修改結構參數提高復磨槍鉆壽命的實驗研究

牛 宏 寶, 張 偉

( 大連工業大學 機械工程與自動化學院, 遼寧 大連 116034 )

0 引 言

槍鉆的主要特點是高深徑比,并且粗精加工一次加工成型。槍鉆結構精巧,價格昂貴,但是可以復磨[1],一般可復磨4～5次,可以提高槍鉆的總體壽命。通常復磨時采用原來的結構參數,這樣不僅不能恢復原有鉆型,而使刀具壽命顯著降低,并不能獲得復磨應有的效益。深孔加工中不易散熱、排屑[2],特別在高速、微潤滑條件下更為嚴重。磨損以及燒傷明顯地呈現在鉆尖的外圓倒角部分。復磨時應該把這部分及其影響去掉,也就是修改鉆尖的結構參數。國內某發動機廠的S48CSIV曲軸油孔加工所用的整體合金槍鉆,新刀具的壽命為70件,復磨時按常規采用原來的結構參數,刀具壽命僅為20件。作者初步分析其磨損、燒傷機理,提出復磨時修改結構參數的方法。

1 實驗設置

工件為發動機的曲軸油孔。材料為鍛造S48CSIV,硬度(25±5) HRC。槍鉆規格為Ф 5.5 mm×220 mm,帶斷屑槽,外緣轉點有倒角。合金材料為K15,有TiAlN涂層。機床為TBT專用機床,采用MQL冷卻,體積流量11～15 m3/h,MQL壓力1.9 MPa。加工參數:槍鉆進給分4步,剛進去和快鉆通時進給量參數分別為70 mm/min(0.015 mm/r),245 mm/min(0.055 mm/r),300 mm/min(0.068 mm/r),200 mm/min(0.045 mm/r)。主軸轉速為4 400 r/min(76 mm/min)。

TBT深孔加工機床有附帶的扭矩報警機構。 實驗還配備了刀具角度測量儀及磨損觀測顯微鏡。

2 鉆磨損分析和結構參數修改

2.1 新槍鉆的壽命及磨損分析

新刀加工到70件,報警停機,取下來準備修磨。首先在顯微鏡下進行觀察:外緣倒角處的磨損較大(圖1),倒角后刀面及側刃燒傷呈黑色(圖2)。刀具距離鉆尖較近的油隙部位有少部分呈黑色。

圖1 磨損

圖2 高溫燒傷

前刀面和后刀面都容易磨損。但前刀面磨有斷屑槽,使排屑通暢,卻降低了刀具切削刃的強度,使切削刃容易磨損,尤其倒角處的強度最低,磨損也最大(圖1)。同時由于有斷屑槽使切削部分的體積減小,降低了刀具的散熱體積,使切削區域的溫度不容易降低。倒角處的散熱體積最小,熱量不容易散出,而側刃在切削時線速度最高,產生的熱量最多。所以在切削區域溫度已經較高的基礎上,倒角處和側刃處的溫度最高,燒傷最嚴重[3](圖2)。因此復磨時應該修改倒角。進一步用幾何參數測量儀檢測:磨損后的倒角14°,大于一般正常的12°。

2.2 第1次結構參數修改及修磨

根據新槍鉆的磨損分析,第1次修磨時將倒角減為10°,以增大倒角處的強度和刀具的散熱體積[4],然后試切削。修磨后的刀具加工到35件機床報警?？梢娺@次修磨后刀具壽命降低還很大,改進的效果不明顯。同時產生了新問題:刀尖倒角嚴重燒傷和干涉,磨損嚴重呈黑色,刀尖后刀面和內刃后刀面有干涉現象(圖3)。

2.3 第2次結構參數修改及修磨

為了減少干涉,增大內刃后角和刀尖后角,各增大1°,倒角第二后角增大1°,并增大刀尖倒角,減少圓周部位的干涉現象,在修磨時盡量去掉涂層磨損較多的部分。

第2次改進后再修磨并試運行。由于干涉現象得到改善,所以加工扭矩減小,沒有報警,刀具壽命提高到45件。經顯微鏡觀測,干涉現象雖有很大改觀,但刀具的外刃后刀面磨損嚴重,刀具第一后刀面完全磨損,第二后刀面大部分磨損(圖4)。最終由于扭矩過大,機床報警。為此,再做第3次改進。

圖3 干涉

2.4 第3次結構參數修改及修磨

目前需要增加外刃的強度,減小磨損到第二后刀面時的扭矩。因此,外刃第一后角增大1°,第二后角減小1°。結構參數改進后復磨的刀具壽命增加到55件。

3 結束語

(1)經過3次修改可以使復磨后刀具壽命達到55件。雖然低于新鉆頭的70件,比按原參數復磨的20件顯著提高。該方法的本質是去掉鉆尖上磨損、燒傷部位,并代之以合理的結構參數(角度)。因此關鍵性步驟是對被損傷部位的顯微觀察以及角度測量。

(2)這個方法雖然在實際生產試運行中得到證實,但是還在實驗階段。只考察了一種材質的曲軸油孔鉆削,缺少對多種材質和多次反復的研究。還有一個缺陷是實際操作中的觀察、測量顯得煩瑣,不宜于生產實際,需要規范化。最好是補充專用量儀并配備相應的軟件系統。

[1] 張波. 槍鉆加工滲碳鋼20Cr深孔時斷屑性能的改進[J]. 工具技術, 2008(8):47-49.

[2] 張占陽. 硬質合金高效鉆尖的試驗研究[D]. 大連:大連工業大學, 2006.

[3] 陳云,杜齊明,董萬福. 現代金屬切削刀具實用技術[M]. 北京:化學工業出版社, 2008:28-30.

[4] 倪志福,陳璧光. 群鉆:倪志福鉆頭[M]. 上海:上?？茖W技術出版社, 1999:63-65.

[5] 陳日曜. 金屬切削原理[M]. 北京:機械工業出版社, 2002:36-38.