不锈钢模具微小孔钻削加工参数优化*

樊瑞军，关志伟，孙翠香

(1.天津职业技术师范大学，天津 300222；2常州机电职业技术学院,江苏 常州 213164)

0 引言

孔径在0.1 mm和1 mm的孔属于微小孔[1]，多用于不锈钢模具行业，如电动牙刷、音响、耳机等日常生活用品的制造模具上。利用微小孔模具进行注塑或压铸制造的产品，具有直径小、深度大、数量多、分布均匀、整体顺滑无毛刺，使用寿命长的优势。常用耐热性和抗腐蚀耐磨性强且能承受多次注塑或压铸要求的不锈钢06Cr19Ni10[2]，存在硬度高、弹性变形大、废屑易黏附等加工缺陷。不锈钢模具的微小孔一般都有孔径小，长径比大，数目大且呈规则密布排列的特点。这类孔加工方法研究有焦悦等[3]介绍的电火花、电液束、水导激光和飞秒激光4种加工技术。张文全[4]高速钻削技术在不锈钢小直径深孔加工中的应用。张沛森等[5]高精度微孔的镗削加工工艺优化研究。房明[6]和李秋玥[7]机械钻削加工的技术难点和关键技术的研究。微小孔钻削首先要求平稳，噪音小，无振动，排屑流畅，钻孔数必须大于钻头更换标准要求，否则更换钻头影响孔径加工精度，严禁出现钻头折断造成废品，简述为稳定要求。其次微小孔是规模化孔群加工，减少每个孔的加工时间，对于提高加工效率缩短加工周期和提高经济效益至关重要。减少每个孔的抬刀排屑次数可减低机床导轨局部反复磨损，保证机床精度延长使用寿命，简述为高效要求。最后微小孔加工对孔径尺寸公差，形位公差和表面质量有要求，不允许有毛刺，翻边等加工缺陷存在，简述为精密要求。为满足不锈钢微小孔模具加工过程的稳定、高效、精密三高要求，就要在合理工艺方案前提下对钻削参数进行优化。国内外学者对钻削参数优化研究上，沈学静等[8]研究了EA4T钢在深孔钻削加工参数的优化问题，通过控制切屑断屑率和切屑容屑系数来提高生产率。吴燕[9]利用AdvantEdge建立钻削45钢的钻削模型，以切削力，扭矩和切削热指标进行了钻削加工参数的优化。张文全等[10]考虑高速钻削不锈钢小深孔过程中钻头的使用寿命，对主轴转速和进给量等加工参数进行了优化研究。Rajmohan T等[11]研究了混合铝基复合材料钻削工艺参数的优化。Taskesen A等[12]考虑工艺参数对刀具磨损和孔尺寸精度影响，从而对钻削B4C颗粒增强铝合金钻削参数进行分析和优化。肖军民[13]改进了遗传算法和粒子群优化的人工神经网络算法对孔群加工路径和钻削加工参数进行了优化研究。国内外学者多选45钢和钛合金进行常规尺寸孔径的钻削参数优化研究。在实验室模拟钻削加工来采集数据，以切削热、切削力和扭矩为优化指标进行研究，已取得很多的研究成果。

目前，国内对于不锈钢微小孔机械钻削加工技术研究的还不够成熟。本文研究对象为不锈钢微小钻加工参数，研究方法是正交实验分析法。在实际生产中，采集孔径0.3～0.8 mm的微小孔在钻削加工的主轴转速，进给速度和每次钻削深度，以钻孔数和单孔时间为优化指标进行钻削参数优化。优化后的加工参数将提高不锈钢钻削微小孔的加工效率，最大可能降低加工成本。

1 针对加工难点确定工艺方案

如图1不锈钢微小孔模具结构示意图所示，模具外形尺寸80 mm×40 mm×10 mm，中间行列式对称均布1190(17×70)个微小孔，上下有6个沉头孔和2个定位销孔分别起到模具固定和模具定位的作用。将含有沉头孔的平面称为正面，正面的对面称为反面。微小孔结构和尺寸如图2所示，正面φ0.3 mm×2 mm，反面φ0.8 mm×4 mm，过渡φ0.5 mm×4 mm。三段微小孔长径比均在5～10之间属于深孔钻加工范围，虽然可以直接使用麻花钻加工，但存在刀具刚性差、易振动、易折断、排屑困难、导热差、零件变形大的问题。

图1 不锈钢微小孔模具结构示意图 图2 微小孔结构尺寸示意图

通过上述分析可知：在难加工材料不锈钢上进行微小孔加工，结合模具的一些特殊要求，确定06Cr19Ni10不锈钢微小孔模具加工技术难点为：①加工微小孔的钻头直径最小φ0.3 mm，在钻孔过程中极易发生折断，造成模具报废；②深孔加工的断屑和排屑不畅，半封闭加工润滑又困难，钻刃处容易发生积屑瘤，将严重影响微小孔孔径尺寸精度和孔壁的表面质量；③φ0.3 mm×2 mm，φ0.5 mm×4 mm和φ0.8 mm×4 mm三段孔轴线的同轴度问题；④所有微小孔正反面孔口无翻边，无毛刺，直接达到模具的特殊要求；⑤合理匹配好加工精度与加工效率的问题。

不锈钢微小孔模具的加工选用数控高速数控铣床完成，加工工艺为：①正面加工：工序内容正面0.3 mm微小孔，定位销孔和沉头孔的加工，刀具是硬质合金耐磨涂层钻头，立铣刀和铰刀，用压板和螺钉直接将零件装夹在机床工作台上。②反面加工：工序内容反面0.5 mm和0.8 mm的微小孔加工，刀具是硬质合金耐磨涂层钻头，用压板和螺钉直接将零件装夹在工装上，工装与机床工作台固定。工装结构如图3所示。

按加工工艺加工完成的微小孔模具如图4所示，验证了加工工艺的正确性，为后续加工过程采集积累数据提供了基础保障。

图3 工装结构示意图 图4 加工完成的微小孔模具

2 微小孔加工实验数据

在难加工材料不锈钢上进行微小孔加工，不可避免会发生钻头折断的情况。一般会采用固定循环钻孔指令，合理匹配钻削用量和每次进刀的钻深量，保证最合理的断屑和排屑次数来尽量减少钻头折断的情况发生，这样才能延长钻头的使用寿命，所以要在实践中不断探索总结钻削用量和每次进刀的钻深量。在确保钻头是在正常钻削前提下，微小孔钻削加工效率也很重要。正常钻削可以理解为钻头不折断，孔口无毛刺，孔壁表面质量高以及钻削过程的振动和噪声很小，这些是通过现场实际观察来衡量判断，只评定有效与否，不便于量化。用钻孔个数来衡量正常钻削稳定性的优劣，用单孔加工时间来评价正常钻削加工效率的高低。需要强调的是单孔加工时间的前提是有效的钻孔个数，钻孔个数所用总加工时间的平均值就是单孔加工时间。有效的钻孔个数的前提是正常钻削，这就表明有效钻孔个数指标比单孔钻孔时间指标更重要。

不锈钢微小孔加工过程中，保证在正常钻削的前提下采集钻孔个数和单孔加工时间指标时的影响因素有：主轴转速、进给速度、每次钻削深度、机床主轴回转精度、机床共振频率、钻头的材料及刀具切削角度、被加工材料等等。为了说明不锈钢微小孔钻削时钻削参数对钻削加工的影响，所以仅考虑主轴转速、进给速度、每次钻削深度三个主要因素，假定不受其他因素的影响。两个指标中有效钻孔个数越大越好，单孔加工时间越小越好。为了找到不锈钢微小孔加工时最优化的钻削参数，分别对上述三个因素和两个指标设计正交表L9(34)进行研究。

在实际生产中积累大量的数据，通过现场观测评估和加工经验对数据进行分析汇总，梳理后确定φ0.3 mm×2 mm，φ0.5 mm×4 mm和φ0.8 mm×4 mm三个微小孔加工的因素水平具体取值如表1所列。

表1 因素水平

在实际的不锈钢微小孔钻削过程中，特意按正交实验因素水平表所列的各因素各水平组合的钻削参数进行了大量的数据积累，保证在正常钻削的前提下采集到钻孔个数和单孔加工时间指标数据(平均值)如表2正交实验数据表所列。

表2 正交实验数据表

3 正交试验数据处理

采用直观分析法对数据处理，得到微小孔加工钻削切削用量的最佳选取方案。φ0.3 mm×2 mm微小孔钻削参数计算结果如表3所示，φ0.5 mm×4 mm微小孔钻削参数计算结果如表4所示，φ0.8 mm×4 mm微小孔钻削参数计算结果如表5所示。

表3 φ0.3 mm×2 mm微小孔钻削参数计算结果表

表4 φ0.5 mm×4 mm微小孔钻削参数计算结果表

表5 φ0.8 mm×4 mm微小孔钻削参数计算结果表

在正交实验数据处理各表中，K代表各因素的每一次水平求和，κ为各因素每个水平的平均值，R为平均值的最大差值即极差。

根据表3可知：在不锈钢加工微小孔φ0.3 mm时，影响钻削稳定性优劣的切削参数依次为主轴转速n，每次钻削深度h和进给速度F。影响钻削加工效率高低的切削参数依次为进给速度F，每次钻削深度h和主轴转速n。φ0.3 mm钻头直径微小极易折断。切削扭矩大小决定折断的难易程度，而主轴转速又对切削扭矩影响极大，因此极高的主轴转速才能保证钻头不易折断，保障钻削的稳定性。主轴转速极高时，钻头直径微小两边切削刃也极短，进给速度和每次钻削深度对切削扭矩的影响就很小，但两者取值也不能过大，同样也要保障钻削过程的稳定性。考虑到稳定性要比加工效率更重要，综合比较后选取最优参数组合为n=12 000 rpm，F=20 mm/min，h=0.03 mm。

根据表4可知：在不锈钢加工微小孔φ0.5 mm时，影响钻削稳定性优劣的切削参数依次为主轴转速n，每次钻削深度h和进给速度F。影响钻削加工效率高低的切削参数依次为进给速度F，每次钻削深度h和主轴转速n。φ0.5 mm钻头直径小也易折断。主轴转速对切削扭矩影响最大，两边切削刃短，进给速度和每次钻削深度对切削扭矩有一定的影响，两者取值要在主轴转速一定时合理匹配才能保障钻削稳定性。与φ0.3 mm相比，主轴转速大幅减低，进给速度和每次钻削深度大幅增加，为了在稳定性的基础上尽可能提高加工效率。考虑稳定性要保障，加工效率也要提高，综合比较选取最优参数组合是n=7500 rpm，F=30 mm/min，h=0.08 mm。

根据表5可知：在不锈钢加工微小孔φ0.8 mm时，影响钻削稳定性优劣和加工效率高低的切削参数相同，依次为每次钻削深度h，进给速度F和主轴转速n。φ0.8 mm钻头直径较大，不易折断。由于两边切削刃变长，对于切削扭矩，每次钻削深度影响最大，而主轴转速影响最小。为了有理想的加工效率，主轴转速也不能过低。与φ0.3 mm和φ0.5 mm相比较，每次钻削深度有极大幅度的增加，主轴转速大幅度减小。考虑在稳定性的前提下，提高加工效率更有必要，综合选取最优参数组合是n=5500 rpm，F=30 mm/min，h=0.3 mm。

4 结束语

为提高不锈钢微小孔钻削加工效率降低加工成本，利用正交实验分析法对加工参数进行优化处理，分别获得φ0.3 mm，φ0.5 mm和φ0.8 mm孔最优钻削参数组合。对于不锈钢微小孔钻削加工可知：

(1)钻孔直径小于0.5 mm时，主轴转速对钻削稳定性影响最大，为确保钻削过程稳定、高效、精密，控制主轴转速的大小最为重要。

(2)钻孔直径大于0.5 mm时，每次钻削深度对钻削稳定性和单孔用时影响最大，为确保钻削过程稳定、高效、精密，所以控制每次钻削深度取值尤为关键。

(3)孔径越小，主轴转速越高，进给速度和每次钻削深度取值越小。但变化不成比例。反之，孔径越大，主轴转速越低，进给速度和每次钻削深度越大，同样变化不成比例。