铝合金高精度深孔镗削加工工艺

2014-04-09南车株洲电力机车有限公司湖南412001

金属加工(冷加工) 2014年17期

南车株洲电力机车有限公司（湖南 412001) 彭博

铝合金因质量轻、比强度高已成为理想的结构材料，广泛应用于机械制造、铁道车辆、动力机械及航空工业等领域。但是铝合金熔点较低，温度升高后塑性增大，在高温高压作用下，切削界面摩擦力很大，切屑易熔结在刀刃上而粘刀，不易获得较高的尺寸精度和低的表面粗糙度值。同时，深孔加工是机械行业中难度较高的一项加工技术，铝合金高精度深孔镗削的主要技术难点包括:如何获得平稳的切削过程、良好的切屑形成、较高的加工效率、低表面粗糙度值和较高的尺寸精度等。

1.零件分析及加工工序

如图1所示，纵梁上有8个孔为φ30H7，表面粗糙度值Ra=1.6μm，深度达150mm，深径比达5∶1，属于典型的深孔加工。在镗孔过程中由于刀具振动、粘刀、切屑堵塞、缠绕以及冷却不到位等问题，经常造成镗孔困难而导致加工精度无法得到保证。

图1 纵梁结构示意图

通过多次反复验证，φ30H7深孔采用下列加工方式完成加工:先预钻底孔φ29.2mm，然后采用特殊的减振镗刀分层镗削。加工时选择适当的镗刀、装夹方式、切削参数、冷却方式及切削液来保证深孔镗削加工。

2.切削加工工艺

(1)刀具选择:①刀片材料的选择。高速切削加工铝合金时，可供选择的刀具材料有硬质合金、陶瓷、金属陶瓷和聚晶金刚石等。其中硬质合金材料是最具性价比的材料，在此实际加工中选用无涂层的硬质合金刀片。这是因为无涂层的刀具比涂层刀具锋利，可以有效降低切削抗力，比涂层刀具更适合铝合金的加工。②镗刀片的选择。精镗的刀片应该具有正的前倾角、锋利的切削刃和小的刀尖半径，以便使径向切削力最小化。刀片的刀尖半径是镗削工序中的一个关键因素。刀尖半径的选择取决于切深和进给，并影响表面质量、断屑和刀片强度。在小切深时，切削合力为径向力，对刀片产生向内的推力并试图将刀片推离内孔表面。在切深增加时，切削合力变为轴向力。一般经验是，在以小切深精加工时，避免切深小于刀尖半径的1/3。刀尖半径与进给率共同对加工的表面质量有直接影响。在这种加工场合下选用小刀尖半径为0.4mm，以便能使用较小切深，减小切削径向抗力，最终减少振动。但是小刀尖半径的刀片在加工中破裂的风险增加，由于工件材料为铝合金，硬度比钢件低，因此选用小刀尖半径也能保证较高的使用寿命。③镗刀杆的选择。在此加工场合下，我们不得不使用长悬伸的刀具，悬伸必须达到150mm，且刀杆的直径不能大于30mm。长径比大于5∶1，此时镗刀在加工中很容易产生振动。通常情况下只能通过减小切削参数，降低加工效率，以实现安全稳定的加工。通过对比各种刀杆，最终使用减振刀杆，如图2所示，其内置的特殊阻尼减振机构可以将切削振动控制到最小，同时从图3可以看出，镗刀的主偏角达到92°。切削力主要朝向轴向方向，可以在最大程度上降低切削加工时的径向力和振动，从而即使在大幅提高切削参数的情况下，仍然能实现安全、稳定及高效的加工。

图2 减振镗刀

图3 减振镗刀尺寸

(2)切削参数:铝合金深孔镗削时，排屑和刀具振动是影响切削参数选择的重要因素。由于孔的尺寸精度要求比较高，精加工的余量设置为0.8mm左右，分两次进行镗削。采用减振刀杆，以及92°主偏角和小刀尖圆角半径的硬质合金刀片，通过多次试验得出附表所示最佳的切削参数。

最佳切削参数表

(3)冷却方式及切削液选择:①在刀具和工件之间进行润滑、冷却、清洗、防锈和排屑是切削液的主要功能，高精度深孔加工选择合适的冷却方式和切削液显得尤为重要。由于是深孔加工，普通的外部冷却方式无法达到切削区域，不能满足加工的需要。在选择刀具和刀柄时，选用了带有内冷却供应的刀具，有喷嘴将切削液送往切削区域，这样可以有效地进行润滑和冷却，从而对高精深孔镗削提供了有力的保障。②通常在铝合金的高速加工中，主要的切削热量由切屑带走，但是切屑易熔结在刀刃上而粘刀，所以在切削液的选择上主要考虑其润滑性和在加工表面的黏附强度，同时铝型材的加工如采用乳剂或油类切削液，在加工完后会残留切削液在工件型腔里而无法去除，因此在铝合金型材加工中选用了油雾冷却的方式，在这里我们选用了美国ITW集团ACCU-LUBE(阿库路巴)LB-6000微量油气润滑，微量的润滑油在刀具工作点形成薄薄的油膜，油膜具有很高的表面黏附强度，润滑油的高润滑性使刀片在工作过程中减少摩擦，降低切削应力，有效降低加工热量的产生。这使无论刀具还是工件都保持室温或者较低的温度，同时也避免了高热膨胀系数的铝合金工件由于过热产生的尺寸变化。

(4)高精镗削加工方法:铝合金小径深孔镗削工艺除了选用合适的刀具材料、采用减振刀杆、小的刀尖圆角半径，采用合适的切削参数、充分的冷却润滑以及有效的切屑排出控制外，我们还总结出一套行之有效的高精镗削加工方法，即在精镗高精度深孔时，必须考虑刀具的径向偏斜 (让刀)和刀具旋转中心与机床主轴旋转中心之间的不对准。实际表明，这可以通过以下方法来完成。如图4所示，将切深分为两等分，使得两次的切削力基本相等，进行一次测量前的切削，然后在刀具仍然在机床主轴中时调整直径，再进行最终的镗削加工。主要步骤为①首先把镗刀直径调整为29.6mm(29.2mm+0.4mm)，切深为 A1，进行第一次测量前的镗削。②朝刀尖反方向移动0.5mm后抬起主轴。③测量镗削后的直径。④计算设置直径 (29.6mm)与该测量孔直径的差值 (ΔD1)，计算新的切深为A2=0.4+ΔD1+孔公差/2(H7/2)。⑤将刀具直径增大 (A2)后进行第二次最终镗削。