鋁合金微小孔鉆削加工及其工藝難點(diǎn)

鋁合金是以鋁為主的合金總稱，通過添加銅、硅、鎂、鋅、錳以及鎳、鐵、鈦、鉻、鋰等合金元素，在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)的同時，其“比強(qiáng)度”可勝過很多合金鋼，成為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于機(jī)械制造、運(yùn)輸機(jī)械、動力機(jī)械及航空工業(yè)等方面。飛機(jī)的機(jī)身、蒙皮、壓氣機(jī)等常用鋁合金制造，以減輕自重。其典型用途還包括飛機(jī)發(fā)動機(jī)和柴油發(fā)動機(jī)活塞、飛機(jī)發(fā)動機(jī)汽缸頭、噴氣發(fā)動機(jī)葉輪、航空器結(jié)構(gòu)鉚釘、螺旋槳葉片、導(dǎo)彈構(gòu)件、卡車輪轂、貯存容器、薄板加工件、深拉或旋壓凹形器皿、焊接零部件、熱交換器、印刷板、銘牌、反光器具等。

另一方面，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和尖端產(chǎn)品的日益精密化、集成化和微型化，微小孔加工的數(shù)量越來越多，對加工質(zhì)量的要求也越來越高。盡管加工微小孔的工藝方法有很多，例如激光束、電子束、離子束和電火花加工等，但是在國內(nèi)外應(yīng)用最廣泛、實(shí)用性最強(qiáng)的仍然是麻花鉆機(jī)械鉆孔[1]。

鋁合金強(qiáng)度和硬度相對較低、對刀具磨損小，且熱導(dǎo)率較高，使切削溫度較低，所以鋁合金的切削加工性較好，屬于易加工材料，適于較高切削速度切削。高速鉆削時主軸的轉(zhuǎn)速通常在10000r/min以上。但是，鋁合金熔點(diǎn)較低，溫度升高后塑性增大，在高溫高壓作用下，切屑界面摩擦力很大，切屑易熔結(jié)在刀刃上而粘刀。熔結(jié)物被后續(xù)加工沖擊脫落時也會造成刀刃缺損[2]。鋁合金的上述切削加工性使得其微小孔鉆削加工存在諸多工藝難點(diǎn)。這是因?yàn)?，鉆削加工是切削條件最惡劣的加工方法之一，而鉆削小孔，尤其是直徑1mm及以下的小孔，不但集中了鉆削加工的全部難點(diǎn)，而且切削條件較普通孔徑鉆削更為惡劣。具體體現(xiàn)在以下幾個方面[3-4]。

（1）微小鉆頭的剛度隨孔徑的減小和鉆孔長度比的增加而急劇下降。為了盡量彌補(bǔ)微小鉆頭剛度的不足，微小鉆頭的鉆芯厚度相對較大：直徑大于1mm的鉆頭的鉆芯厚度與鉆頭直徑的比值通常小于0.2，而微小鉆頭一般為0.3~0.4。鉆芯厚度大，則橫刃寬、螺旋槽淺，鉆削條件惡化。入鉆時，橫刃會使鉆尖在工作表面游動，破壞入鉆定位精度，橫刃越寬，游動就越嚴(yán)重。鉆削時橫刃處于副前角切削狀態(tài)，橫刃越寬，切削抗力越大，鉆頭的負(fù)荷也就越大。

鉆頭螺旋槽的功能主要是容屑、排屑和導(dǎo)入切削液。螺旋槽淺，則容屑能力差，排屑困難，切屑與已加工表面刮擦嚴(yán)重，影響表面質(zhì)量，并易造成切屑堵塞，同時切削液難以到達(dá)切削區(qū)域，冷卻潤滑效果極差。出口毛刺與軸向切削力密切相關(guān)，而軸向鉆削力主要來自于橫刃，橫刃越寬，軸向鉆削力就越大，出口毛刺就越嚴(yán)重。

（2）麻花鉆頭屬于結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜的刀具，為減輕導(dǎo)向部分與孔壁的摩擦，標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆在導(dǎo)向部分制有較窄的棱邊，而且從外圓向尾部制成倒錐，形成較窄的副后刃面和大于0°的副偏刃角。

對于應(yīng)用最廣泛的高速鋼微小麻花鉆頭，為了提高其剛度、強(qiáng)度以及從便于制造考慮，通常沒有棱邊和倒錐，形成副后角為0°的較寬大的副后刃面和0°副偏角，所以鉆削過程中導(dǎo)向部分與孔壁摩擦嚴(yán)重。

由于自身結(jié)構(gòu)的缺陷和微小孔鉆削的惡劣工藝條件，微小麻花鉆應(yīng)用于鋁合金微小孔加工時，鉆偏、粘刀、切屑堵塞、纏繞等問題經(jīng)常造成鉆頭折斷，而且折斷部分很難從工件中取出，常以工件報廢而告終。微小鉆頭壽命的分散性極大，因此在許多情況下，特別是在鉆削貴重工件時，不得不在遠(yuǎn)未達(dá)到鉆頭壽命平均值時就將鉆頭提前換掉，造成鉆頭和輔助工時的極大浪費(fèi)。微小孔鉆削加工中避免鉆頭折斷、提高鉆頭壽命、保護(hù)工件的途徑主要有2種：一是針對工件材料的切削性能，推薦優(yōu)化的切削參數(shù)、減少切削力、提高鉆頭耐用度。二是在線實(shí)時監(jiān)測鉆削過程，在達(dá)到監(jiān)測閾值時預(yù)報換刀，來提高鉆頭利用率。

本課題通過大量的鋁合金微小孔鉆削試驗(yàn)，研究高速鉆削過程中動態(tài)切削力（軸向力和扭矩）的變化特征，以及鉆削工藝參數(shù)對動態(tài)切削力的影響規(guī)律。由此，以切削力最小為優(yōu)化目標(biāo)，通過優(yōu)化鉆削工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)鋁合金微小孔鉆削工藝性能的改善、提高鉆頭耐用度。

鋁合金微小孔鉆削試驗(yàn)

鋁合金微小孔鉆削試驗(yàn)在一臺自行研制的高速數(shù)控鉆床上進(jìn)行，該鉆床的主要技術(shù)參數(shù)為：加工孔徑0.2~1mm，加工深度0~8mm，最高主軸轉(zhuǎn)速27000r/min，進(jìn)給速度0~1mm/s。試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖如圖1所示，工件安裝于工作臺上，用四爪卡盤固定。工件上安裝有應(yīng)變片式軸向力-扭矩二分量測力儀，其量程分別為20kg及500N·mm，精度3‰。傳感器的2路輸出信號經(jīng)測力儀內(nèi)置放大器放大后，連接研華公司16位高速數(shù)據(jù)采集卡的A/D采樣端，采樣后的離散化數(shù)據(jù)輸入計算機(jī)保存以便后續(xù)分析處理。測量時的采樣頻率為2000Hz。

高速切削加工鋁合金時，可供選擇的刀具材料有硬質(zhì)合金、陶瓷、金屬陶瓷、聚晶金剛石等。試驗(yàn)采用直徑1mm的硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆在鋁合金工件上鉆孔，不使用切削液。刀具材料YG6A，工件為LY12硬鋁合金。試驗(yàn)的主軸轉(zhuǎn)速為8000~22000r/min，進(jìn)給速度為12~60mm/min。改變主軸轉(zhuǎn)速或進(jìn)給速度加工各孔時，采集各鉆孔過程中的軸向力和扭矩數(shù)據(jù)，研究鋁合金微小孔鉆削的信號特征，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，進(jìn)一步研究主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對鉆削力的影響規(guī)律。

圖2是主軸轉(zhuǎn)速16000r/min、進(jìn)給速度12mm/min試驗(yàn)條件下在鋁合金工件上鉆一φ1mm盲孔時測得的軸向力和扭矩時域信號。圖中橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù)。如圖2所示，在入鉆、鉆削以及退刀的3個階段鉆頭切削力信號臺階性變化十分明顯。進(jìn)一步，在鉆削過程中隨著鉆孔深度的加大，入鉆鉆頭部分長徑比的逐漸增加，排屑趨于困難，鉆削條件惡化，軸向力和扭矩呈逐漸增加的趨勢。這樣特點(diǎn)的軸向力和扭矩時域信號在試驗(yàn)中非常普遍。一旦出現(xiàn)切屑堵塞，軸向力和扭矩超過極限，直徑微小的鉆頭即折斷。研究鋁合金微小孔鉆削的試驗(yàn)也表明，切屑堵塞造成的鉆頭折斷是鉆頭損壞的主要原因。

鋁合金微小孔鉆削工藝參數(shù)的影響規(guī)律

影響鋁合金微小孔鉆削工藝性能的因素，除刀具材料以外，主要是主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度等鉆削工藝參數(shù)。本節(jié)根據(jù)上述鋁合金微小孔鉆削試驗(yàn)結(jié)果，對采集的鉆孔過程鉆削力（軸向力和扭矩）數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，探索主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對鉆削力的影響規(guī)律，以進(jìn)一步研究鉆削工藝參數(shù)對鋁合金微小孔鉆削工藝性能的影響。

鉆削力數(shù)據(jù)分析處理的方法是，針對各孔加工中測的軸向力和扭矩數(shù)據(jù)，分別求其在鉆削階段數(shù)據(jù)的平均值，作為該孔加工中鉆頭承受的軸向力和扭矩試驗(yàn)值。

1 主軸轉(zhuǎn)速對鉆削力的影響規(guī)律

進(jìn)行鋁合金微小孔鉆削試驗(yàn)，在12mm/min、24mm/min、36mm/min、48mm/min和60mm/min的不同進(jìn)給速度下考察主軸轉(zhuǎn)速對鉆削軸向力和扭矩的影響。主軸轉(zhuǎn)速為8000~22000r/min。

圖3和圖4分別為不同進(jìn)給速度下改變主軸轉(zhuǎn)速時各孔加工中軸向力和扭矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯總圖。由此可知總體的趨勢是：隨著主軸轉(zhuǎn)速增加，軸向力和扭矩逐漸減??；主軸轉(zhuǎn)速為16000r/min時，軸向力和扭矩最?。恢?，隨著主軸轉(zhuǎn)速增加，軸向力和扭矩又開始逐漸增大。上述規(guī)律并不因?yàn)檫M(jìn)給速度的不同而改變。

2 進(jìn)給速度對鉆削力的影響規(guī)律

進(jìn)行鋁合金微小孔鉆削試驗(yàn)，在8000r/min、10000r/min、12000r/min、14000r/min、16000r/min、18000r/min、20000r/min和22000r/min的不同主軸轉(zhuǎn)速下考察進(jìn)給速度對鉆削軸向力和扭矩的影響。進(jìn)給速度為12~60mm/min。圖5和圖6分別為不同主軸轉(zhuǎn)速下改變進(jìn)給速度時鋁合金微小孔鉆削加工中軸向力和扭矩試驗(yàn)數(shù)據(jù)的匯總圖。同樣，總體的趨勢是：隨著進(jìn)給速度增加，軸向力和扭矩逐漸減?。贿M(jìn)給速度為36mm/min時，軸向力和扭矩最小；之后，隨著進(jìn)給速度增加，軸向力和扭矩又開始逐漸增大。上述規(guī)律并不因?yàn)橹鬏S轉(zhuǎn)速的不同而改變。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以得出，鋁合金微小孔鉆削中的最佳主軸轉(zhuǎn)速是16000r/min，最佳進(jìn)給速度是36mm/min。在此切削條件下進(jìn)行鉆孔加工，軸向力和扭矩最小。根據(jù)金屬切削機(jī)理，切削力小，切削產(chǎn)生的熱量少，切削區(qū)溫度低，切屑熔結(jié)等粘刀現(xiàn)象減少，不僅刀刃磨損和缺損減少，而且刀屑摩擦減小，切屑處理性改善，切屑堵塞的風(fēng)險降低。因此，有利于避免刀具折斷，延長刀具壽命。

切削熱是由切削功轉(zhuǎn)變而來的，其中包括彈性、塑性變形產(chǎn)生的熱量和所有摩擦產(chǎn)生的熱量。主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度增加，單位切除率增加，切削功增加，轉(zhuǎn)變的切削熱增加。使用切削液時，切削熱主要由切削液帶走；不用切削液時，切削熱主要由切屑、工件和刀具帶走或傳出。普通鉆削時各傳熱媒介切削熱傳出的比例為切屑28%、工件52.5%、刀具14.5%、周圍介質(zhì)5%[5]。在高速切削條件下，切削熱被切屑帶走的比例大大增加。且切削速度越高，由切屑帶走的熱量越多，傳入工件和刀具的熱量就越少[6-7]。

在8000~16000r/min以及進(jìn)給速度12~36mm/min范圍，隨著主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度增大，切削功增加后雖然產(chǎn)生的熱量增加，但小于切屑提速后帶走的熱量，切削區(qū)溫度降低，切屑界面熔結(jié)減少，切削性能改善使鉆削力降低。而主軸轉(zhuǎn)速超過16000r/min和進(jìn)給速度36mm/min后，即在16000~22000r/min以及進(jìn)給速度36~60mm/min范圍，隨著主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度增大，切削功增加后產(chǎn)生的熱量增加，但因轉(zhuǎn)頭容屑槽排屑能力有限，提速后的切屑能帶走的熱量有限，切削區(qū)溫度升高，鉆削過程中生成變質(zhì)層，切屑易熔結(jié)在刀刃上，切屑熔結(jié)物被后續(xù)加工沖擊切削，使鉆削力增大。

可以認(rèn)為，16000r/min和36mm/min是臨界條件。在該臨界條件下，鋁合金微小孔鉆削過程中切削熱的產(chǎn)生與帶走或傳出達(dá)到了最佳的動態(tài)平衡，切削力最小，耐用度最高。因此，16000r/min和36mm/min是鋁合金微小孔鉆削的最佳主軸轉(zhuǎn)速和最佳進(jìn)給速度。

結(jié)束語

本課題通過大量的鉆削試驗(yàn)進(jìn)行了鋁合金微小孔鉆削特性和工藝的研究。鋁合金微小孔鉆削試驗(yàn)在一臺自行研制的高速數(shù)控鉆床上進(jìn)行。試驗(yàn)采用直徑1mm的硬質(zhì)合金標(biāo)準(zhǔn)麻花鉆在鋁合金工件上鉆孔，不使用切削液。

刀具材料為YG6A，工件為LY12硬質(zhì)合金。主要結(jié)論如下：

（1）高速鉆削過程動態(tài)切削力（軸向力和扭矩）的變化特征研究表明，隨著鉆孔深入、入鉆鉆頭部分長徑比的逐漸增加，排屑逐漸困難，鉆削條件惡化，使得軸向力和扭矩呈逐漸增加的趨勢，一旦超過極限即導(dǎo)致微小鉆頭折斷。切屑堵塞造成的鉆頭折斷是鉆頭損壞的主要原因。

（2）鋁合金微小孔鉆削工藝參數(shù)的影響規(guī)律研究表明，鉆削工藝參數(shù)（主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度）對動態(tài)切削力的影響存在臨界值（即最佳工藝參數(shù)）：主軸轉(zhuǎn)速16000r/min和進(jìn)給速度36mm/min。

在該臨界條件下，鋁合金微小孔鉆削過程中切削熱的產(chǎn)生與帶走或傳出達(dá)到了最佳的動態(tài)平衡，進(jìn)行鋁合金微小孔鉆削加工切削力最小，有利于改善鋁合金微小孔鉆削條件，提高刀具耐用度。