王丹丹，黃立新

(上海工程技術大學先進制造中心，上海 201620)

0 引言

鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優(yōu)質鋼，塑形好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導電性、導熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用。而鋁合金零件在鉆削中受力時易產生變形。因此，可以明顯減小鉆削受力的高速鉆削方法被越來越廣泛地應用于鋁合金的鉆削加工中。同時，由于鋁合金在鉆削加工中刀具受高溫作用，材料易粘結在刀具鉆削刃上而使刀具切削性能下降，因此，具有高硬度、高抗彎強度、低韌性和抗冷焊性及較好導熱和熱膨脹能力的硬質合金刀具在鋁合金高速鉆削中廣泛使用。

由于鉆削加工刀具均在工件內表面鉆削，工作部分處于加工表面包圍之中，刀具的強度、剛度、導向、容屑、排屑及冷卻潤滑等都比切削外表面時問題更突出。因此，基于現(xiàn)場的鉆削試驗數(shù)據(jù)，研究鋁合金薄壁件受力規(guī)律，結合試驗定量分析不同的鉆削參數(shù)下切削力的變化對生產更具有指導意義。筆者對鋁合金鉆削時的受力及其規(guī)律等反映鉆削性能的指標展開理論與試驗研究，以得到對實際生產具有較強指導意義的研究結論。

1 切削試驗設計

切削力試驗是在南京第二機床廠的XH715加工中心上進行，硬質合金鉆頭直徑為16 cm，工件材料為ZL104，厚度為25 cm，除鋁外其他成分所占質量分數(shù)見表1。

表1 ZL104鋁合金其他化學成分及所占質量分數(shù) /%

試驗過程中使用冷卻液，測力儀安裝在機床工作臺上，可測量作用在工件上的反作用力，與刀具位置無關。切削力采集使用大連理工三向測力儀、電荷放大器、電腦、PCI數(shù)據(jù)采集卡、Dynoware鉆削力測量系統(tǒng)。

以最小切削力為優(yōu)化目標的試驗，考察主軸轉速n(A)、進給量f(B)兩個因素，因素水平如表2所示，每個因素取三個水平。選用三水平四因素正交表L9(34)來進行表頭設計，因素A、B分別占第一、二列，第三、四列作為空白列，每個因素的三個水平分別用“1”、“2”、“3”來表示。

表2 因素水平表

2 切削用量對鉆削力的影響

正交試驗為兩因素三水平正交試驗，根據(jù)項目中實際加工需要，鉆削力正交試驗參數(shù)如下:主抽轉速為 600 r/min、800 r/min、1000 r/min，進給量為 0.1 mm/r、0.2 mm/r、0.3 mm/r。

這是一個2因素3水平問題，把3個因素依次放在表的前2列，把各列的水平和該列相應因素的具體水平對應起來，按照這個方案進行試驗，測出需要檢驗的指標的結果，然后用直觀分析法對每個指標分別進行計算分析。

對鉆削力的三個影響指標分別進行分析，如表3所示。由極差分析結果可知:影響鉆削力的因素主次順序是:鉆削進給量、鉆削轉速。得出的三個方案都是A3B1，即主軸轉速為1 000 r/min，進給量為 0.1 mm/r為最佳方案。

表3 正交試驗鉆削力的極差分析

如圖1所示，橫坐標代表刀具切削工件的位置，從橫坐標左端開始依次為刀具切入工件、切削過程及切出工件，縱坐標代表對應每一個刀具位置的切削力大小。圖示曲線表示切削力的變化趨勢，測力的軟件系統(tǒng)可以顯示最大的切削力，如試驗表3所列。

圖1 切削力的變化趨勢圖

由測試系統(tǒng)所得的切削力的變化趨勢圖上可以看出切入的力為緩慢變化，切出的力則產生突變，從而可以推斷出，切出的工件表面要比切入的工件表面質量較差，毛刺較嚴重。如試驗后的工件圖2對比所示。

圖2 試驗后的工件

3 切削用量對切屑的影響

鉆削過程中形成帶狀切屑，且這些切屑極易纏繞在大鉆上。在鉆頭切削刃和前刀面的擠壓刮削下，在鉆頭前刀面形成環(huán)切屑，并有較大的側卷和上卷而形成螺旋切屑，在被后續(xù)切屑沿螺旋槽擠出的過程中，隨鉆頭旋轉。隨著切削的繼續(xù)進行，螺旋切屑越來越長，越來越多，而纏繞在鉆頭上如圖3(b)。

由于鋁合金塑形大，加上在切削過程中，金屬變形和摩擦，會產生大量的熱，因而使工件(鋁合金)表面的一層金屬變軟，接近于熔化的溫度。這層變軟了的鋁合金，在一定的溫度下，會停留在刀尖上，這樣就形成了“粘刀”現(xiàn)象如圖3(c)?！罢车丁爆F(xiàn)象是在一定的溫度下才產生的，如果溫度太高，這層金屬就熔化了;而溫度太低時，工件的金屬組織還很緊密，不容易分離出來。所以溫度太高和太低都不會產生“粘刀”。

圖3 試驗中的鉆屑形態(tài)

圖4 放大5倍下的切屑形態(tài)

試驗后的切屑進行微觀形態(tài)分析，如圖5所示為切屑在掃描電鏡下的微觀形態(tài)，可以看出上面一組切屑形態(tài)為片狀，隨著放大倍數(shù)增大，可以清晰地看出切削的褶皺現(xiàn)象，此形狀為容屑系數(shù)較小的切屑，排屑過程順利;下面一組為切屑由于熔化而表現(xiàn)出的部分區(qū)域團聚現(xiàn)象，隨著放大倍數(shù)的逐漸增大，可以清晰的看出加工過程中，由于溫度升高而導致的切削熔化現(xiàn)象。

圖5 掃描電鏡下的切屑形貌

圖6 能譜分析

對圖3(c)粘刀鉆屑進行能譜分析，能譜分析結果如圖6所示，所得結果顯示了切屑中的化學成分及含量，對照表1所列ZL104鋁合金其他化學成分及所占質量分數(shù)可以看出，切屑中碳的含量為5.2%，這是加工過程中的粘刀所致，切屑中含有刀具成分，可以得出鋁合金塑形大，為難加工材料的結論。

4 結論

(1)切削力主要受進給量的影響，隨進給量的增加而總體呈升高趨勢，而隨主軸轉速的提高總體呈下降趨勢;但主軸轉速太大，摩擦熱來不及向切屑和刀具內部傳導會使切削溫度升高，刀具磨損加快，還會產生粘刀。

(2)鋁合金鉆屑由于其粘附性強，鉆屑不易分離，鉆削過程中有時會黏附在刀刃上，這對鉆頭的磨損和排屑造成影響。如果鉆屑太軟，不足以克服與孔壁的摩擦力，則產生緊密折迭的迭皺鉆屑。鉆屑的卷曲程度較大，不易斷裂，鋁會在旋轉槽中滯留，排屑速度比較慢。

(3)在一定范圍內，進給量與毛刺高度是正相關的，即進給量越大，出口毛刺越高，進給量越小，出口毛刺越低。所以減小進給量，有利于改善出口毛刺。

(4)由能譜分析可以看出切屑中碳的含量過多，這是加工過程中的粘刀所致，切屑中含有刀具成分，可以得出鋁合金塑形大，為難加工材料的結論。

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