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      0 前言

      不銹鋼閥體類零件中存在著非常復(fù)雜的孔系，其中的小深孔加工問題是困擾實(shí)際生產(chǎn)的一大難題。小深孔鉆削問題是一個長期困擾機(jī)械加工領(lǐng)域的難題，研究人員通過提高主軸轉(zhuǎn)速的手段來降低切屑厚度，以降低切削力、減少鉆頭折斷概率，并取得了較好的加工效果。但由于加工手段和刀具條件的限制，高速鉆削不銹鋼等難加工材料時，無法解決切削發(fā)熱量大、加工硬化和刀具磨損嚴(yán)重等問題，研究人員曾得出了高速鉆削技術(shù)不適用于難加工材料小孔加工的結(jié)論。隨著加工手段的豐富和刀具制造技術(shù)的提高，出現(xiàn)了專門用于不銹鋼小孔加工的高速內(nèi)冷鉆頭，為不銹鋼閥體零件小深孔高速鉆削加工提供了條件。但由于高速鉆削加工的限制條件較多，國內(nèi)外關(guān)于不銹鋼小深孔高速鉆削的研究還非常少見。

      本文將在分析高速鉆削技術(shù)加工不銹鋼小深孔難點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出適應(yīng)于不銹鋼小深孔高速鉆削的解決方法，并通過鉆削試驗對上述方法進(jìn)行驗證。

      1 不銹鋼小深孔高速鉆削的關(guān)鍵技術(shù)問題與解決措施

      不銹鋼小深孔加工既屬于難加工結(jié)構(gòu)加工問題，也屬于難加工材料加工問題。相對于普通小深孔鉆削， 高速鉆削加工不銹鋼小深孔更加困難，主要體現(xiàn)在切削熱問題和排屑問題2 個方面。

      （1）切削熱問題

      切削過程中，切削功的表現(xiàn)形式為切削熱；其他切削參數(shù)相同的情況下，切削速度越高，單位時間消耗的切削功越多，單位時間發(fā)熱量也越大。單位時間發(fā)熱量

      由于材料強(qiáng)度高、切削速度快，不銹鋼小深孔高速鉆削加工時發(fā)熱量極大。由于鉆頭在半封閉的環(huán)境下工作，切削熱很難散失。如果不能采取有效手段將切削熱排出孔外，孔內(nèi)會因切削熱積累產(chǎn)生極高的溫度；高溫下鉆頭發(fā)生退火，強(qiáng)度和耐磨性能迅速下降，切削能力急劇降低；隨著溫度升高，黏結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損成為刀具的主要磨損方式，鉆頭使用壽命大幅降低。

      工程實(shí)踐中通常采用切削液來解決切削熱問題。對于小直徑深孔鉆削加工，很難從外部將切削液注入切削區(qū)， 只能使用帶有內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的鉆頭解決。

      假設(shè)鉆削過程中切削熱完全、均勻地傳遞給切削液，切削區(qū)溫度與切削液溫度一致，則切削熱總量

      由式（4）可知，要維持切削區(qū)溫升不變，切削液的流量La需與切削速度vz成正比。若ΔT 為特定數(shù)值時，可以計算得到切削液流量。由于鉆頭截面形狀復(fù)雜，將鉆頭與孔作為整體考慮，由流體力學(xué)知識，要達(dá)到所需流量La，切削液的供液壓力

      （2）排屑問題

      排屑問題是小直徑深孔鉆削加工中的普遍難題。由于小鉆頭螺旋槽淺、排屑困難，小深孔鉆削加工時經(jīng)常會出現(xiàn)切屑堵塞問題。高速鉆削時切削速度高，切屑產(chǎn)生速度也隨之增加，排屑問題更加突出；由于不銹鋼材料強(qiáng)度和韌性好，產(chǎn)生的切屑不易折斷，進(jìn)一步增加了排屑難度。大量切屑堆積在孔內(nèi)很容易卡死鉆頭，造成鉆頭折斷。

      要解決小深孔高速鉆削的排屑問題，一種途徑是采用步進(jìn)鉆孔的方法，通過鉆頭反復(fù)回退將切屑帶出孔外；另一途徑是使用大流量的切削液將孔內(nèi)堆積的切屑強(qiáng)行排出孔外。步進(jìn)鉆孔（又稱啄式鉆孔）， 是在鉆削過程中通過鉆頭周期性地回退來實(shí)現(xiàn)排屑和冷卻鉆頭的一種鉆削方式。大量試驗證明步進(jìn)鉆削是一種非常有效的小深孔加工手段。但是，由于鉆頭反復(fù)回退需要消耗大量時間，加工效率偏低。使用切削液強(qiáng)行排屑的方法與解決切削熱問題的方法一致，可以實(shí)現(xiàn)解決方法的統(tǒng)一。切削速度為vz時切屑生成速度（切屑流動速度）

      式中ξ———切屑變形系數(shù)。

      要使切削液能夠強(qiáng)行帶走切屑，切削液的流速需遠(yuǎn)大于切屑生成速度。假定切削液的流速va需要達(dá)到切屑生成速度的n 倍時才能達(dá)到強(qiáng)制排屑的作用。若鉆頭兩螺旋槽橫截面積和為A，則即強(qiáng)制排屑所需切削液流量也與切削速度成正比。

      綜上所述，要使高速鉆削順利進(jìn)行，切削液的流量、壓力必須同時滿足散熱和排屑兩方面的要求。由于與流量相關(guān)的多個參數(shù)無法通過測量或計算方法得到，下面將通過切削試驗，結(jié)合機(jī)床的實(shí)際情況選取。

      2 不銹鋼小深孔高速鉆削試驗

      由于小深孔鉆削過程中的切削熱無法直接測量， 試驗中利用鉆頭的磨損來間接表示切削熱情況。

      切削試驗在2 臺MAZAK VCN510C 型立式加工中心上進(jìn)行，其中1 臺經(jīng)過改造，冷卻泵最大額定壓力提高至15 MPa。

      分別使用普通麻花鉆頭和高速內(nèi)冷鉆頭在易切削不銹鋼材料上加工直徑2.5 mm 深80 mm 的孔，加工參數(shù)如表1 所示。

      使用普通麻花鉆頭加工時， 在高速鉆削條件下，切屑很快便將鉆頭卡死造成鉆頭折斷。因此使用外冷卻切削液無法實(shí)現(xiàn)高速切削。改用低速加工參數(shù)加工時，由于堵屑嚴(yán)重，加工過程中必須頻繁退刀排屑。加工過程每進(jìn)給1 mm 需要退刀排屑一次， 每孔加工時間約2 min。平均每支鉆頭可加工150 個孔。

      使用高速內(nèi)冷鉆頭在未改造的加工中心上加工時，堵屑問題仍然非常嚴(yán)重，加工過程中仍需頻繁退刀排屑。每孔加工時間幾乎與使用普通麻花鉆時相同。

      使用高速內(nèi)冷鉆頭在經(jīng)過改造的加工中心上加工時，未出現(xiàn)堵屑問題，加工可直接鉆通，中途不用退刀。每孔加工時間約30 s（包括輔助時間）。平均每支鉆頭可加工800 個孔。從壓力表示數(shù)可以看出，冷卻泵的輸出壓力始終維持在10 MPa 以上，說明高壓冷卻泵的流量能夠滿足該孔高速鉆削要求。

      從上述試驗可以看出， 在使用普通麻花鉆、外冷卻液的條件下，由于切削過程中產(chǎn)生的大量切屑無法排出，很容易卡死鉆頭造成鉆頭折斷，無法實(shí)現(xiàn)高速鉆削。在使用外冷卻方式時，由于切削液無法深入孔內(nèi)，切削熱很難散失，鉆頭磨損比較嚴(yán)重；由于鉆頭容屑空間小、切屑不易折斷等原因，堵屑問題也非常嚴(yán)重。在低壓內(nèi)冷卻液條件下，堵屑問題仍然無法解決，仍然無法實(shí)現(xiàn)高速鉆削。在高壓內(nèi)冷卻液條件下，堵屑問題得到解決，切削液帶走切屑的同時也將切削熱帶出孔外，切削熱問題也隨之解決，加工效率顯著提高。

      3 結(jié)語