復雜殼體零件深孔加工參數試驗

□ 竇 媛 □ 李 峰 □ 程 光 □ 徐 闊

中國航發西安動力控制科技有限公司 西安 710077

1 試驗背景

在機械加工行業中,長度與直徑比大于5的孔稱為深孔。深孔加工在整個機械加工行業中占40%比重,重要性不言而喻[1-3]。不同于銑削、車削等加工方式,深孔鉆削加工方式排屑空間受限,產生的切屑積聚在刀具排屑槽內,與鉆桿和孔壁發生摩擦、擠壓。隨著鉆削深度的增大,切屑累積,鉆削力增大,所使用的深孔鉆削刀具容易發生斷刀[4-5]。

復雜殼體零件如圖1所示。復雜殼體零件是航空發動機燃油控制系統中典型的結構件和關鍵件,特點是結構復雜、孔系眾多,內部有多達幾百個縱橫交錯的深孔。這些深孔孔徑小,深度大,直徑從1 mm到幾十毫米不等,孔深與直徑比達到50以上,加工難度大,對深孔加工技術有極高的要求[6]。

除傳統鉆削加工外,目前常用的深孔鉆削加工技術有槍鉆、內排屑深孔鉆、單管內排屑噴吸鉆。槍鉆時,將切削液沿鉆桿內部打入切削部位進行冷卻,保障刀具穩定的加工狀態,缺點是采用外排屑方式,導致切屑與深孔發生摩擦,會影響深孔的表面粗糙度[7]。在槍鉆的基礎上進行改良,提出內排屑深孔鉆,采用結構剛性好的鉆桿和內排屑方式,深孔加工質量較高,缺點是冷卻液的壓力太高,很難密封[8-9]。單管內排屑噴吸鉆實現了冷卻液和排屑液流的獨立控制,大大提高了深孔的加工質量[10],缺點是成本高,難以在企業中大規模推廣。可見,在控制生產成本方面,如何利用現有資源來解決深孔加工問題意義重大。

筆者對復雜殼體零件深孔鉆削加工參數進行試驗研究,確定主軸轉速、進給速度、鉆削深度的合理范圍,并采用時域分析方法,得到深孔鉆削過程中鉆削力隨鉆削深度變化的規律。

▲圖1 復雜殼體零件

2 試驗材料

試驗選取航空領域常用的Al-6061鋁合金作為復雜殼體零件鉆削加工的材料,其材料成分見表1。

Al-6061鋁合金中的主要合金元素是鎂和硅,具有中等強度,抗腐蝕性、可焊接性良好,氧化效果較好。Al-6061鋁合金的切削加工性較好,但硬度低,深孔鉆削過程中易產生高溫,導致材料軟化,并且易產生連續性切屑,會出現粘刀和切屑堵塞現象。

表1 Al-6061材料成分

3 鉆削刀具

基于復雜殼體零件深孔的幾何特征,確定對直徑為4 mm的深孔進行試驗。結合目前企業使用的鉆削刀具,試驗選用的刀具如圖2所示。刀具材料均為高速鋼,中心鉆直徑為2.5 mm,頂角為60°。短麻花鉆直徑為4 mm,總長為75 mm,排屑槽長為45 mm。深孔麻花鉆直徑為4 mm,總長為200 mm,排屑槽長為150 mm。

▲圖2 試驗刀具

試驗時,將冷卻液對準鉆頭切削部分。進刀時避免冷卻液直接噴入深孔中,影響排屑,排屑和冷卻主要在退刀時進行。冷卻方式如圖 3所示。

▲圖3 冷卻方式

4 試驗設備

試驗采用YHVT650Z三軸數控機床,復雜殼體零件安裝在XY平面的工作臺上,Z軸方向為鉆孔的進給方向。由于鉆削采用直線刀軌,因此進行手工編程。首先使用中心鉆加工定位孔,然后使用短麻花鉆鉆削引導孔,最后采用深孔麻花鉆鉆至深孔的總深度,其間通過多次退刀的方式進行排屑,退刀過程中冷卻液與刀具充分接觸,由冷卻液的沖刷作用實現排屑與冷卻。

復雜殼體零件深孔鉆削過程中,斷刀的主要形式為鉆桿扭轉斷裂,因此鉆削時通常的監測信號為扭矩和軸向力。試驗采用9123C型旋轉式測力儀,監測鉆削過程中的扭矩和軸向力。鉆削設備如圖4所示,數據采集系統如圖5所示。

▲圖4 鉆削設備

5 試驗結果

復雜殼體零件深孔加工參數試驗時,采用經驗參數,主軸轉速為3 000 r/min,進給速度為100 mm/min。當鉆削深度為57 mm時發生斷刀,如圖6所示。

為研究鉆削力信號的特征,對信號進行時域分析,鉆削力時域信號如圖7所示。由圖7可以看出,開始鉆削時,鉆削力處于恒定狀態;鉆削至一定深度后,鉆削力逐漸平穩增大;隨著鉆削深度的繼續增大,鉆削力顯著增大,梯度也隨鉆削深度的增大而增大。此外,鉆削力時域信號存在波動,即將發生斷刀時,信號的波動幅度明顯增大,可見信號的波動幅度可以作為預判斷刀的依據。

▲圖5 數據采集系統

▲圖6 試驗時斷刀

▲圖7 鉆削力時域信號

鉆削過程中鉆削力隨鉆削深度的變化曲線如圖8所示。由圖8可以看出,隨著鉆削深度的增大,鉆削力緩慢增大;鉆削深度達到一定值后,鉆削力開始急劇增大,與此同時刀具開始出現振動,鉆削深度達到57 mm時發生斷刀。

▲圖8 鉆削力隨鉆削深度變化曲線

由試驗可見,鉆削力隨鉆削深度的增大而增大,鉆削深度越大,鉆削力增大的速率也越大。因此,在復雜殼體零件深孔鉆削過程中,當所監測的鉆削力出現較大幅度增大時,應盡快抬刀排屑,避免鉆削力增幅過大引起斷刀。當信號的波動幅度顯著增大時,說明即將發生斷刀,此時應立即抬刀,停止加工。

由于主軸轉速和進給速度也會對刀具排屑、磨損等產生影響,因此同時進行試驗確定合理范圍,為復雜殼體零件深孔鉆削的參數選擇提供依據。

試驗過程中鉆削參數與對應的試驗現象見表2。隨著主軸轉速的加快,鉆削過程會發生振動,引起尖銳的噪聲,導致孔徑擴大。隨著進給速度的加快和單次鉆削深度的增大,會出現粘刀現象。若單次鉆削深度值過大,則加工至一定深度后會引起斷刀。

表2 試驗參數與現象

6 結束語

筆者對復雜殼體零件深孔加工參數進行了試驗研究,基于時域方法分析了鉆削過程中鉆削力的變化規律。通過試驗研究確認,隨著鉆削深度的增大,鉆削力平穩增大。當鉆削深度增大至某一數值后,鉆削力會發生跳躍式增大,此時應注意及時退刀排屑,防止發生斷刀現象。

通過對復雜殼體零件深孔鉆削加工參數及試驗現象進行分析,確定了主軸轉速、進給速度、鉆削深度的合理范圍。建議主軸轉速為3 500 r/min,進給速度為300 mm/min,單次鉆削深度為4 mm。