鋁合金高精度深孔鏜削加工工藝

南車株洲電力機(jī)車有限公司（湖南 412001) 彭 博

鋁合金因質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高已成為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、鐵道車輛、動(dòng)力機(jī)械及航空工業(yè)等領(lǐng)域。但是鋁合金熔點(diǎn)較低，溫度升高后塑性增大，在高溫高壓作用下，切削界面摩擦力很大，切屑易熔結(jié)在刀刃上而粘刀，不易獲得較高的尺寸精度和低的表面粗糙度值。同時(shí)，深孔加工是機(jī)械行業(yè)中難度較高的一項(xiàng)加工技術(shù)，鋁合金高精度深孔鏜削的主要技術(shù)難點(diǎn)包括:如何獲得平穩(wěn)的切削過程、良好的切屑形成、較高的加工效率、低表面粗糙度值和較高的尺寸精度等。

1.零件分析及加工工序

如圖1所示，縱梁上有8個(gè)孔為φ30H7，表面粗糙度值Ra=1.6μm，深度達(dá)150mm，深徑比達(dá)5∶1，屬于典型的深孔加工。在鏜孔過程中由于刀具振動(dòng)、粘刀、切屑堵塞、纏繞以及冷卻不到位等問題，經(jīng)常造成鏜孔困難而導(dǎo)致加工精度無法得到保證。

圖1 縱梁結(jié)構(gòu)示意圖

通過多次反復(fù)驗(yàn)證，φ30H7深孔采用下列加工方式完成加工:先預(yù)鉆底孔φ29.2mm，然后采用特殊的減振鏜刀分層鏜削。加工時(shí)選擇適當(dāng)?shù)溺M刀、裝夾方式、切削參數(shù)、冷卻方式及切削液來保證深孔鏜削加工。

2.切削加工工藝

(1)刀具選擇:①刀片材料的選擇。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、金屬陶瓷和聚晶金剛石等。其中硬質(zhì)合金材料是最具性價(jià)比的材料，在此實(shí)際加工中選用無涂層的硬質(zhì)合金刀片。這是因?yàn)闊o涂層的刀具比涂層刀具鋒利，可以有效降低切削抗力，比涂層刀具更適合鋁合金的加工。②鏜刀片的選擇。精鏜的刀片應(yīng)該具有正的前傾角、鋒利的切削刃和小的刀尖半徑，以便使徑向切削力最小化。刀片的刀尖半徑是鏜削工序中的一個(gè)關(guān)鍵因素。刀尖半徑的選擇取決于切深和進(jìn)給，并影響表面質(zhì)量、斷屑和刀片強(qiáng)度。在小切深時(shí)，切削合力為徑向力，對(duì)刀片產(chǎn)生向內(nèi)的推力并試圖將刀片推離內(nèi)孔表面。在切深增加時(shí)，切削合力變?yōu)檩S向力。一般經(jīng)驗(yàn)是，在以小切深精加工時(shí)，避免切深小于刀尖半徑的1/3。刀尖半徑與進(jìn)給率共同對(duì)加工的表面質(zhì)量有直接影響。在這種加工場(chǎng)合下選用小刀尖半徑為0.4mm，以便能使用較小切深，減小切削徑向抗力，最終減少振動(dòng)。但是小刀尖半徑的刀片在加工中破裂的風(fēng)險(xiǎn)增加，由于工件材料為鋁合金，硬度比鋼件低，因此選用小刀尖半徑也能保證較高的使用壽命。③鏜刀桿的選擇。在此加工場(chǎng)合下，我們不得不使用長懸伸的刀具，懸伸必須達(dá)到150mm，且刀桿的直徑不能大于30mm。長徑比大于5∶1，此時(shí)鏜刀在加工中很容易產(chǎn)生振動(dòng)。通常情況下只能通過減小切削參數(shù)，降低加工效率，以實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的加工。通過對(duì)比各種刀桿，最終使用減振刀桿，如圖2所示，其內(nèi)置的特殊阻尼減振機(jī)構(gòu)可以將切削振動(dòng)控制到最小，同時(shí)從圖3可以看出，鏜刀的主偏角達(dá)到92°。切削力主要朝向軸向方向，可以在最大程度上降低切削加工時(shí)的徑向力和振動(dòng)，從而即使在大幅提高切削參數(shù)的情況下，仍然能實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定及高效的加工。

圖2 減振鏜刀

圖3 減振鏜刀尺寸

(2)切削參數(shù):鋁合金深孔鏜削時(shí)，排屑和刀具振動(dòng)是影響切削參數(shù)選擇的重要因素。由于孔的尺寸精度要求比較高，精加工的余量設(shè)置為0.8mm左右，分兩次進(jìn)行鏜削。采用減振刀桿，以及92°主偏角和小刀尖圓角半徑的硬質(zhì)合金刀片，通過多次試驗(yàn)得出附表所示最佳的切削參數(shù)。

最佳切削參數(shù)表

(3)冷卻方式及切削液選擇:①在刀具和工件之間進(jìn)行潤滑、冷卻、清洗、防銹和排屑是切削液的主要功能，高精度深孔加工選擇合適的冷卻方式和切削液顯得尤為重要。由于是深孔加工，普通的外部冷卻方式無法達(dá)到切削區(qū)域，不能滿足加工的需要。在選擇刀具和刀柄時(shí)，選用了帶有內(nèi)冷卻供應(yīng)的刀具，有噴嘴將切削液送往切削區(qū)域，這樣可以有效地進(jìn)行潤滑和冷卻，從而對(duì)高精深孔鏜削提供了有力的保障。②通常在鋁合金的高速加工中，主要的切削熱量由切屑帶走，但是切屑易熔結(jié)在刀刃上而粘刀，所以在切削液的選擇上主要考慮其潤滑性和在加工表面的黏附強(qiáng)度，同時(shí)鋁型材的加工如采用乳劑或油類切削液，在加工完后會(huì)殘留切削液在工件型腔里而無法去除，因此在鋁合金型材加工中選用了油霧冷卻的方式，在這里我們選用了美國ITW集團(tuán)ACCU-LUBE(阿庫路巴)LB-6000微量油氣潤滑，微量的潤滑油在刀具工作點(diǎn)形成薄薄的油膜，油膜具有很高的表面黏附強(qiáng)度，潤滑油的高潤滑性使刀片在工作過程中減少摩擦，降低切削應(yīng)力，有效降低加工熱量的產(chǎn)生。這使無論刀具還是工件都保持室溫或者較低的溫度，同時(shí)也避免了高熱膨脹系數(shù)的鋁合金工件由于過熱產(chǎn)生的尺寸變化。

(4)高精鏜削加工方法:鋁合金小徑深孔鏜削工藝除了選用合適的刀具材料、采用減振刀桿、小的刀尖圓角半徑，采用合適的切削參數(shù)、充分的冷卻潤滑以及有效的切屑排出控制外，我們還總結(jié)出一套行之有效的高精鏜削加工方法，即在精鏜高精度深孔時(shí)，必須考慮刀具的徑向偏斜 (讓刀)和刀具旋轉(zhuǎn)中心與機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)中心之間的不對(duì)準(zhǔn)。實(shí)際表明，這可以通過以下方法來完成。如圖4所示，將切深分為兩等分，使得兩次的切削力基本相等，進(jìn)行一次測(cè)量前的切削，然后在刀具仍然在機(jī)床主軸中時(shí)調(diào)整直徑，再進(jìn)行最終的鏜削加工。主要步驟為①首先把鏜刀直徑調(diào)整為29.6mm(29.2mm+0.4mm)，切深為 A1，進(jìn)行第一次測(cè)量前的鏜削。②朝刀尖反方向移動(dòng)0.5mm后抬起主軸。③測(cè)量鏜削后的直徑。④計(jì)算設(shè)置直徑 (29.6mm)與該測(cè)量孔直徑的差值 (ΔD1)，計(jì)算新的切深為A2=0.4+ΔD1+孔公差/2(H7/2)。⑤將刀具直徑增大 (A2)后進(jìn)行第二次最終鏜削。

圖4 精鏜示意圖

3.結(jié)語

為了解決鋁合金縱梁高精度深孔加工的工藝難點(diǎn)，獲得良好的加工質(zhì)量，可以從以下幾方面考慮:

(1)刀具的選擇。通過實(shí)際切削表明，選擇SANDVIK的CoroBore825系列減振鏜刀桿，選用0.4mm刀尖圓角的TCGX-AL鋁合金專用精鏜刀片能有效減少切削過程中的振動(dòng)。

(2)切削參數(shù)的選擇。通過對(duì)比，選擇140m/min的切削速度、0.2mm的吃刀量、0.08mm/r進(jìn)給量能滿足加工要求。

(3)采取內(nèi)冷卻方式和ACCU-LUBE(阿庫路巴)LB-6000油霧切削液能實(shí)現(xiàn)較好的表面質(zhì)量。

(4)在刀具仍安裝在機(jī)床上時(shí)和測(cè)量性切削后，進(jìn)行精鏜刀具直徑的最終調(diào)整。

生產(chǎn)實(shí)際表明，通過以上方法，鋁合金縱梁的φ30H7、表面粗糙度值Ra=1.6μm、深度為150mm的孔全部加工合格，有效地保證了鋁合金縱梁的加工質(zhì)量，提高了加工效率。