基于切屑形態的42CrMo深孔鉆削工藝參數優化

馮亞洲，劉連杰，劉戰鋒，黃帥澎，鄭桓

(西安石油大學機械工程學院，陜西西安 710065)

0 前言

高強度鋼是兼具高強度和硬度且具有很好的韌性和塑性的合金結構鋼，被廣泛應用于如飛機發動機軸類零件、汽車傳動軸、2 000 m以下石油深井工具等材料綜合性能要求高的地方[1-2]。42CrMo(其對應的國際標準組織牌號為42CrMo4)淬透性比較高、回火脆性不明顯，調質處理后的抗疲勞能力和抗沖擊能力較強，低溫環境下沖擊韌性良好，是典型的高強度鋼[3]。但由于42CrMo高強度鋼導熱系數低、彈性模量小，屬于難加工材料。而深孔鉆削處于封閉或半封閉加工環境，無法直接觀察刀具的切削狀況，隨著鉆削深度的增加，切屑從孔中排出的難度也會增加，散熱條件也會越來越惡劣，導致斷屑、排屑困難，易造成堵屑，致使刀具磨損加劇，嚴重影響內孔加工質量[4-6]。因此，對切屑形態的有效處理和合理控制在深孔鉆削中非常重要。

目前，國內外學者針對難加工材料的切屑形態進行了大量研究。LIU等[7]對TC10進行了多目標參數深孔鉆削試驗，通過對孔軸偏轉、切屑形貌和刀具磨損3個問題的研究，得到優化的深孔鉆削參數。邵雍博等[8]采用正交試驗法，通過改變切削深度、進給量及切削速度對34CrNiMoVA棒料進行車削試驗，結果表明進給量對切屑形態影響最大，切削速度的影響最小。馮亞洲等[9]以難加工材料0Cr17Ni4Cu4Nb為研究對象，采用正交試驗法研究主軸轉速、進給量及切削液流量對切屑形態的影響規律，試驗結果表明：主軸轉速為195 r/min、進給量為0.25 mm/r、切削液流量為110 L/min時，切削過程平穩，排屑順暢。

合理的加工參數可以有效控制切屑形態和加工狀態，減少刀具磨損，提高工作效率，因此本文作者開展不同工藝參數組合下的42CrMo深孔鉆削試驗，研究不同工藝參數對42CrMo高強度鋼深孔鉆削加工過程和切屑形態的影響，分析得出優化后的42CrMo高強度鋼深孔鉆削加工工藝參數。

1 深孔鉆削試驗

1.1 BTA加工系統原理

BTA(Boring Trepanning Association)深孔加工系統是典型的內排屑深孔加工系統，其原理如圖1所示。工作原理為高壓切削液通過授油器供油到達鉆桿外圓面與工件孔壁之間的間隙，然后通過鉆桿外圓面與孔壁之間的環形間隙到達鉆頭刃部，冷卻鉆頭并將切屑通過鉆桿內部排出[5]。

圖1 BTA加工系統原理

1.2 試驗條件

試驗工件為細長軸結構42CrMo高強度鋼(見圖2)，總長度2 000 mm，直徑為φ75 mm，待加工內孔孔徑為φ45 mm。42CrMo含碳量為0.38%～0.45%，Cr含量為0.9%～1.2%，Mo含量為1.5%～2.5%，是典型的中碳低合金調質結構鋼[10-11]。42CrMo表面淬火+高溫回火后的組織為回火索氏體，兼具良好的綜合機械性能且具有較高的強度及良好的塑性和韌性；經過表面淬火+低溫回火表面熱處理，表面組織為回火馬氏體，芯部組織為回火索氏體，材料綜合性能良好，表面具有足夠的硬度和耐磨性，芯部保持足夠的強度和韌性[12-14]。其機械性能見表1。

圖2 42CrMo高強度鋼工件結構

根據被加工零件粗糙度及尺寸的技術要求，42CrMo高強度鋼的加工工藝規程如圖3所示。其中深孔鉆削為棒料加工的關鍵工序，鉆削后的內孔直徑為φ450+0.1mm，表面粗糙度為Ra≤6.3 μm，之后通過鏜削擴孔和珩磨達到最終工件要求。文中只對深孔鉆削進行研究。

圖3 深孔加工工藝流程

試驗采用CW6163車床改造而成的BTA深孔鉆鏜床，如圖4(a)所示。因所加工的工件加工深度為2 000 mm，選用鉆桿長度為2 700 mm。加工方式為工件旋轉、刀具進給，保證加工工件具有較好的直線度。冷卻液為有EP添加劑的乳化液(不含苯酚及亞硝酸鹽，適用于深鉆孔等高難度加工工藝)，壓力為2 MPa，流量為120 L/min。試驗刀具為成都工具研究所直徑45 mm的BTA機夾鉆頭，如圖4(b)所示，其幾何參數見表2。因此次材料的特殊性，選用耐磨性能良好、使用強度與沖擊韌性良好而且導熱性能好的YG8刀片[15]。

表2 φ45 mm錯齒內排屑機夾鉆頭幾何參數

圖4 試驗設備

1.3 試驗方法

依據42CrMo高強度鋼的材料性能和相關研究，結合生產經驗確定切削用量范圍。對不同的主軸轉速和進給量進行全因子試驗，分析切屑形態隨切削參數的變化規律，試驗方案見表3(表中數據均來自生產經驗)。

表3 試驗方案設計

2 試驗結果與分析

采用直徑為45 mm的BTA機夾鉆頭對42CrMo高強度鋼零件在不同切削參數下進行試驗研究，試驗數據如表4所示。

當進給量為0.08 mm/r時，因進給量較小，第1、4組試驗切屑形態為薄、長卷屑，不產生斷屑，如圖5(a)所示。這是由于42CrMo材料所產生的切屑具有很高的強度和韌性，在進給量為0.08 mm/r時，刀具上的斷屑槽對切屑的附加變形力較小，達不到該材料的屈服極限，無法使切屑及時折斷。試驗7主軸轉速上升為355 r/min，但進給量較小，仍不能流暢斷屑，且主軸轉速的上升使刀具與工件產生大量摩擦熱，使系統溫度上升，切屑形態為帶毛刺長卷屑，如圖5(b)所示。

圖5 切屑形態

當進給量為0.18 mm/r時，試驗2主軸轉速為195 r/min，因主軸轉速與進給量較小，因此對刀具的磨損較輕，切屑形態為較理想的C形屑、短卷屑，如圖5(c)所示。試驗5主軸轉速為255 r/min，切屑形態為螺旋狀卷屑，如圖5(d)所示。這是由于主軸轉速增大時，切削力會進一步增大，同時，也會導致刀具和切屑間的切削溫度增高，加劇刀具的磨損，使刀具上的斷屑槽無法及時折斷切屑，形成了較長切屑，有可能造成堵屑，使加工過程中斷。當試驗8主軸轉速上升為355 r/min時，切屑形態為帶毛刺短卷屑，如圖5(e)所示。這是由于較高的轉速和較大的進給量，使刀具磨損嚴重，切屑邊緣出現毛刺。

當進給量為0.28 mm/r時，試驗3、6、9切屑形態為破碎狀屑，如圖5(e)所示。這是由于進給量進一步增加使切屑厚度增加，切屑斷裂困難，且切削溫度上升加劇刀具磨損，切屑與刀具黏連造成堵屑現象，使試驗無法進行。

綜上所述：合理地選用主軸轉速和進給量可以得到理想的切屑形態，減小刀具磨損，保證加工過程順利進行；較小的進給量使刀具扭矩和切削力不足，刀具上的斷屑槽對切屑的附加變形力較小，達不到該材料的屈服極限，無法使切屑及時折斷，易造成堵屑；進給量和轉速過大會使切削溫度升高，造成切屑與刀具黏連等問題，不利于斷屑排屑，加劇刀具磨損，影響刀具使用壽命及加工質量。42CrMo高強度鋼鉆削后工件內孔如圖6所示。

圖6 實際加工工件內孔

3 結語

本文作者通過分析材料特點、切屑形成原理和加工難點，制定工藝流程，進行了基于42CrMo高強度鋼的BTA深孔鉆削試驗，并且分析了切屑形態，可以得出以下結論：

(1)主軸轉速與進給量是影響切屑形態的兩個關鍵要素，與主軸轉速相比，進給量對切屑變形和斷裂有較大影響。進給量的增加更利于切屑的斷裂，會使切屑長度變短。

(2)在不同參數組合下，42CrMo高強度鋼可以獲得6種切屑形態。通過試驗得到在對42CrMo高強度鋼材料進行深孔鉆削時，選擇主軸轉速為195 r/min、進給量為0.18 mm/r時，可獲得較理想的C形屑、短卷屑，能順利排出，鉆削過程平穩，刀具磨損較輕，有利于加工的順利進行。