基于BTA深孔鉆鉆削EA4T鋼的切屑形成機(jī)制研究

曲乃恒，沈興全，馮斌

(1. 中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西太原030051;2. 山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心，山西太原030051;3. 中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，浙江寧波315201)

0 前言

近年來(lái)，我國(guó)的高速鐵路(高鐵、快鐵、輕軌、地鐵)等，將呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的格局，如果考慮到現(xiàn)有落后老化機(jī)車車輛的更新?lián)Q代，機(jī)車車輛的需求量還將大大增加。伴隨鐵路建設(shè)規(guī)模和投資規(guī)模的飛速發(fā)展，鐵路裝備的需求也將急劇增長(zhǎng)，這必將為機(jī)械加工業(yè)帶來(lái)大的挑戰(zhàn)，尤其是動(dòng)車的車軸的中心孔的加工問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的動(dòng)車車軸材料主要是EA4T 鋼，屬于高強(qiáng)的合金鋼，屬于難加工材料［1］，并且動(dòng)車車軸的中心孔加工屬于深孔加工問(wèn)題，是加工中的一大難題。然而，在深孔加工過(guò)程中控制切屑的形狀及其大小對(duì)提高工件加工質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率有重大意義。深孔加工的切屑處理不當(dāng)，將使得有限的空間內(nèi)切屑不能正常排出，必會(huì)導(dǎo)致加工不能正常進(jìn)行，造成切屑堵塞、深孔鉆崩壞扭斷，直接導(dǎo)致加工中斷［2－3］。因此，探究BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼的切屑形成機(jī)制具有非常大的現(xiàn)實(shí)意義。

BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼試驗(yàn)是在中北大學(xué)山西省深孔加工工程技術(shù)研究中心加工某動(dòng)車車軸的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。在BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼過(guò)程中，通過(guò)改變主軸進(jìn)給量、切削速度，來(lái)觀察加工過(guò)程中產(chǎn)生的切屑的形態(tài)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出兩者之間的關(guān)系。在次基礎(chǔ)上反推出BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼的切削用量控制范圍。該實(shí)驗(yàn)研究豐富了深孔加工理論，豐富了BTA 鉆鉆削EA4T 鋼過(guò)程中切屑控制理論，對(duì)提高實(shí)際生產(chǎn)效率有重要的意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及其參數(shù)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

T2120 深孔鉆鏜床，專門加工圓柱形深孔工件的設(shè)備，鉆削時(shí)采用內(nèi)排屑法排屑，機(jī)床床身剛性強(qiáng)，精度保持性好。主軸轉(zhuǎn)速范圍廣，進(jìn)給系統(tǒng)由日本安川交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能適應(yīng)各種深孔加工工藝的需要。授油器禁固和工件頂緊采用液壓裝置，儀表顯示，安全可靠。該機(jī)床的鉆孔直徑范圍φ20 ～φ80 m，滿足該實(shí)驗(yàn)的鉆削加工要求。

1.2 試驗(yàn)材料

EA4T 鋼成分如表1 所示，材料經(jīng)鍛造后正火［4］，工件形狀尺寸如圖1 所示。

表1 EA4T 鋼的成分

圖1 車軸尺寸形狀

1.3 試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

安裝好工件及刀具系統(tǒng)，使得工件的安裝精度的徑向跳動(dòng)為0.2 mm，端面跳動(dòng)為0.12 mm;刀桿的安裝精度相對(duì)機(jī)床主軸跳動(dòng)為0.2 mm。實(shí)驗(yàn)中切削液類型為乳化液，切削液流量設(shè)置為q =100 L/min，切削液壓力設(shè)置為p=2.50 MPa［5－9］。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果討論

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄

A 組實(shí)驗(yàn)根據(jù)BTA 的鉆切削特性，基于實(shí)驗(yàn)材料EA4T 鋼的材料特性，以及車軸的工藝特性，參考瑞典山特維克公司推薦的切削速度［2－3］，設(shè)定8 個(gè)切削速度，同時(shí)參考瑞典山特維克公司推薦的切削進(jìn)給量范圍，選擇f=0.16 mm/r，通過(guò)改變切削速度來(lái)觀察切屑的形態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 改變切削速度的變化對(duì)切屑形狀的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

B 組實(shí)驗(yàn)根據(jù)BTA 的鉆切削特性，基于實(shí)驗(yàn)材料EA4T 鋼的材料特性，以及車軸的工藝特性，參考瑞典山特維克公司推薦的切削用量［2－3］，根據(jù)實(shí)驗(yàn)一的結(jié)論選擇較理想的切削速度作為第二次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，設(shè)定了7 個(gè)進(jìn)給量參數(shù)，通過(guò)改變不同的進(jìn)給量來(lái)觀察切屑的形態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 切削速度v=50 m/min 進(jìn)給量的改變對(duì)切屑形狀的影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

在第一組實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)切削速度低于20 m/min 時(shí)，切削吃力，鉆桿振動(dòng)強(qiáng)烈，停止實(shí)驗(yàn)。當(dāng)切削速度在30 ～40 m/min 時(shí)，切削輕快，可以看到剪切面的條紋，肉眼看起來(lái)大體上平整的卷曲帶狀屑，切屑形狀如圖2 (a)所示。當(dāng)切削速度在40 ～60 m/min 時(shí)，切削輕快，得到標(biāo)準(zhǔn)C 型屑，如圖2 (b)所示，當(dāng)切削速度為70 m/min 時(shí)，得到節(jié)狀C 型帶狀屑，如圖2 (c)所示，當(dāng)切削速度大于70 m/min 時(shí)，機(jī)床剛度不足，停止實(shí)驗(yàn)。

第二組實(shí)驗(yàn)是基于第一組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的，在得到標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)C 型屑的切削速度范圍內(nèi)選擇切削速度v =50 m/min 進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，避免切削速度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成不必要的影響。當(dāng)在剛剛開(kāi)始入鉆時(shí)，進(jìn)給量控制在0.12 ～0.14 mm/r 時(shí)，得到較薄的節(jié)狀C 型帶狀屑，如圖2 (d)所示。隨著進(jìn)給量的增加，當(dāng)進(jìn)給量控制在0.14 mm/r 時(shí)，得到無(wú)規(guī)則亂纏式帶狀切屑帶狀屑，如圖2 (e)所示，當(dāng)進(jìn)給量控制在0.16 ～0.20 mm/r 時(shí)，得到標(biāo)準(zhǔn)的C 型屑，如圖2 (b)所示，當(dāng)進(jìn)給量為0.22 mm/r 時(shí)，得到節(jié)狀C 型帶狀屑，如圖2 (c)所示，當(dāng)進(jìn)給量大于0.22 mm/r 時(shí)，機(jī)床剛性不足，停止實(shí)驗(yàn)。

圖2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的切屑形態(tài)

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析

A 組實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析:剛開(kāi)始切削時(shí)，由于鉆尖剛?cè)脬@時(shí)，屬于不穩(wěn)定切削，鉆頭受力不均勻，導(dǎo)致切削吃力，鉆桿振動(dòng)強(qiáng)烈。當(dāng)切削速度在30 ～60 m/min 這一階段切削均勻，鉆頭受力穩(wěn)定，使得鉆削相對(duì)平穩(wěn)，斷屑均勻，得到較為標(biāo)準(zhǔn)的C 形屑。當(dāng)切削速度控制在60 ～70 m/min 時(shí)，由于切削速度相對(duì)較快，刀片的斷屑槽與切屑的接觸時(shí)間縮短，斷屑性能下降，導(dǎo)致產(chǎn)生節(jié)狀C 型帶狀屑。

B 組實(shí)驗(yàn)結(jié)論分析:當(dāng)進(jìn)給量選為0.12 mm/r時(shí)，由于進(jìn)給量較小，刀片所受到的軸向力較小，只是輕微地在工件表面劃過(guò)，導(dǎo)致切屑較薄。當(dāng)進(jìn)給量選為0.14 mm/r 時(shí)，隨著進(jìn)給量的增大，刀片所受到的軸向力也開(kāi)始增大，但是斷屑槽的作用沒(méi)有得到很好的發(fā)揮，切屑沒(méi)有被及時(shí)切斷，并且切屑較薄，最后形成無(wú)規(guī)則亂纏式帶狀切屑帶狀屑。當(dāng)選取進(jìn)給量為0.16 ～0.20 mm/r 時(shí)，切削平穩(wěn)，進(jìn)給量變大使得切屑變厚，斷屑效果良好，產(chǎn)生如圖2 (e)所示的節(jié)狀C 型帶狀屑。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼實(shí)驗(yàn)，可以很明顯看出在鉆削過(guò)程中，切削的速度對(duì)切屑的形成形態(tài)有著直接的影響，當(dāng)切削速度過(guò)小時(shí)，切削吃力，出現(xiàn)啃刀現(xiàn)象，當(dāng)切削速度過(guò)大時(shí)，機(jī)床剛性不足，不能進(jìn)行正常切削。在實(shí)際鉆削EA4T 鋼的中，切削速度在40 ～70 m/min 的范圍內(nèi)進(jìn)行選取，進(jìn)給量可以控制在0.16 ～0.22 mm/r 范圍內(nèi)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，基于BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼的切屑形成機(jī)制研究實(shí)驗(yàn)為BTA 深孔鉆鉆削EA4T 鋼的切削速度選取和進(jìn)給量的控制提供了一個(gè)數(shù)據(jù)參考范圍，提高了實(shí)際的加工效率。

［1］李炳華，杜欣．高速機(jī)車車輛車軸的疲勞設(shè)計(jì)［J］．內(nèi)燃機(jī)車，2000，311(1):14－20．

［2］王峻．現(xiàn)代深孔加工技術(shù)［M］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005:92－101．

［3］王世清．深孔加工技術(shù)［M］．西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，2003:5－9．

［4］周平宇．高速動(dòng)車組車軸材料及疲勞設(shè)計(jì)方法［J］．鐵道車輛，2009，47(2):29－31．

［5］李言，孔令飛．振動(dòng)切削深孔加工初始偏差對(duì)孔直線度誤差的影響［J］．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48(13):167－173．

［6］江敏，苗鴻斌，高騰．內(nèi)外切削液共同作用下的BTA 鉆桿的渦動(dòng)條件［A］．機(jī)床與液壓，2013，41(23):20－23．

［7］DENG C S，CHIN J H．Roundness Errors in BTA Drilling and a Model of Waviness and Lobing Caused by Resonant Forced Vibrations of its Long Drill Shaft［J］．ASME，Journal of Manufacturing Science and Engineering，2004，126:524－534．

［8］楊順田，候忠坤．深孔鉆削中受力分析與切削參數(shù)定量分析［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013(1):113－117．

［9］SZEPANNEK G，RAABE N，WEBBER O，et al．Prediction of Spiralling in BTA Deep-hole Drilling-estimating the System's Eigen-frequencies［R］．Dortmund:University of Dortmund，2006．