无氧铜深孔钻削试验研究分析

2020-05-14宋子洋李文杰

机电工程技术 2020年3期

宋子洋，李众，李文杰

（西安石油大学机械工程学院，西安 710065）

0 引言

随着科技水平和工业技术的不断提高，无氧铜材料以其纯度高、导电、导热性能良好等优越的电学性能，在航空、航天、兵器以及原子能等工业领域得到了广泛应用[1]。同时，无氧铜具有硬度低、塑性变形大、弹性模量小、热膨胀系数大等特点[2]，导致无氧铜在加工过程中一直存在难以有效断屑等难题，如何解决无氧铜机械加工过程中断屑困难的问题是首要任务。无氧铜的深孔加工相对于其他加工方法更加困难，主要由于加工过程中产生的切削热不易散去，易造成刀具发生粘接磨损。其最大的加工难点是无法实现有效地断屑，造成堵屑，导致深孔钻崩坏扭断，严重影响内孔加工质量。常用的深孔加工方法中，枪钻钻杆截面呈V型，排屑通道狭窄，且加工过程中钻杆高速旋转，虽然内孔表面质量较高，但对于长径比较大的孔很难保证直线度[3]。相比之下，BTA内排屑深孔钻排屑空间更大且孔的长度对加工影响较小，故本次试验选用BTA系统。

目前，国内外对无氧铜的机械加工做了很多研究。X.Ding等[4]对无氧铜进行微刀具切削试验，研究发现，在较高的切削深度下，前刀面的局部应力在坡口边缘发生材料变形和堆积，采用减少交叉进给的切削策略，可以提高微工具的切削性能，获得恒定的切削力，减小毛刺尺寸，提高被加工表面的粗糙度。刘闯[5]通过进行无氧铜微细切削加工仿真和试验，对最小切削深度进行了分析和研究。田璐[6]通过进行无氧铜微细铣削铣槽试验，研究不同切削参数对表面粗糙度的影响。以上对无氧铜的研究主要是针对车、铣加工，而对无氧铜的深孔钻削加工研究较少。

因此，本文通过对无氧铜进行BTA深孔钻削试验，研究和分析加工过程中断屑槽、主轴转速、冷却液流量对切屑形态变化的影响[7]，分析得出无氧铜内排屑深孔钻加工最佳工艺参数。

1 深孔钻削试验

1.1 试验条件

工件采用铜铌复合棒，中间材质为无氧铜（TU1），工件外形尺寸直径为ϕ52 mm，长度为1 500 mm。材料具体特性如表1所示[8-9]。

表1 无氧铜材料属性

设备使用CW6163改造深孔钻镗床，钻杆长度为2 000 mm，最大钻削深度为1 500 mm，使用四爪卡盘装夹，切削液选用乳化液，试验设备如图1所示。在加工过程中采用工件旋转，刀具进给的钻削方式。试验钻头选用ϕ18 mm单刃内排屑钻头，刀齿材料选用YG8[9]，刀齿与刀体采用焊接式连接。试验钻头实物如图2所示，钻头几何参数如表2所示[10-11]。

图1 CW6163试验设备

图2 ϕ18 mm单刃内排屑钻头实物图

表2 ϕ18 mm单刃内排屑钻头几何参数

1.2 试验方法

试验采用正交实验设计方法，研究无氧铜加工过程中断屑槽R、主轴转速n、冷却液流速Q3个参数对切屑形态的影响规律。如表3所示，根据无氧铜材料的性能以及相关研究将因素设置成不同的3个水平，已加工工件内孔如图3所示。

表3 深孔钻削试验因素及水平

图3 已加工工件内孔

2 试验结果与分析

表4为无氧铜深孔钻削试验及切屑测量情况表，按照L9（33）正交实验表进行9组深孔钻削试验，观察每次试验的切屑形态，对加工过程中切屑形态的变化进行统计比较。

深孔加工中切屑卷曲的形状、切屑的长短宽度都直接影响排屑情况，当切削容积系数R＜50时可以顺利排屑。试验采用单刃内排屑深孔钻头，切屑的宽度通过分屑槽的宽度来确定。为了更好的排屑效果，根据钻头直径的大小，一般磨1～3个分屑槽。切屑的长度通常根据主轴转速和断屑槽R的大小而变化。

通过试验得出断屑槽、主轴转速和冷却液流量对无氧铜钻削试验中排屑的影响。

（1）断屑槽R。断屑槽尺寸对钻削过程中断屑的影响最为明显。当断屑槽R=0.6 mm时，材料塑性较大，无法断屑，造成钻杆堵屑，试验无法加工；当断屑槽R=1.2 mm时，切屑较长且不规律，无法进行有效地断屑，且加工过程中钻杆振动，经常造成堵屑，堵屑后造成刀具承受较大应力，导致刀具损坏，如图4（a）、4（b）所示。断屑槽R=0.9 mm时，得到的切屑为1～2 mm，可以顺利从钻杆中排出，符合试验要求，如图4（c）所示。