加工42CrMo曲轴的整体合金麻花钻头的寿命提高

2011-10-20焦剑张伟

制造技术与机床 2011年12期

焦剑张伟

（大连工业大学机械工程与自动化学院，辽宁大连 116034）

国内某发动机厂的曲轴端面深孔使用麻花钻进行钻削，钻头为整体合金麻花钻，新刀具寿命为100件左右。本文对刀具寿命低的原因进行分析并提出了改进方案，取得较为满意的效果，改进后钻头寿命增加到150件左右，比较之前提高了50%，并提高了生产效率以及加工表面质量。

被加工工件为发动机曲轴，材料为42CrMo，经调质处理后硬度较高，在38～42HRC之间，特别是韧性强，不容易断屑，较长的切屑在加工过程易导致排屑困难［1］。麻花钻规格为φ14.5 mm ×160 mm，表1为刀具未改进前的主要几何参数。

表1 刀具改进前主要几何参数

刀具合金材料为DK460UF，使用普通 TiAlN涂层。加工用机床为进口加工中心，采用卧式加工，冷却方式采用外冷，并且两端同时进行加工。原加工参数为:进给量f=0.2 mm/r，转速1 400 r/min。

1 试验

两支新刀，分两组进行实验。

1．1 改进前

第一支用原厂参数，进给量f=0.2 mm/r，转速1 400 r/min。加工96件后，刀具磨损严重，机床报警。

（1）观察

①切屑呈蝌蚪型（如图1），属于短小切屑。

②工件加工孔内表面粗糙度不好，手摸发现明显的刮痕和环状切痕。

③刀具如图2所示，出现磨损主要有3部分:第一部分为切削刃处，越靠近

外缘磨损越严重;第二部分为沿第一后刀面后延伸，出现黑色烧痕;第三部分为沿后刀面方向上，出现较严重黑色烧伤。

（2）分析

被加工材料为42CrMo，该材料在调质处理后硬度较高，在38～42 HRC之间，特别是韧性强，不容易断屑，较长切屑在深孔加工中会导致排屑困难，进而使刀具与被加工区域温度过高，影响切削效果。由于本加工机床采用外冷方式，在深孔加工中切削液不容易直接进入加工区域，排屑主要依靠刀具螺旋槽自导，更增大了钻削区冷却难度［2］。本组实验中切屑尺寸较小，属于蝌蚪型切屑，这种切屑尺寸虽小，但对于采用外冷方式的42CrMo的深孔加工是不利的。主要原因是这种小尺寸切屑，适合内冷排屑，通过冷却液流排出。但对于依靠自导作用排屑的麻花钻来说，由于切屑尺寸小，在受自导力作用时受力范围小，容易造成切屑堵塞淤积在螺旋槽内，反而不易排出。应使切屑保持一定的长度，呈短带状或宝塔型，如此更有利于切屑排出。另外，小的切屑还会在加工中划伤加工表面，造成加工面质量不好。

从后刀面上可以看出，加工区域温度很高，以至于后刀面产生很严重的烧伤。同时后刀面有干涉的痕迹，产生更大的切削力以及切削热，虽然刀具有TiAlN涂层，但由于采用外冷形式，高温还是直接导致刀具强度下降，由于切削力沿外圆处不断增大，可以看到在外刃处出现崩刃。

（3）改进

首先从切削参数入手，考虑到工厂实际需要，在保证效率不降低的情况下，更改加工参数。提高转速到1 600 r/min，减小进给量到0.015 mm/r。这是因为减小进给量可以有效避免干涉问题，同时小进给高转速可以送还上加工面粗糙度值，改变切屑形式，使其不易断屑，使切屑变长［3］。

1．2 改进后

第二支刀具使用修改后的加工参数（进给量f=0.015 mm/r，转速1 600 r/min）进行加工。加工103件后，出现缠刀现象，发现刀具出现崩刃，实验结束。

（1）观察

①切屑宝塔型（如图3），平均长度在15 mm左右。

②工件表面质量明显好转，环状切痕消失，用手摸起来非常光滑。

③刀具如图4所示，后刀面磨损减轻，基本无干涉痕迹;靠近刃口处依然有烧焦痕迹，切屑温度依然很高;在外刃处出现崩刃，同时发现横刃有磨损。

（2）分析

改进加工参数后的刀具加工质量明显提高，切屑变成宝塔型，说明对于42CrMo减小进给量可以降低刀具断屑效果，并且对于这种材料的加工，宝塔型的切屑反而有利于排屑。同时，由于减小进给，后刀面干涉现象也有所缓解。但是依然出现崩刃现象。分析原因主要是加工温度较高，使切削刃脆弱。高温的产生除了外冷形式的缺陷以外，切削力过大是造成高温的主要原因。因此应该减小刀具在切削过程中的切削力。减小切削力可以通过改变几何角度的形式，因此从以下几个方面进行分析改进。

①横刃长度钻头横刃在切削时所占轴向力达到总轴向力75%以上。实验中发现横刃处磨损较大，横刃过长会导致切削力过大;而减小其长度，增大其前角是减小切削力的有效方法。因此将横刃由原有的0.9 mm减小到0.5 mm，可以有效减小切削力。

②横刃斜角横刃斜角过大，为64.5°。横刃斜角会影响到沿切削刃各点的后角分布，减小横刃斜角可使内刃各点的后角增大。由于刀具后角过小，导致在加工时后刀面产生干涉，这对加工是极为不利的。而对于加工钢件，推荐采用的横刃斜角为55°比较合适［4］。

③后刀面后刀面滞后量该刀具只有0.93 mm。由于采用锥面磨法，过小的滞后量导致后角分布过小，在加工中造成干涉现象。因此增大滞后量至1.6 mm，可有效解决后刀面干涉问题，并可以进一步增大进给量而不出现干涉。

④芯厚芯厚的大小影响到刀具强度。芯厚大，虽然刀具强度增加，但横刃过长，同时由于内刃斜角过大，导致内刃较长，外刃较短，使得在加工时应力过于集中，造成崩刃。这可能也是为什么两次崩刃都在外刃的原因。因此芯厚减小到4 mm。

改进前后刀具几何形状如图5、6所示。几何参数改进后，刀具使用寿命提高到150件，提高近50%。并且由于后角滞后量的增加，避免了干涉;横刃减小因而减小了切削力。在进给量f=0.2 mm/r，转速提高到1 600 r/min，仍然保持高寿命。但再增加转速或进给量，刀具寿命明显下降。说明外冷形式下加工42CrMo，本加工参数已经达到极限。