1Cr18Ni9Ti不銹鋼深冷處理后的鉆削加工試驗研究

劉星，黃久超，楊葉，任培強，龔有勇，朱敏杰，吳慧杰

上海航天精密機械研究所結(jié)構(gòu)件加工事業(yè)部

1 引言

1Cr18Ni9Ti不銹鋼具有良好的機械性能和耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于航空、航天、化工、石油、建筑、醫(yī)療器械及食品工業(yè)中[1]。該材料塑性變形大，導(dǎo)熱系數(shù)小，加工過程中切削溫度高，加工硬化現(xiàn)象嚴重[2]，因此切削性能差，刀具使用壽命短[3]。在實際生產(chǎn)中，為節(jié)省企業(yè)成本，結(jié)合企業(yè)現(xiàn)有條件合理選用鉆削刀具及延長刀具壽命很有必要。

國內(nèi)外學(xué)者從應(yīng)用涂層鉆頭和改進鉆頭幾何參數(shù)等方面進行鉆削研究。文獻[4，5]研究了TiN涂層鉆頭高速鉆削和變進給量鉆削。彭海[6]從刀具設(shè)計及工藝出發(fā)，對深孔鉆削進行了研究。景璐璐等[7]通過鉆削試驗研究了鉆削參數(shù)對變形系數(shù)的影響以及變形系數(shù)與軸向力、扭矩和鉆削溫度之間的關(guān)系。

結(jié)合實際生產(chǎn)情況，本文采用硬質(zhì)合金鉆頭與含鈷白鋼鉆頭對1Cr18Ni9Ti不銹鋼材料進行鉆削試驗，在產(chǎn)品零件上鉆直徑10mm，深15mm的孔，得到合理的切削參數(shù)、切屑形狀及測試出刀具壽命，供實際加工生產(chǎn)參考使用。

2 鉆削試驗

本試驗在專用試驗機1035V加工中心上進行。利用開發(fā)的切削監(jiān)控系統(tǒng)軟件監(jiān)測加工時的主軸負載。

試驗所用鉆頭為直徑10mm的ITF涂層硬質(zhì)合金鉆頭以及含鈷白鋼鉆頭。其中，硬質(zhì)合金鉆頭鉆尖角135°，白鋼鉆頭鉆尖角130°；白鋼鉆頭的橫刃長度約1mm，硬質(zhì)合金鉆頭的橫刃長度約0.2mm。試件厚度為15mm，材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼。在三種不同進給量和轉(zhuǎn)速下，對鉆頭進行鉆削加工單因素試驗。試驗參數(shù)見表1。

表1 鉆削試驗參數(shù)

3 試驗結(jié)果與討論

3.1 進給量F的影響

圖1為采用直徑10mm鉆頭鉆削時的主軸負載隨進給量的變化規(guī)律?？梢钥闯觯@削時，隨著進給量F的不斷增大，主軸的負載功率變大，即表明切削力變大。同時發(fā)現(xiàn)，相同條件下，采用硬質(zhì)合金鉆頭切削時的主軸負載約比采用白鋼鉆頭切削時的主軸負載大20%。本試驗所用白鋼鉆頭的橫刃長度大于硬質(zhì)合金鉆頭，而相同條件下，較大的橫刃長度會導(dǎo)致鉆削軸向力大且切削溫度比較高[8]。根據(jù)試驗結(jié)果可知，硬質(zhì)合金鉆頭切削時主軸負載更大，其原因可能是白鋼(高速鋼，又名鋒鋼)鉆頭比硬質(zhì)合金鉆頭更鋒利，而1Cr18Ni9Ti材料的塑性很大，刀具越鋒利越有利于切削，主軸負載更小。

圖1 主軸負載功率隨鉆削進給量的變化關(guān)系

3.2 主軸轉(zhuǎn)速S的影響

由上述結(jié)論可知，相同轉(zhuǎn)速下，進給量越大，主軸負載越大。由此可得，當進給量F相同時，主軸轉(zhuǎn)速越快，每轉(zhuǎn)進給量就越小(即每齒切削量越小)，主軸負載就越小。同時，轉(zhuǎn)速越高，則線速度越快，鉆削溫度越高。由于材料的導(dǎo)熱性差，且塑性大，采用硬質(zhì)合金鉆頭切削加工時，切屑與鉆頭黏結(jié)嚴重，導(dǎo)致排屑困難，鉆頭磨損嚴重。因此，為獲得良好的刀具壽命，加工時對特定直徑刀具取較低轉(zhuǎn)速[9]。圖2為轉(zhuǎn)速1000r/min，進給量80mm/min時，鉆頭黏結(jié)磨損對比情況。

圖2 加工前后鉆頭磨損情況對比

3.3 切削參數(shù)對切屑形狀的影響

根據(jù)上述研究結(jié)果加工工件，取鉆削轉(zhuǎn)速為600r/min，加工方式為啄鉆，每次鉆深3mm，進給量分別為80mm/min，50mm/min，70mm/min，得到不同形態(tài)切屑(見圖3)?？梢?，當進給量為50mm/min時，切屑為螺卷狀，形態(tài)好；當進給量為70mm/min和80mm/min時，切屑雜亂且相互纏繞。由于材料塑性大，雜亂纏繞的鐵屑易黏刀或刮傷工件。

圖3 不同進給量條件下的切屑形態(tài)

采用含鈷白鋼鉆頭，轉(zhuǎn)速為600r/min，進給量為50mm/min，每刀切深3mm時，加工孔的狀態(tài)見圖4。經(jīng)測試，鉆完80個孔后，孔口出現(xiàn)翻邊現(xiàn)象，且刀具刃口出現(xiàn)一定的磨損。

圖4 鉆削加工第80個孔時的孔口情況

3.4 基于最優(yōu)鉆削參數(shù)下刀具受力情況模擬

采用Thirdwave物理仿真軟件，使用過上述試驗所得的最優(yōu)鉆削參數(shù)對工件進行物理受力仿真分析(見圖5b)。鉆削參數(shù)為轉(zhuǎn)速600r/min，進給量50mm/min，深孔鉆削，每次鉆深3mm。從模擬結(jié)果可以看出，工件在整個鉆削過程中受力均勻，這與在機床上的實際加工時情況相符。由圖5a可看出，最大鉆削切向力約為765N。

圖5最優(yōu)試驗參數(shù)下鉆削仿真模擬結(jié)果

4 結(jié)語

(1)在1Cr18Ni9Ti的鉆削加工中，含鈷白鋼鉆頭的切削性能優(yōu)于硬質(zhì)合金鉆頭。在同樣參數(shù)下，采用硬質(zhì)合金鉆頭加工時主軸負載比采用白鋼鉆頭高約20%。

(2)采用含鈷白鋼鉆頭切削時，進給量F為50mm/min，轉(zhuǎn)速S為600r/min，每刀鉆深為3mm時，切屑形成螺卷狀，排屑性能最好，刀具的使用壽命最長。

(3)對試驗所得的最優(yōu)參數(shù)進行了切削力模擬仿真，可知鉆削過程中鉆削平穩(wěn)，且最大切向力約為765N。該結(jié)果可應(yīng)用于實際生產(chǎn)，解決了該類材料加工的難題。