鋁合金細(xì)小 孔鉆削特征 和工藝的研究

鋁合金細(xì)小 孔鉆削加工及其工藝難點(diǎn)

鋁合金是以鋁為主的合金總稱，經(jīng)由過程 添加銅、硅、鎂、鋅、錳和 鎳、鐵、鈦、鉻、鋰等合金元素，在連結(jié) 純鋁質(zhì)輕等長(zhǎng)處 的同時(shí)，其“比強(qiáng)度”可勝過許多 合金鋼，成為幻想 的構(gòu)造 材料，普遍 用于機(jī)械制造、運(yùn)輸機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械及航空工業(yè)等方面。飛機(jī)的機(jī)身、蒙皮、壓氣機(jī)等經(jīng)常使用 鋁合金制造，以減輕自重。其典型用處 還包羅飛機(jī)發(fā)念頭 和柴油發(fā)念頭 活塞、飛機(jī)發(fā)念頭 汽缸頭、噴氣發(fā)念頭 葉輪、航空器構(gòu)造 鉚釘、螺旋槳葉片、導(dǎo)彈構(gòu)件、卡車輪轂、儲(chǔ)存 容器、薄板加工件、深拉或旋壓凹形器皿、焊接零部件、熱交流 器、印刷板、銘牌、反光用具 等。

另外一 方面，跟著 科學(xué)手藝 的成長(zhǎng) 和尖端產(chǎn)物 的日趨 邃密精美化、集成化和微型化，細(xì)小 孔加工的數(shù)目 愈來愈 多，對(duì)加工質(zhì)量的要求也愈來愈 高。雖然 加工細(xì)小 孔的工藝方式 有許多 ，例如激光束、電子束、離子束和電火花加工等，然則 在國(guó)表里 利用最普遍 、適用 性最強(qiáng)的依然 是麻花鉆機(jī)械鉆孔[1]。

鋁合金強(qiáng)度和硬度相對(duì)較低、對(duì)刀具磨損小，且熱導(dǎo)率較高，使切削溫度較低，所以鋁合金的切削加工性較好，屬于易加工材料，適于較高切削速度切削。高速鉆削時(shí)主軸的轉(zhuǎn)速每每在10000r/min以上。然則 ，鋁合金熔點(diǎn)較低，溫度升高后塑性增年夜 ，在高溫高壓感化 下，切屑界面磨擦 力很年夜 ，切屑易熔結(jié)在刀刃上而粘刀。熔結(jié)物被后續(xù)加工沖擊脫落時(shí)也會(huì)造成刀刃缺損[2]。鋁合金的上述切削加工性使得其細(xì)小 孔鉆削加工存在諸多工藝難點(diǎn)。這是由于 ，鉆削加工是切削前提 最卑劣 的加工方式 之一，而鉆削小孔，特別 是直徑1mm及以下的小孔，不單集中了鉆削加工的所有難點(diǎn)，并且 切削前提 較通俗 孔徑鉆削更加 卑劣 。具體表現(xiàn) 在以下幾個(gè)方面[3-4]。

（1）細(xì)小 鉆頭的剛度隨孔徑的減小和鉆孔長(zhǎng)度比的增添 而急劇下降。為了盡可能 填補(bǔ) 細(xì)小 鉆頭剛度的不足，細(xì)小 鉆頭的鉆芯厚度相對(duì)較年夜 ：直徑年夜 于1mm的鉆頭的鉆芯厚度與鉆頭直徑的比值每每小于0.2，而細(xì)小 鉆頭通常是 0.3~0.4。鉆芯厚度年夜 ，則橫刃寬、螺旋槽淺，鉆削前提 惡化。入鉆時(shí)，橫刃會(huì)使鉆尖在工作輪廓游動(dòng)，粉碎入鉆定位精度，橫刃越寬，游動(dòng)就越嚴(yán)重。鉆削時(shí)橫刃處于副前角切削狀況 ，橫刃越寬，切削抗力越年夜 ，鉆頭的負(fù)荷也就越年夜 。

鉆頭螺旋槽的功能主如果 容屑、排屑和導(dǎo)入切削液。螺旋槽淺，則容屑能力差，排屑堅(jiān)苦，切屑與已加工輪廓刮擦嚴(yán)重，影響輪廓質(zhì)量，并易造成切屑梗塞 ，同時(shí)切削液難以到達(dá)切削區(qū)域，冷卻潤(rùn)滑結(jié)果 極差。出口毛刺與軸向切削力親切 相干 ，而軸向鉆削力首要 來自于橫刃，橫刃越寬，軸向鉆削力就越年夜 ，出口毛刺就越嚴(yán)重。

（2）麻花鉆頭屬于構(gòu)造 外形 對(duì)照 復(fù)雜的刀具，為減輕導(dǎo)向部份 與孔壁的磨擦 ，尺度 麻花鉆在導(dǎo)向部份 制有較窄的棱邊，并且 從外圓向尾部制成倒錐，構(gòu)成 較窄的副后刃面和年夜 于0°的副偏刃角。

對(duì) 利用最普遍 的高速鋼細(xì)小 麻花鉆頭，為了提高其剛度、強(qiáng)度和 從便于制造斟酌 ，每每沒有棱邊和倒錐，構(gòu)成 副后角為0°的較寬年夜 的副后刃面和0°副偏角，所以鉆削進(jìn)程 中導(dǎo)向部份 與孔壁磨擦 嚴(yán)重。

由于本身 構(gòu)造 的缺點(diǎn) 和細(xì)小 孔鉆削的卑劣 工藝前提 ，細(xì)小 麻花鉆利用于鋁合金細(xì)小 孔加工時(shí)，鉆偏、粘刀、切屑梗塞 、環(huán)繞糾纏 等問題經(jīng)常造成鉆頭折斷，并且 折斷部份 很難從工件中掏出 ，常以工件報(bào)廢而了結(jié) 。細(xì)小 鉆頭壽命的分離性極年夜 ，是以 在許多環(huán)境下，分外是在鉆削珍貴 工件時(shí)，不能不 在遠(yuǎn)未到達(dá) 鉆頭壽命平均值時(shí)就將鉆頭提早 換失落 ，造成鉆頭和輔助工時(shí)的極年夜 浪擲。細(xì)小 孔鉆削加工中避免鉆頭折斷、提高鉆頭壽命、庇護(hù)工件的路子 首要 有2種：一是針對(duì)工件材料的切削機(jī)能 ，保舉 優(yōu)化的切削參數(shù)、削減 切削力、提高鉆頭耐費(fèi)用 。二是在線及時(shí) 監(jiān)測(cè)鉆削進(jìn)程 ，在到達(dá) 監(jiān)測(cè)閾值時(shí)預(yù)告 換刀，來提高鉆頭行使 率。

本課題經(jīng)由過程 年夜 量的鋁合金細(xì)小 孔鉆削實(shí)驗(yàn) ，研究高速鉆削進(jìn)程 中動(dòng)態(tài)切削力（軸向力和扭矩）的轉(zhuǎn)變 特征，和 鉆削工藝參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)切削力的影響紀(jì)律 。由此，以切削力最小為優(yōu)化目的 ，經(jīng)由過程 優(yōu)化鉆削工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)鋁合金細(xì)小 孔鉆削工藝機(jī)能 的改良 、提高鉆頭耐費(fèi)用 。

鋁合金細(xì)小 孔鉆削實(shí)驗(yàn)

鋁合金細(xì)小 孔鉆削實(shí)驗(yàn) 在一臺(tái)自行研制的高速數(shù)控鉆床長(zhǎng)進(jìn) 行，該鉆床的首要 手藝 參數(shù)為：加工孔徑0.2~1mm，加工深度0~8mm，最高主軸轉(zhuǎn)速27000r/min，進(jìn)給速度0~1mm/s。實(shí)驗(yàn) 系統(tǒng)示意圖如圖1所示，工件安裝于工作臺(tái)上，用四爪卡盤固定。工件上安裝有應(yīng)變片式軸向力-扭矩二份量 測(cè)力儀，其量程別離為20kg及500N·mm，精度3‰。傳感器的2路輸出旌旗燈號(hào) 經(jīng)測(cè)力儀內(nèi)置放年夜 器放年夜 后，毗鄰 研華公司16位高速數(shù)據(jù)收集 卡的A/D采樣端，采樣后的離散化數(shù)據(jù)輸入較量爭(zhēng)論 機(jī)留存 以便后續(xù)闡明處置。丈量 時(shí)的采樣頻率為2000Hz。

高速切削加工鋁合金時(shí)，可供選擇的刀具材料有硬質(zhì)合金、陶瓷、金屬陶瓷、聚晶金剛石等。實(shí)驗(yàn) 采取 直徑1mm的硬質(zhì)合金尺度 麻花鉆在鋁合金工件上鉆孔，不使用切削液。刀具材料YG6A，工件為L(zhǎng)Y12硬鋁合金。實(shí)驗(yàn) 的主軸轉(zhuǎn)速為8000~22000r/min，進(jìn)給速度為12~60mm/min。改變主軸轉(zhuǎn)速或進(jìn)給速度加工各孔時(shí)，收集 各鉆孔進(jìn)程 中的軸向力和扭矩?cái)?shù)據(jù)，研究鋁合金細(xì)小 孔鉆削的旌旗燈號(hào) 特征，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行闡明處置，進(jìn)一步研究主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)鉆削力的影響紀(jì)律 。

圖2是主軸轉(zhuǎn)速16000r/min、進(jìn)給速度12mm/min實(shí)驗(yàn) 前提 下在鋁合金工件上鉆一φ1mm盲孔時(shí)測(cè)得的軸向力和扭矩時(shí)域旌旗燈號(hào) 。圖中橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù)。如圖2所示，在入鉆、鉆削和 退刀的3個(gè)階段鉆頭切削力旌旗燈號(hào) 臺(tái)階性轉(zhuǎn)變 十分較著。進(jìn)一步，在鉆削進(jìn)程 中跟著 鉆孔深度的加年夜 ，入鉆鉆頭部份 長(zhǎng)徑比的逐步 增添 ，排屑趨于堅(jiān)苦，鉆削前提 惡化，軸向力和扭矩呈逐步 增添 的趨向 。如許 特點(diǎn)的軸向力和扭矩時(shí)域旌旗燈號(hào) 在實(shí)驗(yàn) 中十分普遍。一旦呈現(xiàn)切屑梗塞 ，軸向力和扭矩跨越 極限，直徑細(xì)小 的鉆頭即折斷。研究鋁合金細(xì)小 孔鉆削的實(shí)驗(yàn) 也注解 ，切屑梗塞 釀成的 鉆頭折斷是鉆頭破壞 的首要 緣由 。

鋁合金細(xì)小 孔鉆削工藝參數(shù)的影響紀(jì)律

影響鋁合金細(xì)小 孔鉆削工藝機(jī)能 的身分 ，除刀具材料之外 ，主如果 主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度等鉆削工藝參數(shù)。本節(jié)按照上述鋁合金細(xì)小 孔鉆削實(shí)驗(yàn) 后果，對(duì)收集 的鉆孔進(jìn)程 鉆削力（軸向力和扭矩）數(shù)據(jù)進(jìn)行闡明處置，摸索主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)鉆削力的影響紀(jì)律 ，以進(jìn)一步研究鉆削工藝參數(shù)對(duì)鋁合金細(xì)小 孔鉆削工藝機(jī)能 的影響。

鉆削力數(shù)據(jù)闡明處置的方式 是，針對(duì)各孔加工中測(cè)的軸向力和扭矩?cái)?shù)據(jù)，別離求其在鉆削階段數(shù)據(jù)的平均值，作為該孔加工中鉆頭承受的軸向力和扭矩實(shí)驗(yàn) 值。

1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)鉆削力的影響紀(jì)律

進(jìn)行鋁合金細(xì)小 孔鉆削實(shí)驗(yàn) ，在12mm/min、24mm/min、36mm/min、48mm/min和60mm/min的分歧 進(jìn)給速度下考查 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)鉆削軸向力和扭矩的影響。主軸轉(zhuǎn)速為8000~22000r/min。

圖3和圖4別離為分歧 進(jìn)給速度下改變主軸轉(zhuǎn)速時(shí)各孔加工中軸向力和扭矩實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)的匯總圖。由此可知整體 的趨向 是：跟著 主軸轉(zhuǎn)速增添 ，軸向力和扭矩逐步 減??；主軸轉(zhuǎn)速為16000r/min時(shí)，軸向力和扭矩最??；以后 ，跟著 主軸轉(zhuǎn)速增添 ，軸向力和扭矩又最先 逐步 增年夜 。上述紀(jì)律 其實(shí)不 由于 進(jìn)給速度的分歧 而改變。

2 進(jìn)給速度對(duì)鉆削力的影響紀(jì)律

進(jìn)行鋁合金細(xì)小 孔鉆削實(shí)驗(yàn) ，在8000r/min、10000r/min、12000r/min、14000r/min、16000r/min、18000r/min、20000r/min和22000r/min的分歧 主軸轉(zhuǎn)速下考查 進(jìn)給速度對(duì)鉆削軸向力和扭矩的影響。進(jìn)給速度為12~60mm/min。圖5和圖6別離為分歧 主軸轉(zhuǎn)速下改變進(jìn)給速度時(shí)鋁合金細(xì)小 孔鉆削加工中軸向力和扭矩實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù)的匯總圖。一樣 ，整體 的趨向 是：跟著 進(jìn)給速度增添 ，軸向力和扭矩逐步 減??；進(jìn)給速度為36mm/min時(shí)，軸向力和扭矩最??；以后 ，跟著 進(jìn)給速度增添 ，軸向力和扭矩又最先 逐步 增年夜 。上述紀(jì)律 其實(shí)不 由于 主軸轉(zhuǎn)速的分歧 而改變。

3 實(shí)驗(yàn) 后果闡明

由以上實(shí)驗(yàn) 后果可以得出，鋁合金細(xì)小 孔鉆削中的最好 主軸轉(zhuǎn)速是16000r/min，最好 進(jìn)給速度是36mm/min。在此切削前提 下進(jìn)行鉆孔加工，軸向力和扭矩最小。按照金屬切削機(jī)理，切削力小，切削發(fā)生 的熱量少，切削區(qū)溫度低，切屑熔結(jié)等粘刀現(xiàn)象削減 ，不但 刀刃磨損和缺損削減 ，并且 刀屑磨擦 減小，切屑處置性改良 ，切屑梗塞 的風(fēng)險(xiǎn)下降 。是以 ，有益 于避免刀具折斷，耽誤 刀具壽命。

切削熱是由切削功轉(zhuǎn)變而來的，個(gè)中 包羅彈性、塑性變形發(fā)生 的熱量和所有磨擦 發(fā)生 的熱量。主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度增添 ，單元 切除率增添 ，切削功增添 ，轉(zhuǎn)變的切削熱增添 。使用切削液時(shí)，切削熱首要 由切削液帶走；不消 切削液時(shí)，切削熱首要 由切屑、工件和刀具帶走或傳出。通俗 鉆削時(shí)各傳熱序言 切削熱傳出的比例為切屑28%、工件52.5%、刀具14.5%、四周 介質(zhì)5%[5]。在高速切削前提 下，切削熱被切屑帶走的比例年夜 年夜 增添 。且切削速度越高，由切屑帶走的熱量越多，傳入工件和刀具的熱量就越少[6-7]。

在8000~16000r/min和 進(jìn)給速度12~36mm/min局限 ，跟著 主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度增年夜 ，切削功增添 后雖然發(fā)生 的熱量增添 ，但小于切屑提速后帶走的熱量，切削區(qū)溫度下降 ，切屑界面熔結(jié)削減 ，切削機(jī)能 改良 使鉆削力下降 。而主軸轉(zhuǎn)速跨越 16000r/min和進(jìn)給速度36mm/min后，即在16000~22000r/min和 進(jìn)給速度36~60mm/min局限 ，跟著 主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度增年夜 ，切削功增添 后發(fā)生 的熱量增添 ，但因回頭 容屑槽排屑能力有限，提速后的切屑能帶走的熱量有限，切削區(qū)溫度升高，鉆削進(jìn)程 中生成變質(zhì)層，切屑易熔結(jié)在刀刃上，切屑熔結(jié)物被后續(xù)加工沖擊切削，使鉆削力增年夜 。

可以認(rèn)為，16000r/min和36mm/min是臨界前提 。在該臨界前提 下，鋁合金細(xì)小 孔鉆削進(jìn)程 中切削熱的發(fā)生 與帶走或傳出到達(dá) 了最好 的動(dòng)態(tài)均衡 ，切削力最小，耐費(fèi)用 最高。是以 ，16000r/min和36mm/min是鋁合金細(xì)小 孔鉆削的最好 主軸轉(zhuǎn)速和最好 進(jìn)給速度。

竣事 語

本課題經(jīng)由過程 年夜 量的鉆削實(shí)驗(yàn) 進(jìn)行了鋁合金細(xì)小 孔鉆削特征 和工藝的研究。鋁合金細(xì)小 孔鉆削實(shí)驗(yàn) 在一臺(tái)自行研制的高速數(shù)控鉆床長(zhǎng)進(jìn) 行。實(shí)驗(yàn) 采取 直徑1mm的硬質(zhì)合金尺度 麻花鉆在鋁合金工件上鉆孔，不使用切削液。

刀具材料為YG6A，工件為L(zhǎng)Y12硬質(zhì)合金。首要 結(jié)論以下 ：

（1）高速鉆削進(jìn)程 動(dòng)態(tài)切削力（軸向力和扭矩）的轉(zhuǎn)變 特征研究注解 ，跟著 鉆孔深切 、入鉆鉆頭部份 長(zhǎng)徑比的逐步 增添 ，排屑逐步 堅(jiān)苦，鉆削前提 惡化，使得軸向力和扭矩呈逐步 增添 的趨向 ，一旦跨越 極限即致使 細(xì)小 鉆頭折斷。切屑梗塞 釀成的 鉆頭折斷是鉆頭破壞 的首要 緣由 。

（2）鋁合金細(xì)小 孔鉆削工藝參數(shù)的影響紀(jì)律 研究注解 ，鉆削工藝參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度）對(duì)動(dòng)態(tài)切削力的影響存在臨界值（即最好 工藝參數(shù)）：主軸轉(zhuǎn)速16000r/min和進(jìn)給速度36mm/min。

在該臨界前提 下，鋁合金細(xì)小 孔鉆削進(jìn)程 中切削熱的發(fā)生 與帶走或傳出到達(dá) 了最好 的動(dòng)態(tài)均衡 ，進(jìn)行鋁合金細(xì)小 孔鉆削加工切削力最小，有益 于改良 鋁合金細(xì)小 孔鉆削前提 ，提高刀具耐費(fèi)用 。