復(fù)合材料結(jié)合界面深長(zhǎng)盲孔的加工

中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司 湖南長(zhǎng)沙 410000

1 序言

機(jī)械行業(yè)零部件結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，具有深孔(孔深與孔徑比＞5）的產(chǎn)品數(shù)量也隨之增加。在車削、銑削等機(jī)加工過(guò)程中，加工區(qū)域通常具有較大的排屑空間，可以確保切屑的順利排出。但是在鉆孔過(guò)程中，尤其是深孔鉆削，沒(méi)有足夠的排屑空間，極容易引起堵屑或折斷鉆頭；同時(shí)鉆花長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，鉆花剛度急劇下降，導(dǎo)致加工精度低、表面粗糙質(zhì)量差等問(wèn)題。

目前，多種工藝運(yùn)用于深孔加工中。傳統(tǒng)加工中，主要通過(guò)對(duì)加工區(qū)域的冷卻、排屑進(jìn)行優(yōu)化，從而提高深孔加工的效率和質(zhì)量。如槍鉆、BTA鉆、雙管噴吸鉆、DF系統(tǒng)、SIED技術(shù)和MQL冷卻技術(shù)（見(jiàn)圖1）等。除傳統(tǒng)機(jī)械加工外，利用熱、超聲等能量去除材料也可以實(shí)現(xiàn)深孔加工，例如放電加工（EDM）、激光鉆孔、電子束鉆孔和超聲加工（見(jiàn)圖1）等。雖然特種加工技術(shù)可用于加工極硬和高強(qiáng)度的材料，但在零件孔徑和深度方面具有局限性，在長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)過(guò)程中，需要采用專用機(jī)械來(lái)提高鉆孔質(zhì)量。

圖1 深孔加工技術(shù)

在實(shí)際生產(chǎn)中，尤其是大型零部件的深孔加工，大加工量容易使刀具負(fù)載增加，加劇刀具的磨粒磨損和粘接磨損。實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，工藝路線的差異也會(huì)對(duì)深孔加工質(zhì)量產(chǎn)生極大的影響，尤其對(duì)復(fù)合材料結(jié)合界面進(jìn)行加工時(shí)，刀具受力不均會(huì)加劇深孔質(zhì)量的惡化。與此同時(shí)，大型法蘭類零件一般采用鏜銑床加工，目前應(yīng)用成熟的深孔加工方案并不適用于此類零件的加工?；谏鲜鰡?wèn)題，通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的調(diào)研，分析各個(gè)因素對(duì)某復(fù)合材料大型零部件的結(jié)合界面處深孔加工質(zhì)量影響的顯著性，在對(duì)加工刀具進(jìn)行改造的同時(shí)考慮工藝路線的影響，并跟蹤和分析新方案對(duì)大型零部件深孔加工質(zhì)量的影響。

2 深孔加工工藝分析

2.1 用途及加工要求

該零件是某大型工程設(shè)備中主驅(qū)動(dòng)部分的傳動(dòng)部件，其通過(guò)零件上的若干個(gè)深長(zhǎng)內(nèi)安裝銷軸來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞。零件上深長(zhǎng)盲孔的加工質(zhì)量直接影響著定位銷軸的安裝精度，進(jìn)而制約設(shè)備的工作效率以及壽命。零件實(shí)物如圖2所示，加工參數(shù)見(jiàn)表1。

圖2 零件實(shí)物

表1 加工參數(shù)

深孔的加工位置處于兩種不同材料的結(jié)合界面處，材料加工特性的差異會(huì)對(duì)深孔的加工產(chǎn)生不可忽視的影響。兩種材料的力學(xué)性能見(jiàn)表2。通過(guò)表2可知：42CrMo屬于超高強(qiáng)度鋼，具有高強(qiáng)度和韌性；而40CrNiMo相比42CrMo在強(qiáng)度、韌性方面都有所降低，但硬度有所增加。

表2 材料力學(xué)性能

2.2 加工受力分析

對(duì)深長(zhǎng)盲孔加工狀態(tài)進(jìn)行模型分析，如圖3所示。法蘭和花鍵材料分別為42CrMo和40CrNiMo，加工過(guò)程中通過(guò)夾具將二者貼緊壓實(shí)。由圖3a可得如下關(guān)系見(jiàn)式（1） 。

式中，F(xiàn)f為作用在鉆頭切削刃上的總軸向力（N）；Ffo為切削刃上的軸向分力（N）；FfΨ為橫刃上的軸向力（N）；Ffo1為摩擦軸向力（N）。

鉆削力Fco、Fcx、和Fco1分別產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩MFco、MFcΨ和MFco1，工件、鉆頭和切屑之間的摩擦力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為Mf。在均質(zhì)材料中，當(dāng)切削刃、橫刃和刃帶相對(duì)于鉆頭軸線為對(duì)稱分布時(shí),力Fpo、FpΨ和Fpo1彼此相互補(bǔ)償，力2Ffo阻止鉆頭切削金屬。當(dāng)左右兩邊材料不同時(shí)，材料的變形抗力不同，鉆頭左右兩側(cè)的Fpo與Ffo不相同，刀具需要額外的偏轉(zhuǎn)來(lái)消除這種差異，從而達(dá)到受力平衡，因此刀具的偏轉(zhuǎn)直接影響了深孔加工的質(zhì)量。

圖3 模型分析

該材料的加工工藝為：點(diǎn)鉆→引鉆→鉆孔→擴(kuò)孔→鉸孔。先點(diǎn)孔，用小直徑鉆頭引孔后再用稍大直徑鉆頭鉆至設(shè)計(jì)孔深；其次采用較大直徑鉆頭擴(kuò)鉆至設(shè)計(jì)孔深，最后用與孔公稱直徑相同的高速鋼鉸刀擴(kuò)孔至符合要求的直徑。采用該工藝加工某大型零件的深長(zhǎng)孔合格率僅為6%，且極容易出現(xiàn)刀具燒傷和折斷，如圖4所示。

圖4 刀具燒傷和折斷

3 加工影響因素

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的加工工藝流程，將影響該零件深孔加工質(zhì)量的因素歸納為：操作人員技能水平、操作人員責(zé)任意識(shí)、刀具的性能和剛性、加工設(shè)備精度、加工工藝和加工設(shè)備冷卻能力。調(diào)取同一臺(tái)加工設(shè)備的加工記錄分析各影響因素的顯著性，各因素影響水平見(jiàn)表3。參照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理，選擇8種組合條件下深長(zhǎng)孔的加工合格率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)各因素進(jìn)行顯著分析。各組條件下的深孔加工正交試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 影響因素水平

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果

采用SPSS軟件對(duì)表4試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行顯著性分析，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可知：在工人技能水平不低的情況下，工藝路線的選擇對(duì)加工質(zhì)量的影響最大。外冷加工方式存在冷卻能力不足的缺陷，會(huì)導(dǎo)致加工過(guò)程中出現(xiàn)燒損，但選擇耐熱性較好的刀具和合適的加工參數(shù)，刀具不會(huì)出現(xiàn)損壞，故并未表現(xiàn)出顯著性。

表5 顯著性分析結(jié)果

4 工藝優(yōu)化

綜上可知，影響復(fù)合材料結(jié)合界面深長(zhǎng)盲孔鉆削加工的主要因素可歸納為：刀具的性能、剛性和加工工藝等。其中加工工藝的差異對(duì)零件深長(zhǎng)盲孔加工質(zhì)量有著重要的影響。

4.1 傳統(tǒng)加工工藝路線分析

該類型零件的傳統(tǒng)加工工藝路線（加工工藝A）通常為:點(diǎn)鉆→引鉆→鉆孔→擴(kuò)孔→鉸孔。通過(guò)點(diǎn)鉆方式來(lái)確定深長(zhǎng)孔在零件上所處的位置，以便下一道工序的定位。但是需要注意的是，當(dāng)中心鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，鉆頭切削刃的不對(duì)稱以及鉆頭剛性不足容易導(dǎo)致鉆頭出現(xiàn)一定程度的偏轉(zhuǎn)，當(dāng)所鉆孔為復(fù)合材料界面結(jié)合處的深長(zhǎng)盲孔時(shí)，該偏轉(zhuǎn)將會(huì)進(jìn)一步放大，從而導(dǎo)致深長(zhǎng)盲孔加工不合格。使用傳統(tǒng)工藝路線，所加工孔的中心線可能會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但直徑不會(huì)變化。

與此同時(shí)，傳統(tǒng)工藝中前三道工序都為粗加工，殘余的精加工余量較大，容易導(dǎo)致后續(xù)加工時(shí)刀具負(fù)荷加劇，刀具的切削刃出現(xiàn)磨損，加工表面粗糙；余量過(guò)大，無(wú)法去除加工時(shí)所留下的刀痕。

4.2 改進(jìn)加工工藝路線

針對(duì)傳統(tǒng)加工工藝中極容易出現(xiàn)鉆偏以及表面質(zhì)量難以保證的缺點(diǎn)，對(duì)加工路線進(jìn)行改進(jìn)。采用加工工藝B：點(diǎn)孔→引孔→鉆孔→銑孔→鉆孔→銑孔→鉆孔→銑孔→鉆孔→鏜孔→鉸孔。在工序中引入多次銑削，銑削刀具剛度強(qiáng)于等直徑的麻花鉆，提高了孔的加工精度，同時(shí)減少了精加工時(shí)的加工余量。

4.3 優(yōu)化工藝

結(jié)合對(duì)工藝分析可知，減少加工過(guò)程中刀具的切削量，避免加工區(qū)域產(chǎn)生過(guò)熱是解決該類型零件加工問(wèn)題的核心。而深長(zhǎng)盲孔加工時(shí)，用傳統(tǒng)的方式噴射切削液無(wú)法滿足加工區(qū)域冷卻和潤(rùn)滑的需求。采用小切削量多次加工的方式，可以極大地提高該類型零件加工的合格率，避免材料加工過(guò)程中的過(guò)熱現(xiàn)象，減少了刀具的磨損。同時(shí)，工件加工區(qū)域的加工硬化程度能得到最大程度的改善，也能最大程度地滿足裝配關(guān)系。

在改進(jìn)工藝路線的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化深長(zhǎng)孔的加工工藝，將改進(jìn)的工藝路線：點(diǎn)孔→銑孔→鉆孔→擴(kuò)孔→三次鏜孔→鉸孔，改用內(nèi)冷高速鉆頭，提高鉆削能力和排屑能力。改進(jìn)鉸刀材質(zhì)，優(yōu)化鉸刀選型。首先，對(duì)工件進(jìn)行點(diǎn)孔，使用卡尺測(cè)量并確認(rèn)孔的位置，再返修該孔，用直徑小于孔徑的立銑刀銑深孔，再用合適的鉆頭鉆到圖樣尺寸，然后再用鉆頭擴(kuò)鉆到圖樣深度，檢查孔的尺寸情況，再采用鏜刀先后進(jìn)行三次鏜加工，精鏜后測(cè)量尺寸精度，再用鉸刀鉸至符合公差要求尺寸。

選用剛性高的刀具對(duì)材料進(jìn)行加工，在相同條件下刀具的阻尼系數(shù)越大，刀具所受應(yīng)力越小，加工質(zhì)量越好。引入鏜刀糾正鉆孔偏差，采用液壓刀柄、減振刀桿進(jìn)一步保證垂直度；改用內(nèi)冷高速鉆頭提高鉆削能力和排屑能力；改進(jìn)鉸刀材質(zhì)，優(yōu)化鉸刀選型。最終該零件的深孔加工合格率≥92%，如圖5所示。

圖5 合格率統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)顯著分析復(fù)合材料結(jié)合界面處深孔鉆削的影響因素，得出加工工藝路線對(duì)加工質(zhì)量影響最大。通過(guò)改進(jìn)工藝路線和優(yōu)化加工工藝，使復(fù)合材料結(jié)合界面處深孔加工合格率由原來(lái)的5%提升至92%以上。