不銹鋼模具微小孔鉆削加工參數(shù)優(yōu)化*

樊瑞軍，關(guān)志偉，孫翠香

(1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222；2常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 常州 213164)

0 引言

孔徑在0.1 mm和1 mm的孔屬于微小孔[1]，多用于不銹鋼模具行業(yè)，如電動(dòng)牙刷、音響、耳機(jī)等日常生活用品的制造模具上。利用微小孔模具進(jìn)行注塑或壓鑄制造的產(chǎn)品，具有直徑小、深度大、數(shù)量多、分布均勻、整體順滑無(wú)毛刺，使用壽命長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。常用耐熱性和抗腐蝕耐磨性強(qiáng)且能承受多次注塑或壓鑄要求的不銹鋼06Cr19Ni10[2]，存在硬度高、彈性變形大、廢屑易黏附等加工缺陷。不銹鋼模具的微小孔一般都有孔徑小，長(zhǎng)徑比大，數(shù)目大且呈規(guī)則密布排列的特點(diǎn)。這類孔加工方法研究有焦悅等[3]介紹的電火花、電液束、水導(dǎo)激光和飛秒激光4種加工技術(shù)。張文全[4]高速鉆削技術(shù)在不銹鋼小直徑深孔加工中的應(yīng)用。張沛森等[5]高精度微孔的鏜削加工工藝優(yōu)化研究。房明[6]和李秋玥[7]機(jī)械鉆削加工的技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)的研究。微小孔鉆削首先要求平穩(wěn)，噪音小，無(wú)振動(dòng)，排屑流暢，鉆孔數(shù)必須大于鉆頭更換標(biāo)準(zhǔn)要求，否則更換鉆頭影響孔徑加工精度，嚴(yán)禁出現(xiàn)鉆頭折斷造成廢品，簡(jiǎn)述為穩(wěn)定要求。其次微小孔是規(guī)?；兹杭庸?，減少每個(gè)孔的加工時(shí)間，對(duì)于提高加工效率縮短加工周期和提高經(jīng)濟(jì)效益至關(guān)重要。減少每個(gè)孔的抬刀排屑次數(shù)可減低機(jī)床導(dǎo)軌局部反復(fù)磨損，保證機(jī)床精度延長(zhǎng)使用壽命，簡(jiǎn)述為高效要求。最后微小孔加工對(duì)孔徑尺寸公差，形位公差和表面質(zhì)量有要求，不允許有毛刺，翻邊等加工缺陷存在，簡(jiǎn)述為精密要求。為滿足不銹鋼微小孔模具加工過(guò)程的穩(wěn)定、高效、精密三高要求，就要在合理工藝方案前提下對(duì)鉆削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鉆削參數(shù)優(yōu)化研究上，沈?qū)W靜等[8]研究了EA4T鋼在深孔鉆削加工參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題，通過(guò)控制切屑斷屑率和切屑容屑系數(shù)來(lái)提高生產(chǎn)率。吳燕[9]利用AdvantEdge建立鉆削45鋼的鉆削模型，以切削力，扭矩和切削熱指標(biāo)進(jìn)行了鉆削加工參數(shù)的優(yōu)化。張文全等[10]考慮高速鉆削不銹鋼小深孔過(guò)程中鉆頭的使用壽命，對(duì)主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量等加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。Rajmohan T等[11]研究了混合鋁基復(fù)合材料鉆削工藝參數(shù)的優(yōu)化。Taskesen A等[12]考慮工藝參數(shù)對(duì)刀具磨損和孔尺寸精度影響，從而對(duì)鉆削B4C顆粒增強(qiáng)鋁合金鉆削參數(shù)進(jìn)行分析和優(yōu)化。肖軍民[13]改進(jìn)了遺傳算法和粒子群優(yōu)化的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)孔群加工路徑和鉆削加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者多選45鋼和鈦合金進(jìn)行常規(guī)尺寸孔徑的鉆削參數(shù)優(yōu)化研究。在實(shí)驗(yàn)室模擬鉆削加工來(lái)采集數(shù)據(jù)，以切削熱、切削力和扭矩為優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行研究，已取得很多的研究成果。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于不銹鋼微小孔機(jī)械鉆削加工技術(shù)研究的還不夠成熟。本文研究對(duì)象為不銹鋼微小鉆加工參數(shù)，研究方法是正交實(shí)驗(yàn)分析法。在實(shí)際生產(chǎn)中，采集孔徑0.3～0.8 mm的微小孔在鉆削加工的主軸轉(zhuǎn)速，進(jìn)給速度和每次鉆削深度，以鉆孔數(shù)和單孔時(shí)間為優(yōu)化指標(biāo)進(jìn)行鉆削參數(shù)優(yōu)化。優(yōu)化后的加工參數(shù)將提高不銹鋼鉆削微小孔的加工效率，最大可能降低加工成本。

1 針對(duì)加工難點(diǎn)確定工藝方案

如圖1不銹鋼微小孔模具結(jié)構(gòu)示意圖所示，模具外形尺寸80 mm×40 mm×10 mm，中間行列式對(duì)稱均布1190(17×70)個(gè)微小孔，上下有6個(gè)沉頭孔和2個(gè)定位銷孔分別起到模具固定和模具定位的作用。將含有沉頭孔的平面稱為正面，正面的對(duì)面稱為反面。微小孔結(jié)構(gòu)和尺寸如圖2所示，正面φ0.3 mm×2 mm，反面φ0.8 mm×4 mm，過(guò)渡φ0.5 mm×4 mm。三段微小孔長(zhǎng)徑比均在5～10之間屬于深孔鉆加工范圍，雖然可以直接使用麻花鉆加工，但存在刀具剛性差、易振動(dòng)、易折斷、排屑困難、導(dǎo)熱差、零件變形大的問(wèn)題。

圖1 不銹鋼微小孔模具結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 微小孔結(jié)構(gòu)尺寸示意圖

通過(guò)上述分析可知：在難加工材料不銹鋼上進(jìn)行微小孔加工，結(jié)合模具的一些特殊要求，確定06Cr19Ni10不銹鋼微小孔模具加工技術(shù)難點(diǎn)為：①加工微小孔的鉆頭直徑最小φ0.3 mm，在鉆孔過(guò)程中極易發(fā)生折斷，造成模具報(bào)廢；②深孔加工的斷屑和排屑不暢，半封閉加工潤(rùn)滑又困難，鉆刃處容易發(fā)生積屑瘤，將嚴(yán)重影響微小孔孔徑尺寸精度和孔壁的表面質(zhì)量；③φ0.3 mm×2 mm，φ0.5 mm×4 mm和φ0.8 mm×4 mm三段孔軸線的同軸度問(wèn)題；④所有微小孔正反面孔口無(wú)翻邊，無(wú)毛刺，直接達(dá)到模具的特殊要求；⑤合理匹配好加工精度與加工效率的問(wèn)題。

不銹鋼微小孔模具的加工選用數(shù)控高速數(shù)控銑床完成，加工工藝為：①正面加工：工序內(nèi)容正面0.3 mm微小孔，定位銷孔和沉頭孔的加工，刀具是硬質(zhì)合金耐磨涂層鉆頭，立銑刀和鉸刀，用壓板和螺釘直接將零件裝夾在機(jī)床工作臺(tái)上。②反面加工：工序內(nèi)容反面0.5 mm和0.8 mm的微小孔加工，刀具是硬質(zhì)合金耐磨涂層鉆頭，用壓板和螺釘直接將零件裝夾在工裝上，工裝與機(jī)床工作臺(tái)固定。工裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。

按加工工藝加工完成的微小孔模具如圖4所示，驗(yàn)證了加工工藝的正確性，為后續(xù)加工過(guò)程采集積累數(shù)據(jù)提供了基礎(chǔ)保障。

圖3 工裝結(jié)構(gòu)示意圖 圖4 加工完成的微小孔模具

2 微小孔加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在難加工材料不銹鋼上進(jìn)行微小孔加工，不可避免會(huì)發(fā)生鉆頭折斷的情況。一般會(huì)采用固定循環(huán)鉆孔指令，合理匹配鉆削用量和每次進(jìn)刀的鉆深量，保證最合理的斷屑和排屑次數(shù)來(lái)盡量減少鉆頭折斷的情況發(fā)生，這樣才能延長(zhǎng)鉆頭的使用壽命，所以要在實(shí)踐中不斷探索總結(jié)鉆削用量和每次進(jìn)刀的鉆深量。在確保鉆頭是在正常鉆削前提下，微小孔鉆削加工效率也很重要。正常鉆削可以理解為鉆頭不折斷，孔口無(wú)毛刺，孔壁表面質(zhì)量高以及鉆削過(guò)程的振動(dòng)和噪聲很小，這些是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察來(lái)衡量判斷，只評(píng)定有效與否，不便于量化。用鉆孔個(gè)數(shù)來(lái)衡量正常鉆削穩(wěn)定性的優(yōu)劣，用單孔加工時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)正常鉆削加工效率的高低。需要強(qiáng)調(diào)的是單孔加工時(shí)間的前提是有效的鉆孔個(gè)數(shù)，鉆孔個(gè)數(shù)所用總加工時(shí)間的平均值就是單孔加工時(shí)間。有效的鉆孔個(gè)數(shù)的前提是正常鉆削，這就表明有效鉆孔個(gè)數(shù)指標(biāo)比單孔鉆孔時(shí)間指標(biāo)更重要。

不銹鋼微小孔加工過(guò)程中，保證在正常鉆削的前提下采集鉆孔個(gè)數(shù)和單孔加工時(shí)間指標(biāo)時(shí)的影響因素有：主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、每次鉆削深度、機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)精度、機(jī)床共振頻率、鉆頭的材料及刀具切削角度、被加工材料等等。為了說(shuō)明不銹鋼微小孔鉆削時(shí)鉆削參數(shù)對(duì)鉆削加工的影響，所以僅考慮主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、每次鉆削深度三個(gè)主要因素，假定不受其他因素的影響。兩個(gè)指標(biāo)中有效鉆孔個(gè)數(shù)越大越好，單孔加工時(shí)間越小越好。為了找到不銹鋼微小孔加工時(shí)最優(yōu)化的鉆削參數(shù)，分別對(duì)上述三個(gè)因素和兩個(gè)指標(biāo)設(shè)計(jì)正交表L9(34)進(jìn)行研究。

在實(shí)際生產(chǎn)中積累大量的數(shù)據(jù)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)評(píng)估和加工經(jīng)驗(yàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析匯總，梳理后確定φ0.3 mm×2 mm，φ0.5 mm×4 mm和φ0.8 mm×4 mm三個(gè)微小孔加工的因素水平具體取值如表1所列。

表1 因素水平

在實(shí)際的不銹鋼微小孔鉆削過(guò)程中，特意按正交實(shí)驗(yàn)因素水平表所列的各因素各水平組合的鉆削參數(shù)進(jìn)行了大量的數(shù)據(jù)積累，保證在正常鉆削的前提下采集到鉆孔個(gè)數(shù)和單孔加工時(shí)間指標(biāo)數(shù)據(jù)(平均值)如表2正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表所列。

表2 正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

3 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

采用直觀分析法對(duì)數(shù)據(jù)處理，得到微小孔加工鉆削切削用量的最佳選取方案。φ0.3 mm×2 mm微小孔鉆削參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示，φ0.5 mm×4 mm微小孔鉆削參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示，φ0.8 mm×4 mm微小孔鉆削參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表3 φ0.3 mm×2 mm微小孔鉆削參數(shù)計(jì)算結(jié)果表

表4 φ0.5 mm×4 mm微小孔鉆削參數(shù)計(jì)算結(jié)果表

表5 φ0.8 mm×4 mm微小孔鉆削參數(shù)計(jì)算結(jié)果表

在正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理各表中，K代表各因素的每一次水平求和，κ為各因素每個(gè)水平的平均值，R為平均值的最大差值即極差。

根據(jù)表3可知：在不銹鋼加工微小孔φ0.3 mm時(shí)，影響鉆削穩(wěn)定性優(yōu)劣的切削參數(shù)依次為主軸轉(zhuǎn)速n，每次鉆削深度h和進(jìn)給速度F。影響鉆削加工效率高低的切削參數(shù)依次為進(jìn)給速度F，每次鉆削深度h和主軸轉(zhuǎn)速n。φ0.3 mm鉆頭直徑微小極易折斷。切削扭矩大小決定折斷的難易程度，而主軸轉(zhuǎn)速又對(duì)切削扭矩影響極大，因此極高的主軸轉(zhuǎn)速才能保證鉆頭不易折斷，保障鉆削的穩(wěn)定性。主軸轉(zhuǎn)速極高時(shí)，鉆頭直徑微小兩邊切削刃也極短，進(jìn)給速度和每次鉆削深度對(duì)切削扭矩的影響就很小，但兩者取值也不能過(guò)大，同樣也要保障鉆削過(guò)程的穩(wěn)定性?？紤]到穩(wěn)定性要比加工效率更重要，綜合比較后選取最優(yōu)參數(shù)組合為n=12 000 rpm，F(xiàn)=20 mm/min，h=0.03 mm。

根據(jù)表4可知：在不銹鋼加工微小孔φ0.5 mm時(shí)，影響鉆削穩(wěn)定性優(yōu)劣的切削參數(shù)依次為主軸轉(zhuǎn)速n，每次鉆削深度h和進(jìn)給速度F。影響鉆削加工效率高低的切削參數(shù)依次為進(jìn)給速度F，每次鉆削深度h和主軸轉(zhuǎn)速n。φ0.5 mm鉆頭直徑小也易折斷。主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削扭矩影響最大，兩邊切削刃短，進(jìn)給速度和每次鉆削深度對(duì)切削扭矩有一定的影響，兩者取值要在主軸轉(zhuǎn)速一定時(shí)合理匹配才能保障鉆削穩(wěn)定性。與φ0.3 mm相比，主軸轉(zhuǎn)速大幅減低，進(jìn)給速度和每次鉆削深度大幅增加，為了在穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上盡可能提高加工效率?？紤]穩(wěn)定性要保障，加工效率也要提高，綜合比較選取最優(yōu)參數(shù)組合是n=7500 rpm，F(xiàn)=30 mm/min，h=0.08 mm。

根據(jù)表5可知：在不銹鋼加工微小孔φ0.8 mm時(shí)，影響鉆削穩(wěn)定性優(yōu)劣和加工效率高低的切削參數(shù)相同，依次為每次鉆削深度h，進(jìn)給速度F和主軸轉(zhuǎn)速n。φ0.8 mm鉆頭直徑較大，不易折斷。由于兩邊切削刃變長(zhǎng)，對(duì)于切削扭矩，每次鉆削深度影響最大，而主軸轉(zhuǎn)速影響最小。為了有理想的加工效率，主軸轉(zhuǎn)速也不能過(guò)低。與φ0.3 mm和φ0.5 mm相比較，每次鉆削深度有極大幅度的增加，主軸轉(zhuǎn)速大幅度減小?？紤]在穩(wěn)定性的前提下，提高加工效率更有必要，綜合選取最優(yōu)參數(shù)組合是n=5500 rpm，F(xiàn)=30 mm/min，h=0.3 mm。

4 結(jié)束語(yǔ)

為提高不銹鋼微小孔鉆削加工效率降低加工成本，利用正交實(shí)驗(yàn)分析法對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理，分別獲得φ0.3 mm，φ0.5 mm和φ0.8 mm孔最優(yōu)鉆削參數(shù)組合。對(duì)于不銹鋼微小孔鉆削加工可知：

(1)鉆孔直徑小于0.5 mm時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)鉆削穩(wěn)定性影響最大，為確保鉆削過(guò)程穩(wěn)定、高效、精密，控制主軸轉(zhuǎn)速的大小最為重要。

(2)鉆孔直徑大于0.5 mm時(shí)，每次鉆削深度對(duì)鉆削穩(wěn)定性和單孔用時(shí)影響最大，為確保鉆削過(guò)程穩(wěn)定、高效、精密，所以控制每次鉆削深度取值尤為關(guān)鍵。

(3)孔徑越小，主軸轉(zhuǎn)速越高，進(jìn)給速度和每次鉆削深度取值越小。但變化不成比例。反之，孔徑越大，主軸轉(zhuǎn)速越低，進(jìn)給速度和每次鉆削深度越大，同樣變化不成比例。