摘要,分析钛合金上微小深孔加工的难点,介绍一种可以在普通机床上,用麻花钻顺利完成其加工的工艺方法,并给出了试验结果。

　　随着科学技术的发展,对各种机械零件的性能要求越来越高。为了满足这些要求,人们发明、发现了许多新型材料,但这些材料有很多加工性能不好,因此给其加工带来了许多不便。钛合金就是其中一类,要在其上进行微小深孔加工则必须认清难点,采取有效措施。

　　刀头处,刀具很容易被磨损,钛的化学活性高,温度也高,刀具的化学磨损也很严重,而且钛合金的弹性模量小,回弹大,一方面利用物理方法几乎不能断屑,另一方面,加剧了刀具的磨损,此外,在加工时,切屑和前刀面的接触面积远小于普通钢加工时的接触面积,所以,刀刃的负荷比加工普通钢时大。因此,钛合金加工时,刀具的耐用度低,刀刃容易损坏。

　　针对上面的分析,要实现在钛合金上的微小深孔加工,必须首先解决能加工问题,其次是排、断屑问题,刀具的刚度、强度问题,耐用度问题等。

　　近年来,迅速发展起来的振动切削方法为难加工材料的加工提供了一个很好的解决方案,试验证明此方法在很多情况下,都明显地改善了材料的可加工性,,、,,。在孔加工过程中也借助于振动切削的思想,用轴向振动方法来完成加工,取得了良好的效果。

　　图,为轴向振动钻削的理论模型,设加工时,刀具转速为,,刀具直径为,,进给量为,,,刀具的振幅为,,振频为,,则刀刃上任意点的轴向位移量

　　在普通钻削过程中,轴向进给速度,,和切削速度,的作用,切削刃与工件待加工表面之间形成一个角度,称为入切角!,,因为,,!,,所以,!,角很小,刀刃容易在工件表面上打滑,造成入切困难,如图,所示。如果增大,,,则刀具承受的轴向力很大。在钛合金上加工微小孔时,刀具无法起钻,就是由于刀具直径小,不能承受较大轴向力所致。

　　动切削并不能实现几何断屑,这是值得注意的。由式,,,知,实现几何断屑的基本条件是

　　(!),,,,,,,,但这个条件只是必要条件,而不是充分条件,由图,的轴向振动切削断屑示意图可知,要实现几何断屑,还必须保证适当的相差角。设,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,!,,如果参数选择满足这些条件,则可实现可靠的几何断屑,并且可以通过各参数的调整控制切屑的大小,为顺利地排屑打下一个良好的基础。

　　在微小孔的加工过程中,由于刀具的结构尺寸很小,刀具的刚度、强度很小,所以要实现微小孔的顺利加工,首先要解决刀具的相对刚度、强度问题。

　　采用优质的刀具材料是必要的,但因刀具的尺寸太小,通过此种办法对提高刀具的刚度、强度效果有限,所以还需要从工艺上考虑,这就是要采用轴向振动钻削的原因。在这个过程中,刀具的实际切削状况发生了本质的变化。切削过程是断续的,刀具的实际前、后角发生了变化,如果各参数调整合理,可使切削力明显降低,由图,可以看到,刀具的实际前角增大,刀具锋利化,切削时刀刃的入切角增大,减少了打滑现象,减小了刀具与工件的摩擦,使工件材料容易被切下,所以刀具的相对刚度、强度被提高了。

　　在轴向振动钻削时,由式,,,可知,,,会很大,因此入切角!,会明显增大,使得刀刃不易打滑,入切很容易。同时,由于,,是变化的,刀具不需要承受太大的轴向力,事实上刀具的轴向力比普通钻削时还小,主要因为改变了刀具的实际切削角度,断续加工所致。如果有关参数选择合理,则可明显改善材料的可加工性,起钻自然容易。

　　轴向振动钻削的断屑是基于几何断屑理论,也即实现断续切削,自然切屑也就被断开。但沿切向振

　　刀具在使用过程中的磨损是由于切屑与刀具的摩擦等产生高温,刀刃与切屑、工件间的接触表面经常为新鲜表面以及较高的接触压力所致,然而这些因素在实现了轴向振动切削后都有不同程度的改善。断续切削使刀具与工件、切屑的接触时间变短,接触面也不常是新鲜表面,从而减小了化学磨损。由于刀刃的锋利化,使切削力大为降低,切屑与刀具的接触应力及切削温度也大为降低,从而减少了机械,煤矿机械,,,,年第,期

　　本项研究的目的有,个,一是如何在钛合金上实现微小深孔的顺利加工,二是可否利用普通机床完成这项工作。因此,试验时只能选用普通机床,主轴转速一般在,,,,,,,,,以下,所以切削速度较低。

　　这里的试验机床用台钻,自行设计制造的振动工作台,试验用钻头为普通高速钢麻花钻,直径分别是!,,,,,,!,,,,,,试验材料为钛合金,,,,无冷却液。

　　试验,,在普通切削状态下,用多种切削参数进行加工。结果刀具在工件表面打滑,切削很难开始,即使起钻,也仅能钻零点几毫米,刀具就被损坏,观察刀刃,已被磨钝,所以无法完成,,,上的微小深孔加工。

　　试验,,将工件安装在自制的振动工作台上,根据前面的分析,选择如下切削参数,机床转速,,,,,,,,,,,,进给量,,,,,,,,振动参数,,,,,,,,,,,,,刀具!,,,,,,!,,,,,,加工时刀具无打滑现象,起钻很容易,切下的切屑都很小。加工深度为深径比大于,,,为了使切削能顺利完成,进

　　采用振动切削,如果相关参数选择合适,起钻时无打滑,很顺利。切屑很小,说明断屑可靠,因为钛合金弹性模量小、发粘,物理断屑几乎不可能,所以实现了可靠断屑,则必然是实现了几何断屑,实际上对任何材料的加工都是如此。刀具寿命达到深径比,,,以上,这些结果证明了采用第,种方法可以提高刀具的相对刚度、强度,减小刀具磨损,提高刀具耐用度。

　　此外,由振动切削参数可知,在加工微小孔时,,,, , ,,已超出一般振动钻削时此参数的选择范围,一般情况下,,, , ,,,另外振幅和进给量都比一般想象的大,其主要原因就是太薄,则因刀刃的钝圆半径作用,反而使切削困难,加快刀刃的磨损,再者各参数之间的配合对切屑厚度产生影响,必须合理选择。

　　作者简介,张平宽, ,,,,年生,机制教研室主任,副教授,毕业于西安交通大学机械制造专业,现从事机械制造工艺、机械噪声控制方面的教学与科研工作,发表论文,,篇。