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鍵制造技術之一。零件材質為3Cr13馬氏體型不銹鋼，熱處理調質硬度≥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鍵工序之一，技術含量高、加工難度大、過程復雜、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 軸頭圓盤小深孔結構簡圖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進行的，由于孔深，觀察不便，鉆削條件復雜，鉆頭散熱條件差、強度低、冷卻潤滑及排屑困難，導致加工過程中鉆頭磨損嚴重，粘結堵塞，甚至出現(xiàn)鉆頭折斷、孔軸線偏斜、表面產生螺旋溝槽等問題；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)、硬質合金粘結劑(如鈷、鎳、鉬等化學元素)發(fā)生化學反應，具有較強的親和力，刀具材料中的硬質物被破壞，發(fā)生粘結磨損、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%轉化為切削熱，使導熱系數(shù)低(約為45鋼的12～14)的不銹鋼產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。在生產實踐中，為保證切屑順利排出，采用“啄擊”法加工，需多次往復進退加工、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)是其內角α和外角β，見圖2。內、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，由于內刃切削速度較低，鉆尖切削狀況復雜，為防止鉆孔軸線偏移，要保證外刃徑向力等于或略大于內刃徑向力，合力作用于導向塊上，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、外刃分屑，為外切削刃在有限的空間內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，減小鉆頭導向塊和切削刃表面的磨損。

在切削刃外側，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備特性等因素有關。

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、機床轉速等因素。硬質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量、尺寸精度要求、排屑效果、切削液性能等因素。硬質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，刀具與切屑之間產生很大的擠壓力，給導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)引導孔精度：圓盤外圓單面留有余量5 mm，在孔的對應部位銑一小平面，采用專用定心鉆加工引導孔，引導孔公差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鍵組件的關鍵工序小深孔加工，取得了很好的效果，為產品的批量化、高效、高精度加工奠定了基礎。