無(wú)氧銅深孔鉆削試驗(yàn)研究分析

宋子洋，李 眾，李文杰

（西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，西安 710065）

0 引言

隨著科技水平和工業(yè)技術(shù)的不斷提高，無(wú)氧銅材料以其純度高、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能良好等優(yōu)越的電學(xué)性能，在航空、航天、兵器以及原子能等工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。同時(shí)，無(wú)氧銅具有硬度低、塑性變形大、彈性模量小、熱膨脹系數(shù)大等特點(diǎn)[2]，導(dǎo)致無(wú)氧銅在加工過(guò)程中一直存在難以有效斷屑等難題，如何解決無(wú)氧銅機(jī)械加工過(guò)程中斷屑困難的問(wèn)題是首要任務(wù)。無(wú)氧銅的深孔加工相對(duì)于其他加工方法更加困難，主要由于加工過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱不易散去，易造成刀具發(fā)生粘接磨損。其最大的加工難點(diǎn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效地?cái)嘈迹斐啥滦迹瑢?dǎo)致深孔鉆崩壞扭斷，嚴(yán)重影響內(nèi)孔加工質(zhì)量。常用的深孔加工方法中，槍鉆鉆桿截面呈V型，排屑通道狹窄，且加工過(guò)程中鉆桿高速旋轉(zhuǎn)，雖然內(nèi)孔表面質(zhì)量較高，但對(duì)于長(zhǎng)徑比較大的孔很難保證直線度[3]。相比之下，BTA內(nèi)排屑深孔鉆排屑空間更大且孔的長(zhǎng)度對(duì)加工影響較小，故本次試驗(yàn)選用BTA系統(tǒng)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)氧銅的機(jī)械加工做了很多研究。X.Ding等[4]對(duì)無(wú)氧銅進(jìn)行微刀具切削試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，在較高的切削深度下，前刀面的局部應(yīng)力在坡口邊緣發(fā)生材料變形和堆積，采用減少交叉進(jìn)給的切削策略，可以提高微工具的切削性能，獲得恒定的切削力，減小毛刺尺寸，提高被加工表面的粗糙度。劉闖[5]通過(guò)進(jìn)行無(wú)氧銅微細(xì)切削加工仿真和試驗(yàn)，對(duì)最小切削深度進(jìn)行了分析和研究。田璐[6]通過(guò)進(jìn)行無(wú)氧銅微細(xì)銑削銑槽試驗(yàn)，研究不同切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響。以上對(duì)無(wú)氧銅的研究主要是針對(duì)車、銑加工，而對(duì)無(wú)氧銅的深孔鉆削加工研究較少。

因此，本文通過(guò)對(duì)無(wú)氧銅進(jìn)行BTA深孔鉆削試驗(yàn)，研究和分析加工過(guò)程中斷屑槽、主軸轉(zhuǎn)速、冷卻液流量對(duì)切屑形態(tài)變化的影響[7]，分析得出無(wú)氧銅內(nèi)排屑深孔鉆加工最佳工藝參數(shù)。

1 深孔鉆削試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)條件

工件采用銅鈮復(fù)合棒，中間材質(zhì)為無(wú)氧銅 （TU1），工件外形尺寸直徑為?52 mm，長(zhǎng)度為1 500 mm。材料具體特性如表1所示[8-9]。

表1 無(wú)氧銅材料屬性

設(shè)備使用CW6163改造深孔鉆鏜床，鉆桿長(zhǎng)度為2 000 mm，最大鉆削深度為1 500 mm，使用四爪卡盤裝夾，切削液選用乳化液，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。在加工過(guò)程中采用工件旋轉(zhuǎn)，刀具進(jìn)給的鉆削方式。試驗(yàn)鉆頭選用?18 mm單刃內(nèi)排屑鉆頭，刀齒材料選用YG8[9]，刀齒與刀體采用焊接式連接。試驗(yàn)鉆頭實(shí)物如圖2所示，鉆頭幾何參數(shù)如表2所示[10-11]。

圖1 CW6163試驗(yàn)設(shè)備

圖2 ?18 mm單刃內(nèi)排屑鉆頭實(shí)物圖

表2 ?18 mm單刃內(nèi)排屑鉆頭幾何參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究無(wú)氧銅加工過(guò)程中斷屑槽R、主軸轉(zhuǎn)速n、冷卻液流速Q(mào)3個(gè)參數(shù)對(duì)切屑形態(tài)的影響規(guī)律。如表3所示，根據(jù)無(wú)氧銅材料的性能以及相關(guān)研究將因素設(shè)置成不同的3個(gè)水平，已加工工件內(nèi)孔如圖3所示。

表3 深孔鉆削試驗(yàn)因素及水平

圖3 已加工工件內(nèi)孔

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

表4為無(wú)氧銅深孔鉆削試驗(yàn)及切屑測(cè)量情況表，按照L9（33）正交實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行9組深孔鉆削試驗(yàn)，觀察每次試驗(yàn)的切屑形態(tài)，對(duì)加工過(guò)程中切屑形態(tài)的變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較。

深孔加工中切屑卷曲的形狀、切屑的長(zhǎng)短寬度都直接影響排屑情況，當(dāng)切削容積系數(shù)R＜50時(shí)可以順利排屑。試驗(yàn)采用單刃內(nèi)排屑深孔鉆頭，切屑的寬度通過(guò)分屑槽的寬度來(lái)確定。為了更好的排屑效果，根據(jù)鉆頭直徑的大小，一般磨1～3個(gè)分屑槽。切屑的長(zhǎng)度通常根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速和斷屑槽R的大小而變化。

通過(guò)試驗(yàn)得出斷屑槽、主軸轉(zhuǎn)速和冷卻液流量對(duì)無(wú)氧銅鉆削試驗(yàn)中排屑的影響。

（1）斷屑槽R。斷屑槽尺寸對(duì)鉆削過(guò)程中斷屑的影響最為明顯。當(dāng)斷屑槽R=0.6 mm時(shí)，材料塑性較大，無(wú)法斷屑，造成鉆桿堵屑，試驗(yàn)無(wú)法加工；當(dāng)斷屑槽R=1.2 mm時(shí)，切屑較長(zhǎng)且不規(guī)律，無(wú)法進(jìn)行有效地?cái)嘈迹壹庸み^(guò)程中鉆桿振動(dòng)，經(jīng)常造成堵屑，堵屑后造成刀具承受較大應(yīng)力，導(dǎo)致刀具損壞，如圖4（a）、4（b）所示。斷屑槽R=0.9 mm時(shí)，得到的切屑為1～2 mm，可以順利從鉆桿中排出，符合試驗(yàn)要求，如圖4（c）所示。

表4 深孔鉆削正交試驗(yàn)及切屑測(cè)量情況表

圖4 切屑形態(tài)

（2）主軸轉(zhuǎn)速。深孔加工鉆削過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的增加，切削溫度升高，材料塑性進(jìn)一步增大，材料斷裂應(yīng)變?cè)龃螅行几y實(shí)現(xiàn)折斷；且鉆桿內(nèi)部排屑空間小，切屑較多，轉(zhuǎn)速過(guò)快時(shí)會(huì)造成切屑在排屑空間中擠壓、堆積，造成堵屑。

在斷屑槽R＝0.9 mm可以順利斷屑的情況下，轉(zhuǎn)速達(dá)到n=335 r/min時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)擠壓塊狀切屑，這種切屑的出現(xiàn)極有可能導(dǎo)致加工中出現(xiàn)堵屑，如圖4（d）所示。

（3）冷卻液流量。冷卻液的作用主要是吸收所產(chǎn)生的切削熱與為切屑的排出提供動(dòng)力。冷卻液流量對(duì)斷屑的作用很小，較大的流量可以對(duì)未斷的切屑產(chǎn)生沖擊，為排屑提供較大的動(dòng)力，降低切屑在排出過(guò)程中堆積的可能性。但是由于鉆桿空間有限，流量過(guò)大勢(shì)必會(huì)對(duì)加工系統(tǒng)的密封性提出更高的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)無(wú)氧銅 （TU1）進(jìn)行深孔鉆削試驗(yàn)研究，分析斷屑槽R、主軸轉(zhuǎn)速n和冷卻液流量Q對(duì)切屑形態(tài)的影響。得出以下結(jié)論：

（1）在無(wú)氧銅深孔鉆削加工過(guò)程中，斷屑槽R的大小對(duì)斷屑起到了重要作用，主軸轉(zhuǎn)速n影響次之，冷卻液流量Q影響最小。

（2）最佳無(wú)氧銅深孔鉆削加工參數(shù)：斷屑槽R=0.9 mm，主軸轉(zhuǎn)速n=255 r/min，冷卻液流量Q=90 L/min。