李 眾，宋子洋，李文杰

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，電力是不可或缺的資源，發(fā)電機(jī)作為能源轉(zhuǎn)換的重要機(jī)械設(shè)備，在工業(yè)、能源領(lǐng)域有著廣泛地運(yùn)用，是現(xiàn)代工業(yè)的原動(dòng)機(jī)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子長期工作在高溫高壓的惡劣環(huán)境下，必須采用性能優(yōu)異的合金鋼[1]。25Cr2Ni4MoV鋼是一種低Si、低C、低Al、低夾雜物、低殘余元素、高合金元素的高品質(zhì)鋼，具有強(qiáng)度高、塑性好，耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)異性能，是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子應(yīng)用較廣泛的原材料之一[2～4]。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一般是整體鍛造而成，轉(zhuǎn)子中心鉆有中心孔，中心孔有去除雜質(zhì)，便于探傷和減輕轉(zhuǎn)子重量的作用，但是25Cr2Ni4MoV鋼的高強(qiáng)度、高塑韌性大大增加了其中心孔加工的難度，其在深孔加工時(shí)具體有如下難點(diǎn)[5]：加工硬化嚴(yán)重，加工表層的硬化程度可達(dá)200%～500%；切削力大，是45#鋼的2～3倍；切削溫度高，可達(dá)1 000℃；刀具磨損嚴(yán)重；塑性強(qiáng)，切屑不易斷屑。并且深孔加工是在半封閉的環(huán)境中進(jìn)行的，加工空間極其有限，加工過程難以直接觀測，只能通過聽聲音、觀察切屑形狀、排屑是否順暢和鉆桿振動(dòng)等方法判斷實(shí)際加工狀態(tài)[6]。因此，切屑形狀是對深孔加工狀態(tài)是否良好的重要判斷依據(jù)之一，切屑形狀直接影響系統(tǒng)的排屑是否順暢。切屑形狀影響因素主要有切削用量[7～9]和刀具幾何參數(shù)[10]。切削用量對深孔加工的影響主要體現(xiàn)在主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量上，選用合適的切削用量是保證深孔加工不可或缺的條件。

本文對25Cr2Ni4MoV鋼進(jìn)行了深孔鉆削的試驗(yàn)研究。在鉆削過程中，采用單因素法分別研究了進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速對深孔鉆削加工過程中鉆桿振動(dòng)和切屑形狀的影響規(guī)律，進(jìn)一步獲得25Cr2Ni4MoV鋼的最佳切削用量范圍。

1 BTA深孔鉆削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

工件材料為25Cr2Ni4MoV鋼，工件總長度為2 300 mm，直徑為φ230 mm，欲加工得到φ110 mm、表面粗糙度為Ra1.6的內(nèi)孔，25Cr2Ni4MoV鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1與表2所示。

表1 25Cr2Ni4MoV化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

表2 25Cr2Ni4MoV力學(xué)性能

針對被加工零件粗糙度及尺寸要求，25Cr2Ni4MoV鋼深孔加工方案采用深孔鉆削、深孔鏜削、深孔珩磨，具體工藝流程如圖1所示。其中鉆孔是影響該零件加工的關(guān)鍵技術(shù)，本文僅針對鉆孔部分進(jìn)行研究。

圖1 深孔加工工藝流程

選用T2120A×4 m數(shù)控深孔鉆鏜床，鉆桿長度4 000 mm，最大鉆削深度3 000 mm，主軸轉(zhuǎn)速范圍61～1 000 r/min，額定供油壓力6.3 MPa，流量125 L/min。該設(shè)備采用BTA深孔加工系統(tǒng)，其工作原理是：高壓切削液通過專用授油器進(jìn)入鉆桿外壁與內(nèi)孔內(nèi)壁之間的環(huán)形空間，再到達(dá)刀具頭部切削刃處進(jìn)行冷卻潤滑，并將切屑從鉆桿內(nèi)部沖出，排入收屑箱，切削液經(jīng)過濾后可循環(huán)使用，工作原理如圖2所示。在加工過程中采用工件旋轉(zhuǎn)，刀具進(jìn)給的鉆削方式，刀具采用焊接式Y(jié)D15硬質(zhì)合金刀片的新型錯(cuò)齒BTA鉆頭，鉆頭直徑為φ70 mm。刀具結(jié)構(gòu)如圖3所示，刀具幾何參數(shù)如表3所示。

圖2 深孔鉆削系統(tǒng)工作原理

圖3 新型錯(cuò)齒內(nèi)排屑深孔鉆結(jié)構(gòu)

表3 φ70 mm新型錯(cuò)齒內(nèi)排屑深孔鉆幾何參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

為了獲得進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速對25Cr2Ni4MoV鋼的深孔鉆削的影響規(guī)律，本文采用單因素法分別研究了進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速對25Cr2Ni4MoV鋼的深孔鉆削過程中切屑形狀和切削狀態(tài)的影響規(guī)律，具體方案如下。

第一組：參考瑞典山特維克公司推薦的進(jìn)給量，設(shè)定進(jìn)給量f=0.18 mm/r，轉(zhuǎn)速范圍為100～280 r/min，每間隔20 r/min設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速，共設(shè)定10個(gè)主軸轉(zhuǎn)速。

第二組：基于第一組試驗(yàn)研究的結(jié)果，確定轉(zhuǎn)速為n=200 r/min，進(jìn)給量范圍為0.1～0.24 mm/r，每間隔0.02 mm/r設(shè)定進(jìn)給量，共設(shè)定8個(gè)進(jìn)給量。

2 試驗(yàn)結(jié)果

基于上述的試驗(yàn)方案，獲得了進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速對25Cr2Ni4MoV鋼的深孔鉆削過程中對切屑形狀和切削狀態(tài)的影響規(guī)律。

2.1 主軸轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律

表4所示為進(jìn)給量一定，主軸轉(zhuǎn)速對25Cr2Ni4MoV鋼的深孔鉆削過程的影響規(guī)律。在該過程中產(chǎn)生的切屑形狀主要包括：節(jié)狀帶狀屑、短螺旋屑、長螺旋屑和纏繞帶狀屑。

表4 改變主軸轉(zhuǎn)速所得試驗(yàn)結(jié)果

第一組試驗(yàn)研究結(jié)果表明主軸轉(zhuǎn)速直接影響切屑形狀和切削過程，隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，切屑變薄，刀齒與切屑接觸時(shí)間變短，斷屑難度增加，切屑形狀由短螺旋屑變成纏繞帶狀屑。進(jìn)給量固定，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速小于120 r/min時(shí)，切削系統(tǒng)有劇烈振動(dòng)，切削難以繼續(xù)進(jìn)行，選擇停止切削試驗(yàn)；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速在120～140 r/min時(shí)，切削系統(tǒng)有輕微振動(dòng)，但可以繼續(xù)切削，產(chǎn)生節(jié)狀帶狀屑，如圖4（a）所示，其容屑系數(shù)較小，易于排屑；當(dāng)切削速度在140～200 r/min時(shí)，切削系統(tǒng)無明顯振動(dòng)，切削平穩(wěn)，產(chǎn)生短螺旋屑，如圖4（b）所示；當(dāng)切削速度在200～220 r/min時(shí)，切削系統(tǒng)無明顯振動(dòng)，切削比較平穩(wěn)，產(chǎn)生容屑系數(shù)較大的長螺旋屑，如圖4（b）所示；當(dāng)切削速度在220～260 r/min時(shí)，切削系統(tǒng)無明顯振動(dòng)，切削平穩(wěn)，由于主軸轉(zhuǎn)速的升高，切屑愈發(fā)不容易斷裂，產(chǎn)生容屑系數(shù)比較大的纏繞帶狀屑，如圖4（c）所示；當(dāng)切削速度在280 r/min以上時(shí)，切削系統(tǒng)剛性不足，無法進(jìn)行正常切削。

圖4 切屑形狀

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，轉(zhuǎn)速在140～200 r/min產(chǎn)生的短螺旋屑容屑系數(shù)小，容易排出加工系統(tǒng)，因此25Cr2Ni4MoV鋼的合理轉(zhuǎn)速范圍為140～200 r/min。

2.2 進(jìn)給量的影響規(guī)律

基于表4的結(jié)果分析，選取主軸轉(zhuǎn)速為200 r/min，研究了進(jìn)給量對25Cr2Ni4MoV鋼的深孔鉆削過程的影響規(guī)律。在該過程中產(chǎn)生的切屑形狀主要包括：長帶狀屑、長螺旋屑、短螺旋屑。

第二組試驗(yàn)研究結(jié)果表明進(jìn)給量直接影響切屑形狀，隨著進(jìn)給量增大，切屑厚度增大，刀齒與切屑接觸長度增大，切屑的應(yīng)變增大，斷屑難度減小。主軸轉(zhuǎn)速固定，當(dāng)進(jìn)給量在0.1～0.22 mm/r時(shí)，切削系統(tǒng)均無明顯振動(dòng)，切削平穩(wěn)。進(jìn)給量在0.1～0.14 mm/r時(shí)，產(chǎn)生薄、軟的長帶狀屑如圖4（d）所示，此切屑容屑系數(shù)較大，排屑比較困難，易堵塞排屑通道；進(jìn)給量在0.14～0.18 mm/r時(shí)，切屑厚度增大，硬度變大，產(chǎn)生長螺旋屑，容屑系數(shù)變??；進(jìn)給量在0.18～0.22 mm/r時(shí)，切屑厚度進(jìn)一步變大，硬度變大，產(chǎn)生容屑系數(shù)較小的短螺旋屑；進(jìn)給量在0.22～0.24 mm/r時(shí)，產(chǎn)生長硬帶狀屑，該切屑容屑系數(shù)大，容易發(fā)生相互纏繞現(xiàn)象，極易在排屑通道中發(fā)生堵塞；進(jìn)給量大于0.24 mm/r時(shí)，機(jī)床振動(dòng)劇烈，剛性不足，切削停止。

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，25Cr2Ni4MoV鋼深孔鉆削加工中進(jìn)給量的最佳選取范圍為0.16～0.22 mm/r，選取此范圍進(jìn)給量加工過程中產(chǎn)生的短螺旋屑容屑系數(shù)小，容易排出加工系統(tǒng)。

表5 改變進(jìn)給量所得試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)束語

對于BTA內(nèi)排屑深孔系統(tǒng)，存在斷屑困難、排屑通道空間不足的問題，合理規(guī)則的切屑形狀是切屑順利排出的必要條件。25Cr2Ni4MoV鋼強(qiáng)度高、塑韌性好，斷屑難度大大增加，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)選取最佳的進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速都不能產(chǎn)生變?nèi)菪枷禂?shù)較小的C形切屑，只能產(chǎn)生容屑系數(shù)稍大的短螺旋屑，也可順利排出。

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)選擇不同轉(zhuǎn)速，切屑形狀有所不同。當(dāng)進(jìn)給量不變時(shí)，隨著主軸轉(zhuǎn)速增大，切屑長度變長，厚度減小，切屑由短螺旋屑變成長螺旋屑，再變成纏繞帶狀屑。試驗(yàn)結(jié)果表明25Cr2Ni4MoV鋼深孔加工時(shí)使排屑順暢的切屑形狀是短螺旋屑，最佳轉(zhuǎn)速范圍是140～200 r/min。

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)給量對切屑形狀有直接影響，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著進(jìn)給量增大，切屑長度變小，厚度增大，切屑由長帶狀屑變成長螺旋屑，再變成短螺旋屑。當(dāng)進(jìn)給量在0.16～0.22 mm/r范圍內(nèi)，產(chǎn)生利于排屑的短螺旋屑。