量e=A=D4，由于內(nèi)刃切削速度較低，鉆尖切削狀況復(fù)雜，為防止鉆孔軸線偏移，要保證外刃徑向力等于或略大于內(nèi)刃徑向力，合力作用于導(dǎo)向塊上，必須使β>α。加工一般材料時A=D4，β=20°～40°，α=15°～30°，適合于多數(shù)常規(guī)材料的加工，具有通用性，而對于不銹鋼類零件則切削加工較困難。

針對不銹鋼的難切削加工性，外角β和內(nèi)角α宜選取較大的角度值，角度增大，切削刃寬度增加，切屑變薄，易形成一定長度的螺旋卷曲狀切屑；隨著角度的增加，螺旋卷狀切屑的“螺距”增大，易形成小“直徑”切屑；角度增大，鉆尖越鋒利，便于內(nèi)、外刃分屑，為外切削刃在有限的空間內(nèi)將切屑卷曲折斷形成短螺旋狀小切屑創(chuàng)造了有利條件，利于V型槽排屑和提高表面光潔度；隨著切削刃加長，單位長度上的切削負荷降低，從而提高刀具的耐用度；選擇后角要適中，太小會黏刀，太大會崩刃，加工實踐經(jīng)驗表明，后角宜選取12°～15°。槍鉆的幾何角度見圖3。

圖3 槍鉆頭部幾何角度Figure 3 Geometric angle of gun drill head

槍鉆鉆頭的幾何形狀(見圖4)決定了鉆削深度和鉆孔表面光潔度，鉆頭外形與其磨削角度必須與加工工件材質(zhì)相匹配。

圖4 槍鉆外形截面參數(shù)示意圖Figure 4 Section parameters of gun drill

槍鉆頭部倒錐的選擇既要考慮被加工零件的精度，也要盡量延長刀具使用壽命。槍鉆頭部磨削出0.04%～0.08%的微小倒錐，減小槍頭與孔壁間的摩擦阻力，減少切削熱；形成冷卻潤滑膜，減小鉆頭導(dǎo)向塊和切削刃表面的磨損。

在切削刃外側(cè)，留一條與鉆頭軸線平行的狹窄圓柱面，俗稱刃帶(或定徑刃)，刃帶寬度La太小，易磨損；太大，增加摩擦阻力，通常取La=0.25～0.35 mm，定徑刃對孔壁有修光作用；定徑刃后角α取12°～30°，可改善定徑刃的冷卻潤滑作用。

在外刃與邊刃的交界處磨出過渡刃，避免外刃拐角處發(fā)生崩刃，提高槍鉆使用壽命，同時微小過渡刃也會提高加工表面光潔度。

2.3 切削用量

主要根據(jù)刀具材料、被加工材料選擇切削用量，另外還與切削加工過程、切屑形態(tài)、孔的精度指標和加工設(shè)備特性等因素有關(guān)。

為提高槍鉆耐用度及排屑順暢，需要選擇合理的進給量和切削速度。進給量過大，切削變形抗力和摩擦力大，導(dǎo)致鉆頭崩刃、鉆桿振動、彎曲甚至扭斷等非正常破壞，孔表面粗糙度差、尺寸精度差、切屑排出不暢；進給量過小，不銹鋼材料粘性較大，不易斷屑，未折斷的切屑纏繞在刀尖和鉆桿上，刮傷已加工孔的表面，加劇刀具破損甚至扭斷鉆頭、鉆桿，無法進行正常鉆削加工。

切削速度高，切削熱量大，刀具易燒傷，強度降低，降低刀具的使用壽命；切削速度低，刀具與工件間的擠壓作用明顯，加工效率低，表面粗糙。

(1)切削速度

主要根據(jù)刀具材料選取與被加工材料相匹配的切削速度，另外還需綜合考慮鉆頭耐用度、機床轉(zhuǎn)速等因素。硬質(zhì)合金槍鉆的推薦切削速度見表1，選取切削速度v=50～70 mmin。

表1 硬質(zhì)合金槍鉆切削用量Table 1 Cutting amount of hard alloy gun drill

(2)進給量

主要根據(jù)鉆削刀具、工件、加工設(shè)備等系統(tǒng)的剛性、強度選取與被加工材料相匹配的進給量，另外還需綜合考慮加工表面質(zhì)量、尺寸精度要求、排屑效果、切削液性能等因素。硬質(zhì)合金槍鉆的推薦進給量見表1，選取進給量f=0.01～0.032 mmr。

2.4 切削液

在深孔加工中，切削液主要起排屑、冷卻和潤滑作用。由于不銹鋼的塑性大、加工硬化現(xiàn)象明顯，切削抗力很大，刀具與切屑之間產(chǎn)生很大的擠壓力，給導(dǎo)向塊支撐油膜的壓力很大，加劇了槍鉆磨損，因而需要選擇潤滑性能良好的切削液。

槍鉆加工一般選用活性非水溶性切削液，對孔有特定精度要求時，添加適量的活性添加劑。實踐表明，切削液中活性硫的質(zhì)量百分數(shù)低于5%時，孔的擴大量可達0.02～0.05 mm，加工尺寸誤差可達0.03～0.06 mm，變化較明顯；當活性硫質(zhì)量百分數(shù)達10%時，可加工出誤差≤0.02 mm的精密孔，且無擴張現(xiàn)象。

綜合考慮分析，選用10%～15%的水溶性切削液，壓力3～3.5 MPa，流量60～65 Lmin。

3 方案實施

(1)裝卡分度：采用?1000 mm數(shù)控分度頭裝卡、分度。

(2)刀具選用：選用YG類硬質(zhì)合金涂層槍鉆。

(3)切削用量：切削速度v=50～70 mmin，進給量f=0.01～0.032 mmr。

(4)引導(dǎo)孔精度：圓盤外圓單面留有余量5 mm，在孔的對應(yīng)部位銑一小平面，采用專用定心鉆加工引導(dǎo)孔，引導(dǎo)孔公差0～+0.02 mm，深度20 mm，表面粗糙度Ra1.6 μm。

(5)切削過程控制：加工過程中根據(jù)排出的鐵屑形狀、鉆削加工的聲音、機床振動的劇烈程度、設(shè)備負荷及壓力表示值變化等因素，綜合分析判斷切削是否正常，并及時調(diào)整切削參數(shù)。

采用上述工藝方案，圓滿完成了軸頭圓盤上的不銹鋼小深孔加工，加工后檢測數(shù)據(jù)表明，尺寸精度指標達到圖紙要求，見表2。

表2 孔徑檢驗數(shù)據(jù)Table 2 Verification data of hole diameter

4 結(jié)語

針對不銹鋼材料小深孔的難加工特性，從刀具選用、幾何角度、切削用量和切削液等方面進行分析研究，結(jié)合?200數(shù)控落地鏜床的特性，制定合理的加工工藝方法，完成了公司重點項目關(guān)鍵組件的關(guān)鍵工序小深孔加工，取得了很好的效果，為產(chǎn)品的批量化、高效、高精度加工奠定了基礎(chǔ)。