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不锈钢深孔加工技术

作者:未知

  摘 要:不锈钢深孔加工由于其材料的硬度高、热强度较高,孔的长径比较大,加工难度随之增加,历来被视为难度大的加工工序。本文结合实践探索出正确选择钻头角度,合理选用切削用量及切削液等方法,有效地解决了该技术难题。
  关键词:不锈钢深孔加工钻头刃磨切削用量
  1、引言
  加工零件内孔时,其长径比≥5,一般称为深孔加工;长径比>30,则称为特殊深孔。长径比越大,加工难度越大,因而深孔加工,历来视为加工难度较大的工序之一,为此不断地探索深孔加工的有效方法,成为工艺设计的重要研究课题。
  输油轴是某设备液压驱动的主要部件之一,在对该零件进行生产加工中,对长径比>30的特殊深孔加工,进行了有益的尝试,取得了较好效果。该零件的基本外形尺寸: 80mm×500mm,材质:0Cr17Ni4Cu4Nb,孔径分别 14mm,深403mm(钻孔前含工艺夹位); 9mm孔深300mm(见图1所示):
  该工件技术要求高,孔径小,全部是盲孔。为保证其精度要求,对这道工序来说,无论是工件的加工,还是找正装夹都有相当大的难度,因此,必须进行认真分析,并制定相应加工工艺过程。
  2、主要技术要求和加工难点
  (1)该零件材料方面的特殊性0Cr17Ni4Cu4Nb是一种马氏体沉淀硬化不锈钢,此钢除了马氏体转变强化外,也通过时效处理达到进一步强化。此工件材料的力学性能和物理性能对切削加工性有一定的影响,具体到这个零件,就是对深孔钻削加工性的影响,主要有以下几个方面:
  ①硬度由于此种不锈钢在未热处理强化之前,其金相组织为马氏体,在切削过程中容易形成加工硬化(冷硬现象),从而使刀具磨损加剧,有时甚至引起振动,增加表面粗糙度,而且切屑硬化后容易折断,不利于切削区域散热以及刀具寿命的提高。
  ②强度不锈钢有一个很强的特性就是它的热强度高,一般的工件材料高温下强度都有一定程度的降底,但是不锈钢表现不明显,因此,高温强度越高,切削力越大,消耗的功率也就越多,切削温度越高。
  ③塑性塑性是指在外力作用下,产生塑性变形而不被破坏的能力。在奥氏体状态下,0Cr17Ni4Cu4Nb材料的塑性非常好。材料的塑性高低,直接影响着被切削金属的塑性变形程度,因而,也将影响着切削力的大小./,切削温度的高低以及积屑瘤生成的难易和切屑的形状。由于工件塑性高,造成钻削时极易形成积屑瘤,使刀具寿命急剧降低,因此,要采取措施来尽量减少积屑瘤的发生。
  (2)由于材料性能和零件加工的综合作用,深孔钻削所产生的问题
  ①摩擦在钻削过程中,充满了摩擦运动,它是一切不利因素的重要根源。从工件被“切”下时形成了内摩擦开始,到钻头、螺旋槽与孔壁的摩擦及切屑本身的挤压和碰撞所产生的外摩擦,随着钻孔的不断加深,这种摩擦随之不断加大。
  ②钻削力内外摩擦力反映在钻头上,就是钻削力,它包括轴向力和转矩,将产生大量的热量。影响钻削力的主要因素有:工件材料的性能、刀具的锋利程度、切削用量等。钻削力增大以后,限制了大直径钻头和大切削用量的使用,阻碍了生产率的提高,同時对刀具和工件质量都有极坏的影响,引起钻头崩刃、工件表面粗糙度的增加。
  ③切削热摩擦和钻削力所消耗的能量,又转化为切削热。消耗的能量愈多,产生的热量也愈多,特别是随着钻孔深度愈深,冷却润滑的条件也愈差,钻削热愈不易消散,钻削的时间愈长,热量也就愈积愈多,由于钻削的升高,将会引起工件的变形,加剧刀具的磨损。
  由于上述几个问题的存在,直接影响深孔钻削的质量和效率,所以在钻深孔过程中,必须采取必要的技术措施加以解决。
  3、钻削中采取的基本技术措施
  这里说的基本技术措施,是指在钻孔中所注意的问题,它包括:合理选择刀具材料、正确选择钻头的切削角度、合理选用切削用量和转速、加强冷却与润滑等。
  (1)合理选择刀具材料高速钢是高速工具钢的简称,它是由以钨、钒、钼和钴为主要合金元素的高合金工具钢,其淬火后的硬度为62~70HRC,与碳素工具钢、合金工具钢相比,高速钢的热硬性较好,耐磨性也有提高,当切削温度达540℃~600℃时仍能维持其切削性能。
  虽然高速钢的硬度、耐热性、耐磨性及允许的切削速度远不及硬质合金,但由于高速钢的搞弯强度比硬质合金高2~3倍,其冲击韧性比硬质合金高出几十倍,而且有切削加工方便、磨削容易等优点,所以,到目前为止,在复杂刀具制造过程中,(例如钻头)高速钢仍占主要地位。随着高速钢的不断改进,它在现代切削加工中和硬质合金相互补充不足,成为两种最常用的刀具材料。根据该工件的性能及加工要求,我选用W12Cr4V4Mo高性能高速钢的长钻头。这类钢硬度、耐热性都高,一般加热到630℃~650℃时仍可保持60HRC的硬度,其寿命约为普通型高速钢的1.5~3倍,特别适用于加工高强度钢、不锈钢、钛合金、高温合金等。
  (2)深孔钻头的刃磨,由于麻花钻的横刃太长,横刃上前角负值太大,主刀刃太长等原因,钻不锈钢时轴向阻力很大,特别是进行深孔加工时,切屑不易排出,容易造成堵塞,甚至折断钻头;棱边与孔壁摩擦严重,散热条件很差,深孔钻削加工时,冷却更加困难,容易使钻头烧坏。因此,普通麻花钻必须经过刃磨才能适应不锈钢的钻削,而钻深孔的钻头应在钻不锈钢钻头的基础上,结合深孔的特点进行刃磨,刃磨后用它来钻不锈钢深孔,获得良好的效果。
  (3)合理选择钻削用量钻削用量包括切削速度、进给量和切削深度三要素。钻孔的切削用量,直接影响到生产效率、加工精度、表面粗糙度以及钻头的寿命等一系列问题,鉴于该零件材料的加工性能具有特殊性,应合理选择钻削用量。钻深孔时,工作条件较差,钻头细而长,冷却和排屑都有一定困难,切削用量应选择得小一些(通常都是手动进给,控制好钻削用量)。   (4)冷却和润滑切削液的基本功能就是冷却和润滑,即带走切削时产生的热量,防止加工件表面材料在高温下产生退火软化或高温氧化,引起性能改变;同时,在刀具与加工件表面之间提供必要的润滑作用,减少摩擦功耗和摩擦热,减缓刀具的磨损,提高使用寿命,降低加工件的表面粗糙度;另一重要功能,就是起清洗作用,即冲走加工区域的切屑颗粒,避免损害机床、工件和刀具,改善和提高加工表面的质量,降低表面粗糙度和提高刀具的使用寿命。但需注意,切削液不应具有腐蚀性,防止机床、刀具、工件等因使用切削液而遭致锈蚀。
  4、深孔加工的操作方法
  深孔加工时,需要解决的主要矛盾是减少切削热,降低切削温度,并且要防止刀具振动减小轴向力及转矩,为解决以上矛盾,采用以下工艺步骤:
  (1)钻前准备,由于孔深,刀具细长,加工中往往容易发生孔的轴向偏斜,排屑和冷却困难,稍有不慎就会造成钻头折断,因此,采用相应措施如下:
  ①设备选用我单位现有的摇臂钻床,技术参数为:型号Z35,最大钻孔直径50mm,最大跨距:1600mm,主轴最大行程:350mm。由于所加工工件最大孔深为403mm,为保证加工中孔的垂直度要求,对该钻床主轴和摇臂升降行程内对钻床工作台面垂直度进行了检查,其技术要求为:主轴行程315mm,行程内垂直度<0.07mm,满足加工技术要求。
  ②工件准备将三爪自定心卡盘固定在钻床工作台面上,用三爪自定心卡盘夹好已划好各孔尺寸线的工件(由于工件直径较大,本身刚性较好,不易引起共振),并用90度角尺找正,测量工件是否对工作台面垂直,然后用千分表固定在主轴上,百分表测头顶在工件外表面上下移动主轴,检查工件与主轴的垂直度误差。
  见图1,百分表测头检查 70- mm表面长约90mm范围内垂直度,小于0.03mm可满足要求,这里可粗略计算一下:
  90mm范围内误差0.03mm,则在工件加工范围内装夹误差小于403/90×0.03mm=0.134mm。
  ③钻头准备采取分段分级钻削加工,将深孔钻头(直柄麻花钻)分为两种长度:
  9mm,长度分别为:L1=200mm,L2=350mm;
  14mm,长度分别为:L1=200mm,L2=450mm。
  (2)鉆削加工过程先用200mm钻头进行定位、找正、钻至一定深度后,换夹加长钻头进行深孔钻削加工,保证图样各项技术要求,方法依次类推,将四深孔加工合格
  由于受钻床主轴行程的限制(最大为350mm),加工到最后,须将摇臂高度下降50~80mm,才能达到钻削 14mm深403mm,同时,选择与钻头长度相应的合理的钻削参数进行加工(见钻削参数表)。.注:因为是深孔钻削加工,尽量采用手动进给来控制进给量,以克服转矩。
  由于受材料性质影响,深孔钻削、特别是盲孔的加工钻孔处在半封闭状态下,切削液无法全部流动带走切削热,切削效果较差,同理,大量的切削热量集中在工件外表面区域,切削的时间愈长,热量也就愈积愈多。
  由于钻削温度的升高,将会引起工件的变形、导致所钻孔的轴线偏斜,加剧刀具的磨损。因此,应该着重降低切削热集中区域的温度。采用海绵条吸满切削液缠绕在整个工件加工区外围,将已钻削好的深孔内注入切削液并不断更换来进行冷却的办法收到明显效果。
  凭借手动进给的感觉切削,3~5mm深度时退出钻头一次,进行冷却并清除切屑。由于主轴最大行程只有350mm,在钻超过350mm深度的深孔时,将摇臂下降60~80mm处才能继续钻削,所以,排屑时必须将摇臂上升后,才能冷却钻头,清除切屑。
  总结
  采用以上这种简便易行的不锈钢深孔加工方法,较好地解决了深孔加工中的刀具、导向、散热和排屑等问题,使深孔加工后的尺寸精度达到H8~H10级,表面粗糙度值达到Ra=6.3~12.5 m,深孔的直线度也较好,这对企业进行不锈钢材料深孔加工有一定的参考价值。
  参考文献
  [1] 郭溪铭宁晓波《机械加工技术》高等教育出版社2002年8月
  [2] 陨建国《机械制造工程》机械工业出版社2004年7月
  [3 郭仁生《机械设计基础》清华大学出版社2001年7月
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