引言

隨著科學技術的發(fā)展,機械制造業(yè)也在突飛猛進,要在機械制造業(yè)獲得較好的收益,除了加工的零件精度達到要求外,提高加工效率也很重要。對于需要加工孔的零件,在保證孔的位置精度及尺寸精度的前提下,要盡可能提高加工效率,使其獲得效益的最大化。在材料為灰鑄鐵(HT200)的零件上加工直徑為小10、深為15mm的多孔(如圖1所示的零件)。該零件要加工等直徑和等深度的多孔,并有位置精度及尺寸精度的要求,孔的位置精度可以由數(shù)控鉆床的程序保證,孔的尺寸精度用小10的鉆頭來滿足要求,那么如何才能提高加工效率就成為一個重要的問題。

1刀具、工件的特性和高速鉆削的轉(zhuǎn)速

1.1硬質(zhì)合金(YG6)鉆頭的特性

硬質(zhì)合金(YG6)鉆頭硬度高(達90HRA,相當于72HRC),耐磨性好,耐高溫性能好(能耐800~1000C的高溫),化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好。其化學成分、物理和力學性能如表1所示。

另外,硬質(zhì)合金(YG6)材料的鉆頭切削速度比高速鋼高4~10倍,耐用度比高速鋼高幾倍到幾十倍,但硬質(zhì)合金(YG6)材料的鉆頭整體制造復雜,故在高速鉆削時采用硬質(zhì)合金(YG6)鑲嵌式鉆花。

1.2灰鑄鐵(HT200)的加工性能

灰鑄鐵(HT200)的組織由片狀石墨和鐵基體組成,其具有良好的耐磨性能、消振性能、切削性能和抗壓性能,最低抗拉強度為200MPa。灰鑄鐵(HT200)為脆性材料,因抗拉強度低,鉆削時未經(jīng)塑性變形就在鉆削力作用下脆斷,故切屑為不規(guī)則的碎塊狀。

1.3高速鉆削的轉(zhuǎn)速

高速鉆削是指在比常規(guī)鉆削速度高出很多的情況下進行的鉆削加工。鉆削的切削速度(單位為m/min)可由以下公式計算:

式中,d為鉆頭直徑(mm):u為主軸轉(zhuǎn)速(r/min)。

鉆頭的直徑為10mm,切削速度由主軸的轉(zhuǎn)速來決定。常規(guī)鉆削時,主軸轉(zhuǎn)速要根據(jù)刀具磨損、工件材料、加工精度、潤滑等情況來確定,一般控制在100~1000r/min。對于高速鉆削,主軸轉(zhuǎn)速在常規(guī)轉(zhuǎn)速的10倍以上,就按10000r/min來分析主軸轉(zhuǎn)速。

2影響小10硬質(zhì)合金(YG6)鉆頭高速鉆削灰鑄鐵工件的因素

小10硬質(zhì)合金(YG6)鉆頭高速鉆削灰鑄鐵(HT200)工件時,切削力、切削溫度及排屑等對鉆頭的耐用度及工件的加工質(zhì)量有影響。

2.1高速鉆削時切削力對鉆頭的影響

在高速鉆削時,切削力主要與切削速度、進給速度有關。切削力隨切削速度的增大而增加,但隨著切削速度的進一步提高(主軸轉(zhuǎn)速達10000r/min以上),切削慣性力增大,其增加幅度比剪切力減少幅度小很多,故在高速范圍內(nèi),切削速度的提高最終導致切削力的降低[2]:另外,切削力隨進給速度的增大而增加,切削力的增大會使刀具的耐用度降低,如果切削力進一步增大還會使鉆頭崩刃。用小10硬質(zhì)合金(YG6)鉆頭高速鉆削灰鑄鐵(HT200)工件時,要對主軸轉(zhuǎn)速和進給速度加以控制,來保證切削力不對鉆頭有不利的影響。

2.2高速鉆削時切削溫度對鉆頭的影響

用小10硬質(zhì)合金(YG6)鉆頭高速鉆削灰鑄鐵(HT200)工件時,切削溫度主要與切削速度有關。隨著切削速度的提高,開始切削溫度升高很快,但達到一定速度后,切削溫度的升高逐漸放緩,甚至很少升高。另外,切削速度越高,被切屑帶走的熱量越多,切屑溫度升高得多而鉆頭溫度升高得少。

2.3高速鉆削時的排屑

高速鉆削時,由于切削速度較大,單位時間內(nèi)切屑的數(shù)量就較多,排屑就成為一個重要的問題。排屑不暢會影響刀具的使用壽命,嚴重時會使鉆頭磨損或折斷,同時也會影響工件的表面質(zhì)量。通常切屑的類型(帶狀切屑、鋸齒形切屑、節(jié)狀切屑、崩碎切屑)對排屑有一定的影響。用小10硬質(zhì)合金(YG6)鉆頭高速鉆削灰鑄鐵(HT200)工件時,工件為脆性材料,灰鑄鐵(HT200)的塑性很小,抗拉強度也很低,鉆削時未經(jīng)塑性變形就在拉應力作用下脆斷,故產(chǎn)生的切屑是崩碎切屑,切屑呈不規(guī)則的碎塊狀,表面凹凸不平。

3小31硬質(zhì)合金(0YG)鉆頭高速鉆削灰鑄鐵工件的一些處理措施

用小10硬質(zhì)合金(YG6)鉆頭高速鉆削灰鑄鐵(HT200)工件時,切削力、切削溫度及排屑對鉆頭的磨損及使用壽命和工件的表面質(zhì)量都有影響。因此要對鉆頭、切削溫度及排屑加以控制,來保證鉆頭的正常使用和得到表面質(zhì)量較好的工件。

3.3調(diào)整小31硬質(zhì)合金(0YG)鉆頭的幾何參數(shù)

用小10硬質(zhì)合金(YG6)鉆頭高速鉆削灰鑄鐵(HT200)工件時,切削力及切削溫度逐漸降低而趨于平穩(wěn),排屑變得困難。在高速鉆削時,要對鉆頭的幾何參數(shù)進行調(diào)整。鉆頭的幾何參數(shù)主要有螺旋角、頂角、主偏角、前角、后角等,其中螺旋角、頂角對鉆頭的強度及排屑影響較大。螺旋角(8)是指鉆頭螺旋槽上最外緣的螺旋線展開成直線后與鉆頭軸線之間的夾角。螺旋角不僅影響排屑,而且影響切削刃強度。標準鉆頭的螺旋角8=l8О~38О,在高速鉆削時,磨鉆頭螺旋角至35О左右(圖2)有利于排屑且保證刀具強度。頂角是指鉆頭的兩條切削刃在它們平行的平面上投影的夾角。頂角越小,主切削刃越長,單位切削刃上負荷便越輕,但頂角過小,則鉆頭強度減弱,扭矩增大,鉆頭易折斷。在高速鉆削時,頂角磨至l20О(圖2)有利于散熱和提高刀具耐用度。

3.2鉆頭開分屑槽

用小10硬質(zhì)合金(YG6)鉆頭高速鉆削灰鑄鐵(HT200)工件時,鉆削速度快,排屑量大,排屑變得困難,而且切屑與工件表面產(chǎn)生較大摩擦,易刮傷已加工表面,并且可能阻塞在容屑槽中卡死鉆頭,因此,排屑問題是高速鉆削首先需要解決的問題。為了更好地排屑,在鉆頭上磨出分屑槽(圖3)。

圖3分屑槽

3.3采用高壓冷卻液

鉆削時如不加冷卻液時,工件吸收的熱量約占52.5%,鉆頭約占l4.5%,切屑約占28%,而介質(zhì)約占5%。用小10硬質(zhì)合金(YG6)鉆頭高速鉆削灰鑄鐵(HT200)工件時,雖然所產(chǎn)生的切削溫度隨切削速度的增加提高不大,但排屑與工件摩擦會導致溫度的提高。普通的冷卻方式雖然可以起到冷卻作用,但對鉆頭的使用壽命不利,也對排屑不利。為了更好地冷卻、順利地排屑和延長鉆頭的使用壽命,應采用高壓冷卻液。高壓冷卻液是指壓力達到8MPa以上、流量約達5L/min的冷卻液。高壓冷卻液可以使硬質(zhì)合金(YG6)鉆頭高速鉆削灰鑄鐵(HT200)工件時,更好地排出切屑,獲得更長和更穩(wěn)定的刀具壽命,確保良好的冷卻液流動,讓鉆削過程更安全。

6結(jié)語

用小10硬質(zhì)合金(YG6)鉆頭高速鉆削灰鑄鐵(HT200)工件時,切削力、切削溫度、排屑等對鉆頭有較大的影響,但可以通過控制進給速度、調(diào)整鉆頭的幾何角度、開排屑槽及采用切削冷卻液等方法來降低切削力、切削溫度,改善排屑,從而保證鉆頭的耐用性,本文通過試驗得以驗證。采用本文所述方法,用小10硬質(zhì)合金(YG6)鉆頭高速鉆削灰鑄鐵(HT200)工件,可以使工件的表面質(zhì)量大幅提高,也提高了鉆削機加工的效率,進而提高了鉆削加工的經(jīng)濟利益。