机件加工中深孔的铰削工艺及技术分析

2014-07-23解贝

科技视界 2014年2期

关键词：铰刀机件深孔

解贝

（扬州大学，江苏扬州225000）

机件加工中深孔的铰削工艺及技术分析

解贝

（扬州大学，江苏扬州225000）

本文首先对深孔铰削技术及影响因素做了简单介绍，分析了其在机件加工中的重要意义，继而以不锈钢铰削加工和深孔振动铰削两种技术为主要内容，分别做了分析。

深孔加工；铰削工艺；不锈钢铰削加工；振动铰削

0 引言

机件加工是生产中的重要环节，为保证加工质量，提高加工精度，需采用合理可行的技术。作为孔精加工的重要手段，铰削加工法应用颇为广泛，浅孔加工多采取推铰方式，深孔加工则以拉铰为主，尤其是后者，在机件生产中极为常见。表面粗糙、孔径误差等是实际铰孔中常出现的问题，大大降低了铰削质量，进而影响到机件寿命，随着难加工材料的使用增多，普通铰削加工的缺陷愈发明显，如效率低下、断屑困难、鳞刺难以消除等，难以满足当前新的要求，为此，本文提出了两种新的铰削系统。

1 深孔铰削技术在机件加工中的应用

铰削属于切削加工的一种，在钻孔、镗孔之后，通常会借助铰刀将孔壁的薄层金属切除，减少粗糙度，提高孔径的精确性，以获得想要的形状。铰刀刃长齿多，刃齿同时工作，前端主要负责切削，后端起防震校准作用。在机件制造加工时，零件孔加工以磨、钻、铰、拉、镗、扩为主，在尺寸较小的孔精加工中，铰孔起着重要作用，属于二次精加工，在批量零件生产中很是适用，可用于铸铁、钢、非铁金属诸多材料，具体又可分为：①精铰。加工精度可达IT8—6,可将粗糙度控制在Ra1.2—0.08μm，切削深度为0.06—0.3mm；②粗铰。加工精度可达IT10—9，可将粗糙度控制在Ra10—1.2μm，切削深度为0.3—0.8mm。加上其生产效率较高，因此越来越受重视。

影响铰孔质量的因素主要有两个：①铰刀。其质量及表明精度直接影响着铰孔质量，所以在深孔铰削过程中，首先要合理选择铰刀的几何参数，包括其直径、齿数、刃带宽、前后角等；②铰削用量。直接关系着摩擦切削力，进而影响到加工精度，在铰削时，首先，铰削余量要适中，过多或过少都对铰孔质量不利；其次，要注意切削速度，根据实际要求加以调整；此外，还有进给量，要综合前两者及其他要求确定。

2 不锈钢铰削加工

在普通钢内适量掺加Ni、Cr等金属元素，即可制成不锈钢，能够改变原钢的物化性质，使其结构更加稳定，抗腐蚀性有所提升，在450℃以上的高温，或在酸等腐蚀性介质中，不锈钢亦能保持高强度，多用于航空航天、石油化工、医疗卫生等行业。但在铰削加工中，由于掺加金属元素的缘故，易发生塑性变形，同时产生大量的热，而其自身导热系数较低，不易散热，以至于常出现铰刀磨损、切屑粘附铰刀的情况。

2.1 特点

①温度较高

不锈钢铰削加工中，刀具与孔壁摩擦较大，易产生大量的热，而不锈钢自身的导热系数很低，仅为45号钢的1/4，导致切削区有大量热聚集，难以散发。

②加工硬化严重

不锈钢韧性强、塑性大，易发生变形，而奥氏体稳定性低，遇到切削应力，易转变为马氏体，同时，切削中产生的化合物遇热分解，极有可能形成硬化层。以奥氏体不锈钢为例，其硬化后的强度σb约为1480—1950MPa，强度越大，屈服极限值σs越高，在退火状态下，σs常在σb的40%以内，而硬化后可高达95%。

③切屑粘结，刀具磨损

在铰削过程中，刀具具有粘结性，易粘结切屑，最终形成屑溜，加上较强的亲和性，易使刀具磨损。另外，不锈钢中的碳化物与刀具摩擦，也会加速刀具的磨损。

④线膨胀系数大

就线膨胀系数而言，与碳素钢相比，不锈钢要高出很多，因铰削中会产生大量热，温度较高，易引起工件的变形，在控制尺寸精度时有一定的难度。

2.2 改进

某汽车零件生产公司，在不锈钢铰孔中常遇到铰刀磨损严重、铰孔精确度低等缺陷，为此，该公司对不锈钢铰削工艺进行了完善。

①刀具材料的选择

硬质合金及高速钢是当下常用的两种材料，对前者而言，多使用耐磨性、导热性较好的YG类硬质合金，如YG8N、YW2等；对后者而言，普通高速钢寿命较短，多使用含Al等元素的高性能高速钢，如W6Mo5Cr4V2Al等。

②刀具几何参数的确定

选择刃带宽度较小的，在0.1—0.2mm之间，可延长铰刀使用寿命，使其导向、修光作用得到充分发挥；多采用大前角，可有效避免切屑发生变形；刃倾角在10°—14°之间，可避免划伤孔壁，方便切屑排出；

③铰削用量

采用高速钢时，切削速度控制在2.5mm/min；硬质合金则尽量控制在10.5mm/min，该公司使用的是1Cr18Ni9Ti材料；进给量控制在0.1—0.3mm/r内；切削深度为0.15mm。

④铰削过程的控制

为保证铰削的均匀性，对刀齿的跳动量加以严格控制；同时仔细观察切屑形状，若呈条状，意味着铰削余量过大；呈块状，意味着不均匀；呈卷状，说明铰削余量较小。此外，还做好了切屑堵塞的预防工作。

⑤切削液和冷却方式

切屑容易粘附不锈钢，为解决此问题，该公司使用硫化油作为切削液，为使表面粗糙度进一步降低，可在其中适量掺加CCl4或煤油，因前者对人体有害，选用后者。同时，采用内冷却方式进行冷却。

⑥工件的热处理

为使工件的硬度符合要求，应加以适当的热处理，若是马氏体不锈钢，可进行调质处理，将其硬度控制在30—34HRC间为最佳；若是奥氏体不锈钢，可在高温下退火，以提高切屑的脆性。

3 深孔振动铰削工艺

该工艺是对普通铰削的改进，即在铰刀旋转运动时，施以轴向振动，使得铰削效果大为改变，相比之下，该工艺切削力较小，大幅降低了表面粗糙度，而且断屑较为容易，可提高加工精度、延长铰刀使用寿命，在难加工材料的铰削中发挥着重要作用。

3.1 介绍

某机械零件厂建于2003年，经过多年发展，积累了大量经验，为提高效率，该厂在2011年开发了一种新的深孔低频振动铰削系统，包括3部分：①控制系统。主要负责设置参数，以及分析计算的工作，具有保存功能；②深孔钻镗床。主要提供主运动和进给运动；③驱动系统，安置在钻镗床进给箱的主轴上，主要负责振幅、频率等输出。

该系统的振幅和频率在0—100Hz可做大幅调整，输出的稳定性高，受负载影响较小；同时，单位功率较大。

3.2 原理

深孔低频振动铰削工艺的原理为：钻镗床进给箱主轴上安装有驱动系统，在工作时输出振幅和频率可控的周期振动，同时工作夹紧在主轴上，在钻镗床的作用下，铰刀开始做轴向进给及轴向振动。刀杆尾端设置有输油管，供切削液流动，将高压硫化油灌入刀杆内部，然后从出油孔排出，流入切削区，主要起冷却润滑的作用，方便切屑的顺利排出。

3.3 工艺

在使用该技术之前，该厂进行了严格试验，选择Φ30.05mm的双刃硬质合金浮动拉铰刀；机件材料为高强度炮钢PCrNi3MoA；孔深3200mm，直径为29.65mm；切削参数设置如下：进给速度为13.5mm/ min，转速为315r/min，振幅和频率依次为0.15mm、37.5Hz。切削液选择的是高压硫化油。主要对普通铰削和振动铰削加以对比。

从对比结果可看出，振动铰削加工的表明粗糙度明显较低，且变化较小，相比之下，普通铰削的变化大，粗糙度也大。同时，使用振动铰削，有效解决了以往形成积屑瘤的难题，孔壁上的网纹呈规则状，表面产生的鳞刺和犁沟也得以清除，提高了加工的均匀性，而普通铰削后的孔壁表面的划痕、刀印十分明显，且鳞刺、犁沟现象严重。此外，从切屑形状来看，因振动铰削工艺可做到完全断屑，使切削刃和切削区周期性分离，切屑较细，呈针状，而普通铰削工艺在断屑时有困难，产生的切屑呈螺旋状，且大都连在一起，极易造成堵塞，一旦缠于刀体，易引起刀体的变形。