馮亞洲，劉連杰，劉戰(zhàn)鋒，黃帥澎，鄭桓

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

0 前言

高強(qiáng)度鋼是兼具高強(qiáng)度和硬度且具有很好的韌性和塑性的合金結(jié)構(gòu)鋼，被廣泛應(yīng)用于如飛機(jī)發(fā)動機(jī)軸類零件、汽車傳動軸、2 000 m以下石油深井工具等材料綜合性能要求高的地方[1-2]。42CrMo(其對應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)組織牌號為42CrMo4)淬透性比較高、回火脆性不明顯，調(diào)質(zhì)處理后的抗疲勞能力和抗沖擊能力較強(qiáng)，低溫環(huán)境下沖擊韌性良好，是典型的高強(qiáng)度鋼[3]。但由于42CrMo高強(qiáng)度鋼導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量小，屬于難加工材料。而深孔鉆削處于封閉或半封閉加工環(huán)境，無法直接觀察刀具的切削狀況，隨著鉆削深度的增加，切屑從孔中排出的難度也會增加，散熱條件也會越來越惡劣，導(dǎo)致斷屑、排屑困難，易造成堵屑，致使刀具磨損加劇，嚴(yán)重影響內(nèi)孔加工質(zhì)量[4-6]。因此，對切屑形態(tài)的有效處理和合理控制在深孔鉆削中非常重要。

目前，國內(nèi)外學(xué)者針對難加工材料的切屑形態(tài)進(jìn)行了大量研究。LIU等[7]對TC10進(jìn)行了多目標(biāo)參數(shù)深孔鉆削試驗(yàn)，通過對孔軸偏轉(zhuǎn)、切屑形貌和刀具磨損3個問題的研究，得到優(yōu)化的深孔鉆削參數(shù)。邵雍博等[8]采用正交試驗(yàn)法，通過改變切削深度、進(jìn)給量及切削速度對34CrNiMoVA棒料進(jìn)行車削試驗(yàn)，結(jié)果表明進(jìn)給量對切屑形態(tài)影響最大，切削速度的影響最小。馮亞洲等[9]以難加工材料0Cr17Ni4Cu4Nb為研究對象，采用正交試驗(yàn)法研究主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量及切削液流量對切屑形態(tài)的影響規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明：主軸轉(zhuǎn)速為195 r/min、進(jìn)給量為0.25 mm/r、切削液流量為110 L/min時，切削過程平穩(wěn)，排屑順暢。

合理的加工參數(shù)可以有效控制切屑形態(tài)和加工狀態(tài)，減少刀具磨損，提高工作效率，因此本文作者開展不同工藝參數(shù)組合下的42CrMo深孔鉆削試驗(yàn)，研究不同工藝參數(shù)對42CrMo高強(qiáng)度鋼深孔鉆削加工過程和切屑形態(tài)的影響，分析得出優(yōu)化后的42CrMo高強(qiáng)度鋼深孔鉆削加工工藝參數(shù)。

1 深孔鉆削試驗(yàn)

1.1 BTA加工系統(tǒng)原理

BTA(Boring Trepanning Association)深孔加工系統(tǒng)是典型的內(nèi)排屑深孔加工系統(tǒng)，其原理如圖1所示。工作原理為高壓切削液通過授油器供油到達(dá)鉆桿外圓面與工件孔壁之間的間隙，然后通過鉆桿外圓面與孔壁之間的環(huán)形間隙到達(dá)鉆頭刃部，冷卻鉆頭并將切屑通過鉆桿內(nèi)部排出[5]。

圖1 BTA加工系統(tǒng)原理

1.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)工件為細(xì)長軸結(jié)構(gòu)42CrMo高強(qiáng)度鋼(見圖2)，總長度2 000 mm，直徑為φ75 mm，待加工內(nèi)孔孔徑為φ45 mm。42CrMo含碳量為0.38%～0.45%，Cr含量為0.9%～1.2%，Mo含量為1.5%～2.5%，是典型的中碳低合金調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼[10-11]。42CrMo表面淬火+高溫回火后的組織為回火索氏體，兼具良好的綜合機(jī)械性能且具有較高的強(qiáng)度及良好的塑性和韌性；經(jīng)過表面淬火+低溫回火表面熱處理，表面組織為回火馬氏體，芯部組織為回火索氏體，材料綜合性能良好，表面具有足夠的硬度和耐磨性，芯部保持足夠的強(qiáng)度和韌性[12-14]。其機(jī)械性能見表1。

圖2 42CrMo高強(qiáng)度鋼工件結(jié)構(gòu)

根據(jù)被加工零件粗糙度及尺寸的技術(shù)要求，42CrMo高強(qiáng)度鋼的加工工藝規(guī)程如圖3所示。其中深孔鉆削為棒料加工的關(guān)鍵工序，鉆削后的內(nèi)孔直徑為φ450+0.1mm，表面粗糙度為Ra≤6.3 μm，之后通過鏜削擴(kuò)孔和珩磨達(dá)到最終工件要求。文中只對深孔鉆削進(jìn)行研究。

圖3 深孔加工工藝流程

試驗(yàn)采用CW6163車床改造而成的BTA深孔鉆鏜床，如圖4(a)所示。因所加工的工件加工深度為2 000 mm，選用鉆桿長度為2 700 mm。加工方式為工件旋轉(zhuǎn)、刀具進(jìn)給，保證加工工件具有較好的直線度。冷卻液為有EP添加劑的乳化液(不含苯酚及亞硝酸鹽，適用于深鉆孔等高難度加工工藝)，壓力為2 MPa，流量為120 L/min。試驗(yàn)刀具為成都工具研究所直徑45 mm的BTA機(jī)夾鉆頭，如圖4(b)所示，其幾何參數(shù)見表2。因此次材料的特殊性，選用耐磨性能良好、使用強(qiáng)度與沖擊韌性良好而且導(dǎo)熱性能好的YG8刀片[15]。

表2 φ45 mm錯齒內(nèi)排屑機(jī)夾鉆頭幾何參數(shù)

圖4 試驗(yàn)設(shè)備

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)42CrMo高強(qiáng)度鋼的材料性能和相關(guān)研究，結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定切削用量范圍。對不同的主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量進(jìn)行全因子試驗(yàn)，分析切屑形態(tài)隨切削參數(shù)的變化規(guī)律，試驗(yàn)方案見表3(表中數(shù)據(jù)均來自生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn))。

表3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用直徑為45 mm的BTA機(jī)夾鉆頭對42CrMo高強(qiáng)度鋼零件在不同切削參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

當(dāng)進(jìn)給量為0.08 mm/r時，因進(jìn)給量較小，第1、4組試驗(yàn)切屑形態(tài)為薄、長卷屑，不產(chǎn)生斷屑，如圖5(a)所示。這是由于42CrMo材料所產(chǎn)生的切屑具有很高的強(qiáng)度和韌性，在進(jìn)給量為0.08 mm/r時，刀具上的斷屑槽對切屑的附加變形力較小，達(dá)不到該材料的屈服極限，無法使切屑及時折斷。試驗(yàn)7主軸轉(zhuǎn)速上升為355 r/min，但進(jìn)給量較小，仍不能流暢斷屑，且主軸轉(zhuǎn)速的上升使刀具與工件產(chǎn)生大量摩擦熱，使系統(tǒng)溫度上升，切屑形態(tài)為帶毛刺長卷屑，如圖5(b)所示。

圖5 切屑形態(tài)

當(dāng)進(jìn)給量為0.18 mm/r時，試驗(yàn)2主軸轉(zhuǎn)速為195 r/min，因主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量較小，因此對刀具的磨損較輕，切屑形態(tài)為較理想的C形屑、短卷屑，如圖5(c)所示。試驗(yàn)5主軸轉(zhuǎn)速為255 r/min，切屑形態(tài)為螺旋狀卷屑，如圖5(d)所示。這是由于主軸轉(zhuǎn)速增大時，切削力會進(jìn)一步增大，同時，也會導(dǎo)致刀具和切屑間的切削溫度增高，加劇刀具的磨損，使刀具上的斷屑槽無法及時折斷切屑，形成了較長切屑，有可能造成堵屑，使加工過程中斷。當(dāng)試驗(yàn)8主軸轉(zhuǎn)速上升為355 r/min時，切屑形態(tài)為帶毛刺短卷屑，如圖5(e)所示。這是由于較高的轉(zhuǎn)速和較大的進(jìn)給量，使刀具磨損嚴(yán)重，切屑邊緣出現(xiàn)毛刺。

當(dāng)進(jìn)給量為0.28 mm/r時，試驗(yàn)3、6、9切屑形態(tài)為破碎狀屑，如圖5(e)所示。這是由于進(jìn)給量進(jìn)一步增加使切屑厚度增加，切屑斷裂困難，且切削溫度上升加劇刀具磨損，切屑與刀具黏連造成堵屑現(xiàn)象，使試驗(yàn)無法進(jìn)行。

綜上所述：合理地選用主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量可以得到理想的切屑形態(tài)，減小刀具磨損，保證加工過程順利進(jìn)行；較小的進(jìn)給量使刀具扭矩和切削力不足，刀具上的斷屑槽對切屑的附加變形力較小，達(dá)不到該材料的屈服極限，無法使切屑及時折斷，易造成堵屑；進(jìn)給量和轉(zhuǎn)速過大會使切削溫度升高，造成切屑與刀具黏連等問題，不利于斷屑排屑，加劇刀具磨損，影響刀具使用壽命及加工質(zhì)量。42CrMo高強(qiáng)度鋼鉆削后工件內(nèi)孔如圖6所示。

圖6 實(shí)際加工工件內(nèi)孔

3 結(jié)語

本文作者通過分析材料特點(diǎn)、切屑形成原理和加工難點(diǎn)，制定工藝流程，進(jìn)行了基于42CrMo高強(qiáng)度鋼的BTA深孔鉆削試驗(yàn)，并且分析了切屑形態(tài)，可以得出以下結(jié)論：

(1)主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量是影響切屑形態(tài)的兩個關(guān)鍵要素，與主軸轉(zhuǎn)速相比，進(jìn)給量對切屑變形和斷裂有較大影響。進(jìn)給量的增加更利于切屑的斷裂，會使切屑長度變短。

(2)在不同參數(shù)組合下，42CrMo高強(qiáng)度鋼可以獲得6種切屑形態(tài)。通過試驗(yàn)得到在對42CrMo高強(qiáng)度鋼材料進(jìn)行深孔鉆削時，選擇主軸轉(zhuǎn)速為195 r/min、進(jìn)給量為0.18 mm/r時，可獲得較理想的C形屑、短卷屑，能順利排出，鉆削過程平穩(wěn)，刀具磨損較輕，有利于加工的順利進(jìn)行。