不銹鋼深孔加工技術

蔣燈

摘 要：不銹鋼深孔加工由于其材料的硬度高、熱強度較高，孔的長徑比較大，加工難度隨之增加，歷來被視為難度大的加工工序。本文結合實踐探索出正確選擇鉆頭角度，合理選用切削用量及切削液等方法，有效地解決了該技術難題。

關鍵詞：不銹鋼深孔加工鉆頭刃磨切削用量

1、引言

加工零件內孔時，其長徑比≥5，一般稱為深孔加工；長徑比>30，則稱為特殊深孔。長徑比越大，加工難度越大，因而深孔加工，歷來視為加工難度較大的工序之一，為此不斷地探索深孔加工的有效方法，成為工藝設計的重要研究課題。

輸油軸是某設備液壓驅動的主要部件之一，在對該零件進行生產加工中，對長徑比>30的特殊深孔加工，進行了有益的嘗試，取得了較好效果。該零件的基本外形尺寸： 80mm×500mm，材質：0Cr17Ni4Cu4Nb，孔徑分別 14mm，深403mm（鉆孔前含工藝夾位）； 9mm孔深300mm（見圖1所示）：

該工件技術要求高，孔徑小，全部是盲孔。為保證其精度要求，對這道工序來說，無論是工件的加工，還是找正裝夾都有相當大的難度，因此，必須進行認真分析，并制定相應加工工藝過程。

2、主要技術要求和加工難點

（1）該零件材料方面的特殊性0Cr17Ni4Cu4Nb是一種馬氏體沉淀硬化不銹鋼，此鋼除了馬氏體轉變強化外，也通過時效處理達到進一步強化。此工件材料的力學性能和物理性能對切削加工性有一定的影響，具體到這個零件，就是對深孔鉆削加工性的影響，主要有以下幾個方面：

①硬度由于此種不銹鋼在未熱處理強化之前，其金相組織為馬氏體，在切削過程中容易形成加工硬化（冷硬現象），從而使刀具磨損加劇，有時甚至引起振動，增加表面粗糙度，而且切屑硬化后容易折斷，不利于切削區域散熱以及刀具壽命的提高。

②強度不銹鋼有一個很強的特性就是它的熱強度高，一般的工件材料高溫下強度都有一定程度的降底，但是不銹鋼表現不明顯，因此，高溫強度越高，切削力越大，消耗的功率也就越多，切削溫度越高。

③塑性塑性是指在外力作用下，產生塑性變形而不被破壞的能力。在奧氏體狀態下，0Cr17Ni4Cu4Nb材料的塑性非常好。材料的塑性高低，直接影響著被切削金屬的塑性變形程度，因而，也將影響著切削力的大小./，切削溫度的高低以及積屑瘤生成的難易和切屑的形狀。由于工件塑性高，造成鉆削時極易形成積屑瘤，使刀具壽命急劇降低，因此，要采取措施來盡量減少積屑瘤的發生。

（2）由于材料性能和零件加工的綜合作用，深孔鉆削所產生的問題

①摩擦在鉆削過程中，充滿了摩擦運動，它是一切不利因素的重要根源。從工件被“切”下時形成了內摩擦開始，到鉆頭、螺旋槽與孔壁的摩擦及切屑本身的擠壓和碰撞所產生的外摩擦，隨著鉆孔的不斷加深，這種摩擦隨之不斷加大。

②鉆削力內外摩擦力反映在鉆頭上，就是鉆削力，它包括軸向力和轉矩，將產生大量的熱量。影響鉆削力的主要因素有：工件材料的性能、刀具的鋒利程度、切削用量等。鉆削力增大以后，限制了大直徑鉆頭和大切削用量的使用，阻礙了生產率的提高，同時對刀具和工件質量都有極壞的影響，引起鉆頭崩刃、工件表面粗糙度的增加。

③切削熱摩擦和鉆削力所消耗的能量，又轉化為切削熱。消耗的能量愈多，產生的熱量也愈多，特別是隨著鉆孔深度愈深，冷卻潤滑的條件也愈差，鉆削熱愈不易消散，鉆削的時間愈長，熱量也就愈積愈多，由于鉆削的升高，將會引起工件的變形，加劇刀具的磨損。

由于上述幾個問題的存在，直接影響深孔鉆削的質量和效率，所以在鉆深孔過程中，必須采取必要的技術措施加以解決。

3、鉆削中采取的基本技術措施

這里說的基本技術措施，是指在鉆孔中所注意的問題，它包括：合理選擇刀具材料、正確選擇鉆頭的切削角度、合理選用切削用量和轉速、加強冷卻與潤滑等。

（1）合理選擇刀具材料高速鋼是高速工具鋼的簡稱，它是由以鎢、釩、鉬和鈷為主要合金元素的高合金工具鋼，其淬火后的硬度為62～70HRC，與碳素工具鋼、合金工具鋼相比，高速鋼的熱硬性較好，耐磨性也有提高，當切削溫度達540℃～600℃時仍能維持其切削性能。

雖然高速鋼的硬度、耐熱性、耐磨性及允許的切削速度遠不及硬質合金，但由于高速鋼的搞彎強度比硬質合金高2～3倍，其沖擊韌性比硬質合金高出幾十倍，而且有切削加工方便、磨削容易等優點，所以，到目前為止，在復雜刀具制造過程中，（例如鉆頭）高速鋼仍占主要地位。隨著高速鋼的不斷改進，它在現代切削加工中和硬質合金相互補充不足，成為兩種最常用的刀具材料。根據該工件的性能及加工要求，我選用W12Cr4V4Mo高性能高速鋼的長鉆頭。這類鋼硬度、耐熱性都高，一般加熱到630℃～650℃時仍可保持60HRC的硬度，其壽命約為普通型高速鋼的1.5～3倍，特別適用于加工高強度鋼、不銹鋼、鈦合金、高溫合金等。

（2）深孔鉆頭的刃磨，由于麻花鉆的橫刃太長，橫刃上前角負值太大，主刀刃太長等原因，鉆不銹鋼時軸向阻力很大，特別是進行深孔加工時，切屑不易排出，容易造成堵塞，甚至折斷鉆頭；棱邊與孔壁摩擦嚴重，散熱條件很差，深孔鉆削加工時，冷卻更加困難，容易使鉆頭燒壞。因此，普通麻花鉆必須經過刃磨才能適應不銹鋼的鉆削，而鉆深孔的鉆頭應在鉆不銹鋼鉆頭的基礎上，結合深孔的特點進行刃磨，刃磨后用它來鉆不銹鋼深孔，獲得良好的效果。

（3）合理選擇鉆削用量鉆削用量包括切削速度、進給量和切削深度三要素。鉆孔的切削用量，直接影響到生產效率、加工精度、表面粗糙度以及鉆頭的壽命等一系列問題，鑒于該零件材料的加工性能具有特殊性，應合理選擇鉆削用量。鉆深孔時，工作條件較差，鉆頭細而長，冷卻和排屑都有一定困難，切削用量應選擇得小一些（通常都是手動進給，控制好鉆削用量）。

（4）冷卻和潤滑切削液的基本功能就是冷卻和潤滑，即帶走切削時產生的熱量，防止加工件表面材料在高溫下產生退火軟化或高溫氧化，引起性能改變；同時，在刀具與加工件表面之間提供必要的潤滑作用，減少摩擦功耗和摩擦熱，減緩刀具的磨損，提高使用壽命，降低加工件的表面粗糙度；另一重要功能，就是起清洗作用，即沖走加工區域的切屑顆粒，避免損害機床、工件和刀具，改善和提高加工表面的質量，降低表面粗糙度和提高刀具的使用壽命。但需注意，切削液不應具有腐蝕性，防止機床、刀具、工件等因使用切削液而遭致銹蝕。

4、深孔加工的操作方法

深孔加工時，需要解決的主要矛盾是減少切削熱，降低切削溫度，并且要防止刀具振動減小軸向力及轉矩，為解決以上矛盾，采用以下工藝步驟：

（1）鉆前準備，由于孔深，刀具細長，加工中往往容易發生孔的軸向偏斜，排屑和冷卻困難，稍有不慎就會造成鉆頭折斷，因此，采用相應措施如下：

①設備選用我單位現有的搖臂鉆床，技術參數為：型號Z35，最大鉆孔直徑50mm，最大跨距：1600mm，主軸最大行程：350mm。由于所加工工件最大孔深為403mm，為保證加工中孔的垂直度要求，對該鉆床主軸和搖臂升降行程內對鉆床工作臺面垂直度進行了檢查，其技術要求為：主軸行程315mm，行程內垂直度<0.07mm，滿足加工技術要求。

②工件準備將三爪自定心卡盤固定在鉆床工作臺面上，用三爪自定心卡盤夾好已劃好各孔尺寸線的工件（由于工件直徑較大，本身剛性較好，不易引起共振），并用90度角尺找正，測量工件是否對工作臺面垂直，然后用千分表固定在主軸上，百分表測頭頂在工件外表面上下移動主軸，檢查工件與主軸的垂直度誤差。

見圖1，百分表測頭檢查 70- mm表面長約90mm范圍內垂直度，小于0.03mm可滿足要求，這里可粗略計算一下：

90mm范圍內誤差0.03mm，則在工件加工范圍內裝夾誤差小于403/90×0.03mm=0.134mm。

③鉆頭準備采取分段分級鉆削加工，將深孔鉆頭（直柄麻花鉆）分為兩種長度：

9mm，長度分別為：L1=200mm，L2=350mm；

14mm，長度分別為：L1=200mm，L2=450mm。

（2）鉆削加工過程先用200mm鉆頭進行定位、找正、鉆至一定深度后，換夾加長鉆頭進行深孔鉆削加工，保證圖樣各項技術要求，方法依次類推，將四深孔加工合格

由于受鉆床主軸行程的限制（最大為350mm），加工到最后，須將搖臂高度下降50～80mm，才能達到鉆削 14mm深403mm，同時，選擇與鉆頭長度相應的合理的鉆削參數進行加工（見鉆削參數表）。.注：因為是深孔鉆削加工，盡量采用手動進給來控制進給量，以克服轉矩。

由于受材料性質影響，深孔鉆削、特別是盲孔的加工鉆孔處在半封閉狀態下，切削液無法全部流動帶走切削熱，切削效果較差，同理，大量的切削熱量集中在工件外表面區域，切削的時間愈長，熱量也就愈積愈多。

由于鉆削溫度的升高，將會引起工件的變形、導致所鉆孔的軸線偏斜，加劇刀具的磨損。因此，應該著重降低切削熱集中區域的溫度。采用海綿條吸滿切削液纏繞在整個工件加工區外圍，將已鉆削好的深孔內注入切削液并不斷更換來進行冷卻的辦法收到明顯效果。

憑借手動進給的感覺切削，3～5mm深度時退出鉆頭一次，進行冷卻并清除切屑。由于主軸最大行程只有350mm，在鉆超過350mm深度的深孔時，將搖臂下降60～80mm處才能繼續鉆削，所以，排屑時必須將搖臂上升后，才能冷卻鉆頭，清除切屑。

總結

采用以上這種簡便易行的不銹鋼深孔加工方法，較好地解決了深孔加工中的刀具、導向、散熱和排屑等問題，使深孔加工后的尺寸精度達到H8～H10級，表面粗糙度值達到Ra=6.3～12.5 m，深孔的直線度也較好，這對企業進行不銹鋼材料深孔加工有一定的參考價值。

參考文獻

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[2] 隕建國《機械制造工程》機械工業出版社2004年7月

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