鋁合金細小 孔鉆削特征 和工藝的研究

鋁合金細小 孔鉆削加工及其工藝難點

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)輕等長處 的同時，其“比強度”可勝過許多 合金鋼，成為幻想 的構(gòu)造 材料，普遍 用于機械制造、運輸機械、動力機械及航空工業(yè)等方面。飛機的機身、蒙皮、壓氣機等經(jīng)常使用 鋁合金制造，以減輕自重。其典型用處 還包羅飛機發(fā)念頭 和柴油發(fā)念頭 活塞、飛機發(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、導彈構(gòu)件、卡車輪轂、儲存 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 科學手藝 的成長 和尖端產(chǎn)物 的日趨 邃密精美化、集成化和微型化，細小 孔加工的數(shù)目 愈來愈 多，對加工質(zhì)量的要求也愈來愈 高。雖然 加工細小 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 在國表里 利用最普遍 、適用 性最強的依然 是麻花鉆機械鉆孔[1]。

鋁合金強度和硬度相對較低、對刀具磨損小，且熱導率較高，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。高速鉆削時主軸的轉(zhuǎn)速每每在10000r/min以上。然則 ，鋁合金熔點較低，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)加工沖擊脫落時也會造成刀刃缺損[2]。鋁合金的上述切削加工性使得其細小 孔鉆削加工存在諸多工藝難點。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，并且 切削前提 較通俗 孔徑鉆削更加 卑劣 。具體表現(xiàn) 在以下幾個方面[3-4]。

（1）細小 鉆頭的剛度隨孔徑的減小和鉆孔長度比的增添 而急劇下降。為了盡可能 填補 細小 鉆頭剛度的不足，細小 鉆頭的鉆芯厚度相對較年夜 ：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，橫刃會使鉆尖在工作輪廓游動，粉碎入鉆定位精度，橫刃越寬，游動就越嚴重。鉆削時橫刃處于副前角切削狀況 ，橫刃越寬，切削抗力越年夜 ，鉆頭的負荷也就越年夜 。

鉆頭螺旋槽的功能主如果 容屑、排屑和導入切削液。螺旋槽淺，則容屑能力差，排屑堅苦，切屑與已加工輪廓刮擦嚴重，影響輪廓質(zhì)量，并易造成切屑梗塞 ，同時切削液難以到達切削區(qū)域，冷卻潤滑結(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 ，出口毛刺就越嚴重。

（2）麻花鉆頭屬于構(gòu)造 外形 對照 復雜的刀具，為減輕導向部份 與孔壁的磨擦 ，尺度 麻花鉆在導向部份 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 利用最普遍 的高速鋼細小 麻花鉆頭，為了提高其剛度、強度和 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，所以鉆削進程 中導向部份 與孔壁磨擦 嚴重。

由于本身 構(gòu)造 的缺點 和細小 孔鉆削的卑劣 工藝前提 ，細小 麻花鉆利用于鋁合金細小 孔加工時，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 ，常以工件報廢而了結(jié) 。細小 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，不能不 在遠未到達 鉆頭壽命平均值時就將鉆頭提早 換失落 ，造成鉆頭和輔助工時的極年夜 浪擲。細小 孔鉆削加工中避免鉆頭折斷、提高鉆頭壽命、庇護工件的路子 首要 有2種：一是針對工件材料的切削機能 ，保舉 優(yōu)化的切削參數(shù)、削減 切削力、提高鉆頭耐費用 。二是在線及時 監(jiān)測鉆削進程 ，在到達 監(jiān)測閾值時預告 換刀，來提高鉆頭行使 率。

本課題經(jīng)由過程 年夜 量的鋁合金細小 孔鉆削實驗 ，研究高速鉆削進程 中動態(tài)切削力（軸向力和扭矩）的轉(zhuǎn)變 特征，和 鉆削工藝參數(shù)對動態(tài)切削力的影響紀律 。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)實現(xiàn)鋁合金細小 孔鉆削工藝機能 的改良 、提高鉆頭耐費用 。

鋁合金細小 孔鉆削實驗

鋁合金細小 孔鉆削實驗 在一臺自行研制的高速數(shù)控鉆床長進 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，進給速度0~1mm/s。實驗 系統(tǒng)示意圖如圖1所示，工件安裝于工作臺上，用四爪卡盤固定。工件上安裝有應變片式軸向力-扭矩二份量 測力儀，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 經(jīng)測力儀內(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)輸入較量爭論 機留存 以便后續(xù)闡明處置。丈量 時的采樣頻率為2000Hz。

高速切削加工鋁合金時，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。實驗 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LY12硬鋁合金。實驗 的主軸轉(zhuǎn)速為8000~22000r/min，進給速度為12~60mm/min。改變主軸轉(zhuǎn)速或進給速度加工各孔時，收集 各鉆孔進程 中的軸向力和扭矩數(shù)據(jù)，研究鋁合金細小 孔鉆削的旌旗燈號 特征，并對數(shù)據(jù)進行闡明處置，進一步研究主軸轉(zhuǎn)速和進給速度對鉆削力的影響紀律 。

圖2是主軸轉(zhuǎn)速16000r/min、進給速度12mm/min實驗 前提 下在鋁合金工件上鉆一φ1mm盲孔時測得的軸向力和扭矩時域旌旗燈號 。圖中橫坐標為采樣點數(shù)。如圖2所示，在入鉆、鉆削和 退刀的3個階段鉆頭切削力旌旗燈號 臺階性轉(zhuǎn)變 十分較著。進一步，在鉆削進程 中跟著 鉆孔深度的加年夜 ，入鉆鉆頭部份 長徑比的逐步 增添 ，排屑趨于堅苦，鉆削前提 惡化，軸向力和扭矩呈逐步 增添 的趨向 。如許 特點的軸向力和扭矩時域旌旗燈號 在實驗 中十分普遍。一旦呈現(xiàn)切屑梗塞 ，軸向力和扭矩跨越 極限，直徑細小 的鉆頭即折斷。研究鋁合金細小 孔鉆削的實驗 也注解 ，切屑梗塞 釀成的 鉆頭折斷是鉆頭破壞 的首要 緣由 。

鋁合金細小 孔鉆削工藝參數(shù)的影響紀律

影響鋁合金細小 孔鉆削工藝機能 的身分 ，除刀具材料之外 ，主如果 主軸轉(zhuǎn)速和進給速度等鉆削工藝參數(shù)。本節(jié)按照上述鋁合金細小 孔鉆削實驗 后果，對收集 的鉆孔進程 鉆削力（軸向力和扭矩）數(shù)據(jù)進行闡明處置，摸索主軸轉(zhuǎn)速和進給速度對鉆削力的影響紀律 ，以進一步研究鉆削工藝參數(shù)對鋁合金細小 孔鉆削工藝機能 的影響。

鉆削力數(shù)據(jù)闡明處置的方式 是，針對各孔加工中測的軸向力和扭矩數(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驗 值。

1 主軸轉(zhuǎn)速對鉆削力的影響紀律

進行鋁合金細小 孔鉆削實驗 ，在12mm/min、24mm/min、36mm/min、48mm/min和60mm/min的分歧 進給速度下考查 主軸轉(zhuǎn)速對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 進給速度下改變主軸轉(zhuǎn)速時各孔加工中軸向力和扭矩實驗 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，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 。上述紀律 其實不 由于 進給速度的分歧 而改變。

2 進給速度對鉆削力的影響紀律

進行鋁合金細小 孔鉆削實驗 ，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 進給速度對鉆削軸向力和扭矩的影響。進給速度為12~60mm/min。圖5和圖6別離為分歧 主軸轉(zhuǎn)速下改變進給速度時鋁合金細小 孔鉆削加工中軸向力和扭矩實驗 數(shù)據(jù)的匯總圖。一樣 ，整體 的趨向 是：跟著 進給速度增添 ，軸向力和扭矩逐步 減??；進給速度為36mm/min時，軸向力和扭矩最??；以后 ，跟著 進給速度增添 ，軸向力和扭矩又最先 逐步 增年夜 。上述紀律 其實不 由于 主軸轉(zhuǎn)速的分歧 而改變。

3 實驗 后果闡明

由以上實驗 后果可以得出，鋁合金細小 孔鉆削中的最好 主軸轉(zhuǎn)速是16000r/min，最好 進給速度是36mm/min。在此切削前提 下進行鉆孔加工，軸向力和扭矩最小。按照金屬切削機理，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 的風險下降 。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，切削熱首要 由切削液帶走；不消 切削液時，切削熱首要 由切屑、工件和刀具帶走或傳出。通俗 鉆削時各傳熱序言 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 進給速度12~36mm/min局限 ，跟著 主軸轉(zhuǎn)速和進給速度增年夜 ，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 ，切削機能 改良 使鉆削力下降 。而主軸轉(zhuǎn)速跨越 16000r/min和進給速度36mm/min后，即在16000~22000r/min和 進給速度36~60mm/min局限 ，跟著 主軸轉(zhuǎn)速和進給速度增年夜 ，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 。

可以認為，16000r/min和36mm/min是臨界前提 。在該臨界前提 下，鋁合金細小 孔鉆削進程 中切削熱的發(fā)生 與帶走或傳出到達 了最好 的動態(tài)均衡 ，切削力最小，耐費用 最高。是以 ，16000r/min和36mm/min是鋁合金細小 孔鉆削的最好 主軸轉(zhuǎn)速和最好 進給速度。

竣事 語

本課題經(jīng)由過程 年夜 量的鉆削實驗 進行了鋁合金細小 孔鉆削特征 和工藝的研究。鋁合金細小 孔鉆削實驗 在一臺自行研制的高速數(shù)控鉆床長進 行。實驗 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LY12硬質(zhì)合金。首要 結(jié)論以下 ：

（1）高速鉆削進程 動態(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 長徑比的逐步 增添 ，排屑逐步 堅苦，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）鋁合金細小 孔鉆削工藝參數(shù)的影響紀律 研究注解 ，鉆削工藝參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速和進給速度）對動態(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和進給速度36mm/min。

在該臨界前提 下，鋁合金細小 孔鉆削進程 中切削熱的發(fā)生 與帶走或傳出到達 了最好 的動態(tài)均衡 ，進行鋁合金細小 孔鉆削加工切削力最小，有益 于改良 鋁合金細小 孔鉆削前提 ，提高刀具耐費用 。